化工原理下1-3 精馏的物料衡算

课本例4
P18
质量分率化为摩尔分率
xG / M A x xG / M A (1 xG ) / M B
摩尔分率化为质量分率
xM A xG xM A (1 x) M B
XG表示轻组分的质量分率
例题1:将5000kg/h含正戊烷0.4(摩尔分率)的正戊烷正 己烷混合液在连续精馏塔内分离,馏出液含正戊烷0.98, 釜液含正戊烷不高于0.03,求馏出液、釜液的流量及塔 顶易挥发组分的回收率。
xn
xn yn 1 ( 1) xn
2.恒摩尔流假设
1）恒摩尔气化
L V
F
加料板
V1= V2= V3 = ······= V V1’= V2’= V3’ = ······= V’
2）恒摩尔溢流
L'
V'
L1 = L2= L3 = ······= L L1’ = L2’ = L3’ = ······=L’
q 值对V与V’、L与L’之间关系的影响 1）冷液进料 q＞1 V＜V’ 2）泡点进料 q=1 V = V’
L’＞L+F L’ = L +F
L’ = L + q F V’ = V +（q-1）F
3）气液混合物进料（为液化率） 1＞q＞0 V ＞V’ L’＜L +F 4）露点进料 q=0 V =V’ +F L’ = L 5）过热蒸气进料 q＜0 V ＞V’ L’＜L
将L’ = L+ F q 代入提馏段方程
L' W ym 1 xm xW L'W L'W L Fq W xm xW 得： ym 1 L Fq W L Fq W
作业
P73
5，6，7
L（质）= R﹒D = 2 ×50 kg / h = 100 kg / h
L = 100 / 121.1 kmol / h = 0.826 kmol / h
问题:下面说法是否正确?
①根据恒摩尔流假设,每块塔板回流液的量应皆为
100 kg/h;
②根据恒摩尔流假设,每块塔板回流液的量应皆为 0.826 kmol/h;
答：恒摩尔流假设；
稳态操作；
无化学反应；
（与气液是否达到平衡无关！）
思考 2）精馏线 yn1
R xD xn R1 R1
的推导进一步用到的前提条件是什么？
答：泡点回流
（使塔内的回流L内与塔外液相回流相等，即L内
＝L外，如果没有特别说明，L一般指的是外回流，
而精馏线方程中的L应按内回流算。）
解：
(1)
y1 = xD= 0.95
y1
y2
x1
x2
xD
x1 y1 1 ( 1) x 1
1.6 x1 0.95 1 (1.6 1) x 1
x1 0.92
(2)
R 1 y2 x1 xD R1 R1
2 0.92 0.95 0.93 21 21
若令R内 L内 / D
R内与R关系？
xD 则yn 1 xn R内 1 R内 1
R内
令R内 q回流 R
则q回流
R内 R

L内 / D L/ D

L内 L
L L LC pm (tb t R ) / rm L L
q回流
c pm (tb t R ) rm rm
3、提馏段物料衡算及操作线方程
L’ = V’ + W V’ = L’ - W
m
m 1
V ' L'
y m 1 x m
V’ ym+1 = L’xm －WxW
ym 1 L' W xm xW V' V'
L' W xm xW L'W L'W
yW
W xW
1.5.3 进料热状况的影响
恒摩尔流假设的条件
1、各组分的摩尔潜热相同;
2、因温度不同,气液接触交换的显热可忽略; 3、保温良好。
1.5.2 物料衡算和操作线方程
1.全塔物料衡算
全塔物料衡算:
F=D+W
L
全塔轻组分物料衡算
F xF = D xD+ W xW
F xF
D xD
塔顶易挥发组分回收率
η= D xD / (F xF)
（3） V （质）= ( R + 1 ) D(质） = ( 2 + 1 )×50 kg / h = 150 kg / h M氯访= 119.35 kg / kmol
M四氯化碳 = 153.8kg / kmol
Mm= (0.95×119.35 + 0.05×153.8) kg / kmol =121.1 kg / kmol V = (150kg/h) /( 121.1kg/kmol) = 1.24 kmol / h
1.五种热状况
e
1）冷液进料;
t
d
c b a
Fra Baidu bibliotek
2）泡点进料（饱和液体进料）;
3）气液混合物进料;
4）露点进料（饱和气体进料）; 5）过热蒸气进料;
x(y)
2.进料热状况参数q定义和计算
进料板物料衡算
F V ' L V L '
F IF
V IV V’ IV’
L IL
L’ IL’
V V ' F ( L ' L)
进料板热量衡算
FI F V ' IV ' LI L VIV L ' I L '
其中：IV IV'，IL IL'
则：FI F V ' IV LI L VIV L ' I L
则：（V V '）IV FI F L ' L）I L （
IV I F L ' L 则： IV I L F
yn
V
n
yn1 xn L
L/ D D/ D yn1 xn xD L/ D D/ D L/ D D/ D
yn1
L/ D D/ D xn xD L/ D D/ D L/ D D/ D
令L / D R (回流比) R xD yn1 xn R 1 R 1
L ' L qF V V ' (q 1) F
x(y)
2）饱和液体
t
d b a
e c
L' L F V ' V IV I F q IV I L
x(y)
IF IL
IV I F q 1 IV I L
3）气液混合液
t
d b a
e c
L ' L F中的液体 V=V'+F中的蒸气
** 精馏段操作线方程的意义： 在一定的操作条件下，从任一塔板（n）向 下流的液体组成xn与相邻的下一块塔板（n+1） 上升蒸汽组成y n+1之间的关系。
L=RD
V = L+ D =（R + 1）D
思考
L D 1）精馏线 yn1 xn xD L D L D 的推导所用到的前提条件是什么？
F D W Fx Dx Wx f D W

