精馏吸收操作型问题示例.docx
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精馏吸收操作型问题示例.docx
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精馏吸收操作型问题示例
精馏操作型问题分析
【例5-35】一操作中的精馏塔,若保持F、xF、q、D不变,增大回流比R,试分析L、V、L’、V’、W、xD、xW的变化趋势。
【解】根据题意,F、xF、q、D、总理论板数N、精馏段理论板数N1、α不变,R增大,分析如下:
(1)L、V、L’、V’、W变化趋势
L=RD,V=(R+1)D,因为D不变、R增大,所以L增大、V增大。
L’=L+qF,V’=V-(1-q)F,因为F、q不变,所以L’增大、V’增大。
由W=F-D,因为F、D不变,所以W不变。
(2)xD、xW的变化趋势
可先假设xD不变,则xW=(FxF-DxD)/W也不变(因为F、D、W、xF不变),结合R增大,作出新工况下的精馏段和提馏段操作线,如图5-7(a)所示的虚线,原工况为实线,可知要完成新工况下的分离任务所需的理论板数比原来的要少,不能满足N不变这个限制条件,因此“xD不变”的假设并不成立。
若再假设xD减小,可以得出与xD不变情况下同样的结论,因此若要满足N不变,必有xD增大,又从物料衡算关系得xW减小,其结果如图5-7(b)所示。
结论:
xD增大、xW减小。
(a)(b)
图5-7例5-35不同情况下的操作线
【例5-36】某二元精馏塔,因操作问题,进料并未在设计的最佳位置,而偏下了几块板。
若F、xF、q、R、V’均同设计值,试分析L、V、L’、D、W、xD、xW的变化趋势。
【解】根据已知条件,F、xF、q、R、V’、N、α不变,精馏段理论板数N1增大,分析如下:
(1)L、V、L’、D、W分析
V=V’+(1-q)F,因为V’、q、F不变,所以V不变。
D=V/(R+1),因为R不变,所以D不变。
W=F-D,所以W不变。
L=V-D,因为V、D不变,所以L不变。
L’=L+qF,因为q、F不变,所以L’不变。
(2)xD、xW的分析
本题易发生一种错觉:
加料板下移使N1增大、提馏段理论板数N2减小,单从两段的分离能力来看,似乎有xD增大、xW增大,但这个推论显然不符合物料衡算式FxF=DxD+WxW。
现在用图解法分析:
设xD不变,则xW=(FxF-DxD)/W也不变,结合R不变,得新工况下的操作线同原来的一样,由于进料位置比最佳位置低,则图解结果如图5-8(a)虚线所示,可知所需N增大,而实际上N不变。
若再假设xD变大,从物料衡算知xW减小,此时所需要的N明显变大,与实际不符。
因此必有xD减小,结合物料衡算知xW增大,如图5-8(b)所示。
结论:
xD减小、xW增大。
(a)(b)
图5-8例5-36不同情况下的操作线和理论板数求解
【例5-37】一操作中的精馏塔,F、xF、q、V’不变。
增大回流比R,则L、V、L’、D、W、xD、xW的变化趋势?
试将结果与例5-35作比较。
【解】根据题意F、xF、q、V’、N、N1、α不变,R增大,分析如下:
(1)L、V、L’、D、W分析
V=V’+(1-q)F,因为V’、q、F不变,所以V不变
D=V/(R+1),因为R增大,所以D减小。
W=F-D,因为F不变,所以W增大。
L=V-D,因为V不变、D减小,所以L增大。
L’=L+qF,因为q、F不变,所以L’增大。
(2)xD、xW分析
因为R增大,所以新工况下的精馏段操作线将向对角线靠近,分离能力增大,所以xD增大;若仅从物料衡算xW=(FxF-DxD)/W看,并不能确定xW的变化趋势。
这时,要从提馏段操作线斜率着手分析,提馏段斜率为L’/V’,L’/V’=1+W/V’,因为V’不变、W增大,所以L’/V’增大,靠近平衡线,提馏段的分离能力下降,所以使得xW增大。
结论:
xD增大、xW增大。
讨论:
将本题结果与例5-35的作一下比较,可见同样是R增大,但由于使R增大的手段不一样,操作结果也不一样。
其原因是例5-35中提馏段的分离能力因L’/V’下降(因为V’增大、W不变)而提高,本题中它却因L’/V’增加而下降。
说明:
例5-35、例5-36同样可用考察塔板分离能力的方法进行分析。
比如对例5-35,L/V=R/(R+1),因为R增大,所以L/V增大。
L’/V’=1+W/V’,因为V’增大、W不变,所以L’/V’减小。
