理论塔板数求取

G QG R 22
第四节 特殊精馏
但工业生产中需要分离的溶液，也有不少其挥发度很接近或具有恒 沸点（最高或最低恒沸点），对于这类溶液的分离，用普通精馏方式就 难以实现。
方法一：采用萃取、吸附以及膜分离等其它分离方法。 方法二：采用特殊精馏，添加第三组分，提高原溶液各组分间的相对挥 发度，使难以用精馏分离的物系变得易于分离。
浮阀塔,板上开有若干大孔（标准孔 径为39 mm），每孔装有一个可以上、 下浮动的阀片。由孔上升的气流，经过 阀片与塔板的间隙而与板上横流的液体 接触，进行传质和传热过程。
2020/4/7
5
第2板上升蒸汽组成由精馏段操作方程计算
第2板下降液体组成由相平衡方程计算，可得
如此逐级往下计算，可得 因为
---------------
故第5 板为进料板; 习惯上, 将进料板包括在提馏段内, 故精馏段有 4 块理论塔板。自第5 块开始, 应改用提馏段操作方程式。由xn求下一 板上升蒸汽组成yn+1。 - - - - - - - - - - - - - - -
Q D G D R 1 .IV
QWGW.CW.tW
Q'
能量守恒:输入热量=输出热量
Q G Q F Q L Q D Q W Q '
(二)塔顶冷凝器
Q V Q L Q D R 1 .D .r
则冷却水的消耗量：
G源自文库C水.Qt出 Vt进
（三）再沸器
2020/4/7
由再沸器的热量衡算可求得:
2020/4/7
33
（二）筛板塔
筛孔 溢流堰 降液管
优点是结构简单，气液相之 间接触比较充分，生产能力大， 塔板效率比泡罩塔高15%，压力 降小，造价大约为泡罩塔的60%， 为浮阀塔的80%。主要缺点是操 作弹性小，普通筛板易堵塞等
2020/4/7
34
（三）浮阀塔
几种浮阀形式
2020/4/7
35
每一个梯级代表一层理论板。 梯级总数即为所需理论板数。
2020/4/7
9
八、适宜的进料位置
如前所述，图 解过程中当某梯级 跨过两操作线交点 时，应更换操作线。 跨过交点的梯级即 代表适宜的加料板 (逐板计算时也相同), 这是因为对一定的 分离任务而言, 如此 作图所需的理论板 层数为最少。
2020/4/7
逐板计算法是求理论塔板数的基本方法，计算结果较准确，。但 该法比较繁琐。
2020/4/7
3
[例] 常压下用连续精馏塔分离含苯44%的苯一甲苯混合物. 进料为泡点液 体，进料流率取100 kmol/h为计算基准。要求馏出液中含苯不小于 94 %. 釜液中含苯不大于8 %(以上均为摩尔百分率). 设该物系为理想溶液．相对 挥发度为2.47. 塔顶设全凝器，泡点回流，选用的回流比为3. 试计算精馏 塔两端产品的流率及所需的理论塔板数。
第二板：
y2
R R1x1
xD R1
x1
y1
(1)y1
x2
y2
(1)y2
得：（x1,y1） 得：（x2,y2）
第三板： ……
y3
RR1x2
xD R1
x3
y3
(1)y3
得：（x3,y3）
如此重复直至 xm≤xf为止，则精馏段的理论塔板数为m-1.
改在提馏段和相平衡线之间
第m板为进料板
第m+1板：…ym1LLqqFW FxmLW qW FxW
2020/4/7
24
（四）恒沸剂精馏举例
工业酒精恒沸精馏（用苯作恒沸剂）制取无水酒精。乙醇-水 二元恒沸物（恒沸点78.15℃，乙醇摩尔分率为0.894）
三元恒沸物： 苯： 0.539 乙醇：0.228 水： 0.233 沸点：64.85℃
2020/4/7
上层苯相 苯： 0.745 乙醇：0.217 少量水
10
九、板效率及实际塔板数
（一）单板效率（默弗里效率Murphre）
表示以气相或液相经过实际板的组成变化值与经过理论板的组成变 化值之比来表示
2020/4/7
单板效率示意图
11
液相组成表示:
Eml
xn1xn xn1xn
气相组成表示:
Emv
ynyn1 ynyn1
单板效率只能反映该层塔板的传质效果.
