精馏的物料衡算

编号：AQ-JS-07379

( 安全技术)

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精馏的物料衡算

Material balance of distillation

精馏的物料衡算

使用备注：技术安全主要是通过对技术和安全本质性的再认识以提高对技术和安全的理解，进而形成更加科学的技术安全观，并在新技术安全观指引下改进安全技术和安全措施，最终达到提高安全性的目的。

一、全塔物料衡算

连续精馏过程中，塔顶和塔底产品的流量与组成，是和进料的流量与组成有关的。它们之间的关系可通过全塔物料衡算求得。衡算范围如图10—2虚线框内所示。

总物料平衡F＝D+W(10—1)

易挥发组分平衡Fxr＝DxD+Wxw(10—2)

式中F原料液摩尔流量，kmol／h；

D——馏出液摩尔流量，kmol／h；

W——釜残液摩尔流量，kmol／h；

XF

——料液中易挥发组分的摩尔分数；

XD

馏出液中易挥发组分的摩尔分数；

XW

釜残液中易挥发组分的摩尔分数。

只要已知其中4个参数，就可以求出其他二参数。一般情况下F、cF、cD、Xw由生产任务规定。上式中F、D、W也可采用质量流量，相应地XF、XD、Xw用质量分数。

式中D／F，W／F——工程上分别称其为馏出液采出率和残液采出率。

精馏生产中还常用回收率的概念。所谓回收率，是指某组分通过精馏回收的

全塔物料衡算方程虽然简单，但对指导精馏生产却是至关重要的。实际生产中，精馏塔的进料是由前——工序送来的，因此进料组成XF为定值。由式(10—4)、式(10—5)可知，塔的产品产量和组成是相互制约的。

工业精馏分离指标一般有以下几种形式：

①规定馏出液与釜残液组成XD、Xw，此种情况下，D／F、W ／F为定值，该塔的产率已经确定，不能任意选择。

②规定馏出液组成XD。和采出率D／F，此时塔底产品的采出率W／F和组成XW，也不能自由选定，反之亦然。

③规定某组分在馏出液中的组成和它的回收率，由于回收率≤100％，即DXD≤FXF或D／F≤XF／XD。，因此采出率D／F是有限制的，当0／F取得过大时，即使此精馏塔有足够大的分离能力，塔顶也无法获得高纯度的产品。

二、精馏段物料衡算

在对精馏塔的操作分析中，常常须掌握塔内相邻两层塔板间的气、液相浓度之间的数量关系，这种关系称为操作线关系，表达这种关系的数学式叫操作线方程。由精馏段进行物料衡算可得出精馏段的操作线方程，对提馏段物料衡算可得出提馏段的操作线方程。

(一)恒摩尔流假设

为简化计算，引入气、液恒摩尔流的基本假设如下。

(1)恒摩尔汽化在精馏过程中，精馏段内每层板上升的蒸汽摩尔流量相等，以y表示。提馏段内也如此，以矿表示。但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。

(2)恒摩尔溢流在精馏过程中，精馏段内每层板下降的液体摩尔流量相等，以L表示。提馏段内也如此，以L，表示。但两段的液体摩尔流量不一定相等。

若塔板上气液两相接触时，有1km。1的蒸汽冷凝，相应就有1km。1的液体汽化，恒摩尔流的假定即成立。为此，必须满足以下条件：①各组分的摩尔汽化潜热相等；②气液两相接触时，因温度不同而交换的显热可以忽略；③精馏塔保温良好，热损失可以忽略。

在精馏操作时，恒摩尔流虽是一项假设，但很多物系，尤其是结构相似、性质相近的组分构成的物系，上述条件基本符合，本章研究的对象均可按符合假定处理。

(二)精馏段操作线方程

精馏段操作线方程可由图10—3所示的虚线范围(包括精馏段第i+1层板上塔段及冷凝器)作物料衡算。

图10—3中对浓度下标的规定如下：来自哪一块塔板就用该塔板的编号作下标，塔板号码自上而下从第1号开始顺序编号。浓度皆以摩尔分数表示。

令R＝L／D，及称为回流比，是塔顶回流液量与塔顶产品量的比值，它是精馏操作中很重要的操作参数。后面将对其进行讨论。

上式中，由于第i块板是任选的，只要是在精馏段部分即能满足。因此可去掉下标，得

式(10—6)和式(10—9)皆称为精馏段的操作线方程，其意义表示在一定操作条件下，精馏段内任意两块相邻塔板间，从上一块塔板下降的液体组成与从下一块塔板上升蒸汽组成之间的关系。其中式(10—9)用得比较普遍。

显然，精馏段操作线方程在~z--y直角坐标图上的图形为一条直线。其作法如下：以操作线上两个特殊点作连线画出操作线。在式(10—9)中，令X＝XD

。则可算得Y＝XD

。，因此表明点d(XD

，XD

)是精馏段操作线上的一个特殊点该点可在Y-X图的对角线上由X＝XD。方便地标出，另一个特殊点6由操作线方程的截距求得，

即点(0，XD

／R+1)。图10—4表明由这两个特殊点连直线做出精馏段操作线的方法。

三、提馏段物料衡算

如图10—5所示，在提馏段第j层板以下，包括再沸器这一虚线范围作物料衡算：

式(10—10)和式(10—11)称为提馏段操作线方程。其意义表明在一定操作条件下，在提馏段内任一了层板流到下一j+1层板的液相组成Xj与从下一层j+1板上到j层板上的气相组成》Yi+1之间的关系。

根据恒摩尔流的假定，提馏段中各板的L′值，当稳态操作时W 和zv，也没定值，因此，式(10—11)在X-Y上的图形也是直线，并且当X＝XW

，由式(10—11)算得Y=XW

，说明该直线对角线上的(XW

,XW