因为L/V增大、L’/V’减小、N1不变、N2不变,所以精馏段、提馏段的分离能力均提高,可得xD增大、xW减小。
【例5-38】一精馏塔,冷液进料。
由于前段工序的原因,使进料量F增加,但xF、q、R、V’仍不变,试分析L、V、L’、D、W、xD、xW的变化趋势。
【解】根据题意xF、q、R、V’、N、N1、α不变,F增大,分析如下:
(1)L、V、L’、D、W分析
V=V’+(1-q)F,因为V’、q不变,且q>1,所以F增大使V减小。
D=V/(R+1),因为R不变,所以D减小。
W=F-D,因为F增大、D减小,所以W增大。
L=RD,因为R不变、D减小,所以L减小。
L’=V’+W,因为V’不变、W增大,所以L’增大。
(2)L/V、L’/V’的分析
L/V=R/(R+1),因为R不变,所以L/V不变,即精馏段操作线斜率不变。
L’/V’=1+W/V’,因为V’不变、W增大,所以L’/V’增大。
(3)xD、xW分析
设xD不变,利用L/V不变、L’/V’增大作出新工况下的操作线,如图5-9(a)虚线所示,可知所需N减小,而实际上N不变;若假设xD变小,则根据L/V不变、L’/V’增大而得出与xD不变同样的结论,因而必有xD增大,才能使N不变。
此时的操作线如图5-9(b)虚线所示,由图得,xW增大。
(a)(b)
图5-9例5-38不同情况下的操作线
物料衡算验证:
F增大、D减小、W增大、xD增大、xW增大能满足FxF=DxD+WxW。
如从塔板分离能力考察,因为L’/V’增大、提馏段理论板数不变、xF不变,所以xW增大。
由于F增大、D减小、W增大,故暂无法从物料衡算确定xD的变化趋势,而须根据N不变画出新工况下的操作线才能定。
结合xW增大、L’/V’增大、L/V不变、N不变,画出新工况下的操作线,如图5-9(b)虚线所示,即xD增大。
注意:
不能仅从操作线斜率L/V不变、xF不变就得出xD不变的结论。
由于提馏段塔板分离能力下降,致使加料板上升蒸汽组成增大,而精馏段分离能力不变,因此xD增大。
一般情况下,若L/V有变化,则加料板上升蒸汽组成的改变对塔分离结果的影响比不上L/V的影响大(如例5-35),因而可从L/V增大、xF不变得出xD增大的结论。
本题L/V不变,则加料板上升蒸汽组成的变化对塔顶xD的影响要考虑。
结论:
xD增大、xW增大。
讨论:
从例5-35到例5-38的分析可知,不论用图解法还是用考察塔板分离能力的方法,二者所得的结果相同。
实际上分离能力的变化也可以从图解法中分析得到,若考察精馏段的分离能力,可以在图上先假设xD不变时,分析操作线随R的变化,若R变大,则操作线斜率变大,此时远离平衡线,分离能力变大,反之,R变小,分离能力减小;若考察提馏段的分离能力,则先在图上假设xw不变时,分析操作线随L’/V’的变化,若L’/V’增大,即操作线斜率变大,则靠近平衡线,分离能力变小,反之,L’/V’减小,分离能力变大。
与图解法相比,考察塔板分离能力的方法相当于免去了考察xD不变时的步骤,比较简单,但二者的实质是一致的。
因此以后的例题中,如无必要,均采用基于塔板分离能力的方法。
【例5-39】一正在运行中的精馏塔,因进料预热器内加热蒸汽压力降低致使进料q值增大。
若F、xF、R、D不变,则L、V、L’、V’、W、xD、xW将如何变化?
【解】根据题意,F、xF、R、D不变,q值增大,分析如下:
(1)L、V、L’、V’、W分析
L=RD,V=(R+1)D,因为D、R不变,所以L、V不变。
L’=L+qF,V’=V-(1-q)F,因为q增大、F不变,所以L’增大、V’增大。
W=F-D,因为F不变、D不变,所以W不变。
(2)L/V、L’/V’分析
L/V=R/(R+1),因为R不变,所以L/V不变。
L’/V’=1+W/V’,因为V’增大、W不变,所以L’/V’减小。
(3)xD、xW分析
因为L’/V’减小、提馏段塔板数不变,所以提馏段分离能力增大,结合xF不变,可得xW减小。
xD=(FxF-WxW)/D,因为F、D、W不变,所以xD增大。
结论:
xD增大、xW减小。
说明:
xD、xW也可如下分析,因为q增大、xF不变,所以加料板上升蒸汽的浓度增加,而精馏段分离能力不变,所以xD增大,又从物料衡算知xW减小。
【例5-40】一正在运行中的精馏塔,由于前段工序的原因,使料液组成xF下降,而F、q、R、V’仍不变。
试分析L、V、L’、D、W、xD、xW将如何变化?