2020/4/7
7
1.操作线的作法
首先根据相平衡数据, 在直角坐标上绘出待分离混合物的x-y 平衡 曲线, 并作出对角线。如右上图所示。
在x=xD 处作铅垂线, 与对角线交于点a, 再由精馏段操作线的截距 xD /(R+1) 值, 在y 轴上定出点b, 联ab。 ab为精馏段操作线。
在x=xF 处作铅垂线, 与对角线交于点e, 从点e作斜率为q /(q-1)的q 线ef, 该线与ab交于点d。
yq xq
（2）解析法
设两操作线与平衡线交点d的坐标为（xq, yq），则由相平衡方程
y x 1( 1)x
代入
2020/4/7
得
yq
xq 1(1)xq
Rmi n
xD yq
yq xq
18
（三）适宜回流比的选择
最适宜回流比应通过经济衡算来决定，即按照操作费用与 设备折旧费用之和为最小的原则来确定，它是介于全回流与最 小回流比之间的某个值。通常适宜回流比可取最小回流比的 （1.1－2.0）倍，即
在x=xW 处作铅垂线, 与对角线交于点c, 联cd. cd为提留段操作线。
2020/4/7
8
2.求N 的步骤 自对角线上a点始, 在平衡线与
精馏段操作线间绘出水平线及铅垂 线组成的梯级. 如右图所示。
当梯级跨过两操作线交点d 时, 则改在平衡线与提馏操作线间作梯 级, 直至某梯级的垂直线达到或小 于xW为止。
七、理论塔板数的求取
理论塔板数的确定通常有两种方法:逐板法、图解法等
(一)逐板计算法
精馏段操作线方程：
yn1
RR1xn
xD R1
提馏段操作线方程：
yn1L Lq qF W Fxn1LW qW F xW
相平衡方程式：
yn
xn 1(1)xn
2020/4/7
或
xn
yn
(1)yn
1
第一板： y1 xD
因为
2020/4/7
故所求的总塔板数为9块（包括再沸器）。 6
(二)图解法－－McCabe-Thiele, M-T法
梯级含义：如第一梯级 由a点作水平线与平衡线
交于点1(y1, x1), 相当于用平衡 关系由y1求得x1；再自点1作 垂线与精馏段操作线相交, 交 点坐标为(y2, x1), 即相当于用 操作线关系由x1求得y2。作图 法与逐板计算法等价。
（二）塔径的计算
由
Vs
4
D2u
2020/4/7
得 D 4V s
u
20
十二、连续精馏装置的热量衡算 (一)全塔的热量衡算
原料液所带入的热量:
QFGF.CF.tF
再沸器所带入的热量:
QGG.R
回流液所带入的热量:
QLGL.CL.tL
2020/4/7
21
馏出液所带走的热量: 残液所带走的热量: 热损失:
…
2020/4/7
xm1(ym11)ym1 得:（xm+1,ym+1）
2
第N板： yNLLqqF W FxN1LW qW F xW
xN
yN
(1)yN
xW
如此重复直至 xn≤xW为止，则提馏段的理论塔板数为n-1.
结果: 塔内共有理论板N块,第N板为再沸器，其中精馏段m-1块, 提 馏段N-m+1块 (包括再沸器),第m板为进料板。 总理论板数为:n+m-2
简单、造价低、安装维修方便等。
2020/4/7
30
二、板式塔结构
板式塔结构如右图所示， 主要由塔体、塔板、裙座、接 口等部分组成。
2020/4/7
31
三、板式塔的类型 塔板：有降液管式塔板和无降液管式塔板。
2020/4/7
32
（一）泡罩塔
主要元件：升气管及泡罩 泡罩安装在升气管的顶部， 泡罩的下部周边有很多齿 缝，泡罩在塔板上按一定 规律排列。
下层水相 苯： 0.0428 乙醇：0.35 其余为水
25
二、萃取精馏 （一）原理
向混合液中加入溶剂(又称萃取剂)，与恒沸精馏不同的是萃取剂不
与原料液中任何组分形成恒沸物。
（二）萃取剂（溶剂）
萃取精馏也是向原料液中加入第三组分，称为萃取剂。加入的萃取 剂是改变原有组分的相对挥发度而实现精馏分离。萃取精馏，从塔顶可 得一个纯组分，萃取剂与另一组分从塔底排出。
全回流时的回流比为：
斜率
2020/4/7
13
2.最少理论板层数
Nmin也可以从芬斯克（Fenske）方程式计算得到：
对双组分溶液 略去下标 A. B
2020/4/7
全回流的理论塔板数
14
(二)最小回流比 Rmin
对于一定的分离任务（即F. xF. q. xW. xD一定）而言, 应选 择适宜的回流比。