62.2 0.4
97%
2.精馏段物料衡算及操作线方程
精馏段总物料衡算
V = L+D
V
1
精馏段轻组分物料衡算
y1
L
x1
D xD
V yn+1=Lxn + D xD V=L+D
yn1
L D xn xD L D L D
L ' L q= ：因进料引起的提留段与精馏段液体流量差异 F
进料热状况参数q的应用
L ' L qF，V ' V (q 1) F
1）温度低于泡点的冷液体
L ' L F 部分蒸气冷凝量 V=V'-部分蒸气冷凝量
t
d b a
e c
IV I F r c pL (tb t F ) q 1 IV I L r
1.5 双组分连续精馏计算
双组分连续精馏塔的物料衡算
V y1
1.全塔物料衡算 2.精馏段物料衡算 3.提馏段物料衡算
全凝器
L
D xD
4.加料板物料衡算
V ' yW 水蒸气
W xW 冷凝水
1.5.1 理论板的概念及恒摩尔流假定
1.理论板的概念 理论板：离开塔板的蒸气和液体呈平衡的塔板。
yn
n
yn1
5）过热蒸气
L ' L-部分液体汽化量 V=V' F 部分液体汽化量
t
d b a
e c
x(y)
IV I F ( I F IV ) c pV (t F td ) q 0 IV I L r r
L ' L qF V V ' (q 1) F
进料热状况对塔内气、液流量的影响
L ' L ： F 因进料引起的提留段与精馏段液体流量差异 q=
x(y)
L ' L q= ：气液共存进料时的液化率 F
0 q 1
4）饱和蒸气
t
d b a
e c
L' L V=V'+F
IV I F q IV I L
x(y)
I F IV
IV I F q 0 IV I L
V
L F
V'
L'
3.进料状况对操作线方程影响
yn1 L D xn xD L D L D
R xD yn1 xn R 1 R 1
L' W ym1 xm xW L'W L'W
把精馏段及提馏段的之间物料关系通过进料热状
况参数联系起来。
L’ = L + q F V’ = V +（q-1）F
例题2
例: 氯仿和四氯化碳的混合液在连续精馏塔内 分离，要求馏出液氯仿浓度为0.95(摩尔分率)，流 量为50kg/h，顶为全凝器，平均相对挥发度为1.6， 回流比为2。
求: (1) 由上向下数第一块理论塔板下降的液体组成;
(2) 第二块理论塔板上升蒸气组成。
(3) 精馏段各板上升蒸气量及下降的液体量;
F IF
V IV V’ IV’
L IL
L’ IL’
IV I F L ' L 令q= IV I L F
IV I F L ' L q= IV I L F
进料热状况参数q的意义
F IF
V IV V’ IV’
L IL L’ IL’
IV I F 将1kmol 进料变为饱和蒸气所需热量 q= IV I L 原料液的kmol汽化潜热
W xW
采出率 D/F
W (1 xW ) F (1 xF )
塔釜难挥发组分回收率
思考
为什么不再对重组分进行物料衡算？
答：由于xB=1-xA，并不是独立的，
对重组分物料衡算所得的方程：
F (1-xF) = D(1- xD)+ W (1-xW)
可由F
=D+W 与
F xF = D xD+ W xW 相减得出
补充：冷液回流时的精馏线
L内＝L外＋Φ V外＝V－Φ L外＝RD Φ rm=L外Cpm(tb-tR)
V外

V
L外
L
D
L外:塔外的液相回流量,kmol/h Φ :被冷凝下来的流量,kmol/h rm:回流液在泡点温度下的气化 潜热，kJ/kmol Cpm:回流液的平均比热，kJ/(kmol·K) tb:回流液的泡点温度，OC L内 D yn 1 xn xD tR:冷回流液的温度，OC L内 D L内 D
解：正戊烷 M = 72 62.2 D W 正己烷 M = 86 62.2 0.4 0.98D 0.03W MF=( 0.4×72+0.6×86) D =24.6 2 kmol / h = 80.4 g/mol W=37.62 kmol / h F = (5000 / 80.4) = 62.2 kmol/h 24.6 0.98