（三）萃取剂应具备
（1）选择性好，加入少量萃取剂能使溶液相对挥发度显著提高； （2）挥发性小且不与原组分起反应，便于分离回收; （3）安全，无毒，无腐蚀，热稳定性好以及价格便宜等。
2020/4/7
26
（四）萃取精馏举例
苯-环乙烷溶液的萃取分离： 苯沸点 80.1℃，环乙烷沸点为 80.73℃，其相对挥发度为 0.98 ，苯-环乙烷溶液难于用普通精馏分离。若在该溶液中加入沸点较高 的糠醛（沸点161.7℃），则溶液的相对挥发度发生显著的变化。
循环糠醛 苯
环己烷 冷凝器
补充糠醛
冷凝器
萃
取
精
脱溶剂
馏
溶
底部产品
塔
剂
分
离
塔 糠醛-苯混合液
环己烷
苯+环己烷 （原料）
2020/4/7
27
第五节 板式塔
中石化齐鲁 9.2米板式塔
2020/4/7
28
2020/4/7
中石化高桥10.2米填料塔 29
一、概述
评价塔设备性能的指标：
1. 生产能力大； 2. 分离效率高； 3. 阻力小，压降低； 4. 操作弹性大； 5. 满足工业对生产设备的一般要求：结构
用普通精馏难以分离的物系可采用特殊精馏的方法分离。特殊精馏 的基本原理是：在双组分溶液中加入第三组分，以改变原双组分物系的 非理想性或提高其相对挥发度α而实现分离。根据第三组分所起作用的 不同，又可分为恒沸蒸馏和萃取精馏。
2020/4/7
23
一、恒沸精馏 （一）原理
在混合液中加入第三组分（称为挟带剂）形成新的最低恒沸物。
（二）恒沸剂（或挟带剂）（溶剂）
第三组分与原溶液中的一个组分形成恒沸物，原有组分间的相对 挥发度增大，使该溶液能用一般精馏方法分离。第三组分称为恒沸剂 或挟带剂。
（三）恒沸精馏中合适挟带剂的选用：
（1）恒沸物恒沸点与溶液中纯组分沸点有相当差值，一般不小于10℃ （2）恒沸物易分离，以便回收挟带剂，挟带剂含量越少操作费用越省 （3）热稳定性、腐蚀性、毒性、价格等因素
（二）全塔效率（总效率）
为完成一定分离任务所需的理论塔板数与实际所需的实际塔板数之比。
2020/4/7
E NT
NP
12
十、回流比的影响及其选择
从上块塔板流到下一块塔板的液体，塔顶第一块板上的回流液是由塔 顶上升蒸汽经冷凝后回流至塔内的液体称为回流液。
（一）全回流及最少理论板层数
1、全回流
若塔顶上升蒸气经冷凝后，全部回流至塔内，这种方式称为全回流。 此时，塔顶产品为零，通常F 及W 也均为零--既不向塔内进料，亦不从 塔内取出产品。全塔也就无精馏段和提馏段之区分，两段的操作线合二 为一。
适宜回流比： R(1.1~2.0)Rmin
2020/4/7
19
十一、塔高与塔径的计算 （一）塔高的计算
板式塔：将理论板层数换算为实际板层数，再选择合适的板间距，可计算 塔的有效高度．
Z(NP1)HT
填料塔：填料层高度=理论板数等板高度 等板高度（HETP）：与一层理论板的传质作用相当的填料层高度。
解：由全塔物料衡算：F＝D＋W ; FxF＝DxD＋WxW 将已知值代入, 可解得D＝41.86kmol/h; W=58.14kmol/h
精馏段操作方程为:
提馏段操作方程为:
2020/4/7
4
泡点液体进料时q=1
相平衡方程为
对于泡点进料, xF =xq =0.44
设由塔顶开始计算(从上往下)，第1块板上升蒸气组成y1=xD=0.94。 第1 块板下降液体组成x1由相平衡方程式计算:
2、最小回流比的计算
（１）图解法
设两操作线（与平衡线）交点d的坐标为（xq, yq），则精馏段操作 线斜率为
Rmin y1 yq Rmin 1 xD xq
2020/4/7
16
最小回流比的确定
而
2020/4/7
y1 xD
所以
Rmin xD yq
Rmin1 xD xq
17
所以
Rmin
xD yq
回流比有两个极限值, 上限为全回流时的回流比, 下限为最 小回流比, 实际回流比为介于两极限值之间的某适宜值。
1.最小回流比的定义
达到指定分离程度所需的理论塔板数为无穷多时的回流比为 最小回流比。
2020/4/7
15
过（xD, xD）或（ xW，xW ）作相平衡曲线的切线与精馏段操 作线或提馏段操作线相交，此时无穷多块塔板也不能跨过切点，即 所需的理论塔板数为无穷多，所对应的回流比为最小回流比．（非 理想溶液）