【解】根据题意,F、q、R、V’不变,xF下降,分析如下:
(1)L、V、L’、D、W分析
V=V’+(1-q)F,因为V’、q、F不变,所以V不变。
D=V/(R+1),因R不变,所以D不变。
W=F-D,因为F、D不变,所以W不变。
L=RD,因为R、D不变,所以L不变。
L’=V’+W,因为V’、W不变,所以L’不变。
(2)L/V、L’/V’分析
因为R不变,所以L/V不变。
因为V’、W不变,所以L’/V’不变。
(3)xD、xW分析
因为L/V、L’/V’、精馏段和提馏段理论板数N1、N2均不变,所以精馏段、提馏段的分离能力不变,结合xF减小,可得xD减小、xW减小。
物料衡算考察:
因为F、D、W不变,所以xF减小,xD减小,xW减小可满足FxF=DxD+WxW。
结论:
xD减小、xW减小。
吸收操作型问题分析
【例6-31】在一填料吸收塔内吸收某低浓度混合气体中可溶组分,现因故吸收剂中溶质含量升高,若保持其他操作条件不变,则出口气、液相组成将如何变化?
【解】根据已知条件,xa增大,而T、P、L、G、yb、h保持不变。
因为m是温度、压力的函数,因为T、P不变,所以m不变。
恒定T、P下,因为L、G不变,所以Kya、Kxa不变。
因为
,所以HOG不变。
又
,
,可知NOG、S不变,得(yb-mxa)/(ya-mxa)不变。
令
(c不变且c<1)
则
因为xa增大,所以ya增大。
根据
①
所以从式①可知,xa增大将使xb增大。
分析xb的变化时还可以用图解法。
图6-12例6-31附图
分析如图6-12:
1线是吸收剂中溶质含量未升高时的操作线,当吸收剂中溶质含量升高时,如升高到
,由以上分析知,此时ya增大,而液气比是不变的,所以操作线应与1线平行,存在有两种可能,一种如2线所示,此时操作线向平衡线靠近,平均推动力变小,但传质单元数仍能保证和1线时同样多,所以是合理的,分析得xb增大。
另一种可能如3线所示,此时偏离平衡线较远,所需的传质单元数变少,而实际上传质单元数是不变的,所以这种情况不合理。
结果:
ya增大、xb增大。
说明:
分析xb时常可采用下述近似方法
因为ya《yb,所以
,因为xa增大,而L、G、yb不变,所以xb增大。
【例6-32】在一填料塔中用清水吸收空气-氨混合气中的低浓度氨,若清水适量加大,其余操作条件不变,则出口气、液相中氨的浓度将如何变化
【解】根据已知条件,L增大,而T、P、G、xa、yb、h保持不变。
由于水吸收氨过程一般属气膜控制,因为G不变,所以Kya基本不变,从而HOG不变,NOG也不变。
因为L增大,所以S减小,结合NOG不变,可得(yb-mxa)/(ya-mxa)增大。
因为xa、yb不变,所以ya减小。
又
,因为ya减小,所以
增大,但由于L增大,暂无法从全塔物料衡算确定xb的变化趋势。
此时xb的分析可用作图法分析。
图6-13例6-32附图
图6-13中,1线是清水量未加大时的操作线,当清水量加大后,由以上分析得ya减小,假设减小到
,若此时xb不变,如图中2线所示,则比1线更靠近平衡线,平均推动力减小,则需要的传质单元数增多,而传质单元数是不变的,所以2线不对,若xb变大,则需要的传质单元数更多。
所以xb应减小,比如减小到
,此时的操作线如3线所示,才能保证传质单元数不变。
结果:
ya减小、xb减小。
说明:
若采用近似方法分析,则因为ya《yb,所以
,因为L增大,而G、xa、yb不变,所以xb减小。
【例6-33】用填料吸收塔处理低浓度气体混合物,如其他操作条件不变而入口气量适度增加,则出口气、液组成将如何变化?
【解】据题G增大,而T、P、L、xa、yb、h保持不变。
因为T、P不变,所以m不变。
因为L不变、G增大,所以kxa不变、kya增大。
因为
,所以Kya增大,但Kya的增加率比G的增加率要小。
由HOG=G/(Kya),从而G增大使HOG增大。
NOG=h/HOG,因为h不变,所以NOG减小。
S=mG/L,因为m、L不变,G增大,所以S增大。
因为NOG减少、S增大,可知(yb-mxa)/(ya-mxa)减小。
因为yb、xa不变,所以ya增大。
又
①
由于L、xa、yb不变,G增大、ya增大,暂无法从全塔物料衡算确定xb的变化趋势。
采用反证法:
设xb减小,则
增大,又
增大,从而
增大。
由于Kya增大,所以
增大。
而此时xb减小将使L(xb-xa)减小,从而式①不满足,说明原假设有误。
同理可证“xb不变”也是错误的,所以必有xb增大。
结果:
ya增大、xb增大。
说明:
分析xb仍可采用近似方法。
因为ya《yb,所以
,因为G增大,而L、yb、xa不变,所以xb增大。
【例6-34】用填料吸收塔处理低浓度气体混合物,现因生产要求希望气体处理量增大但吸收率不下降,有人说只要按比例增大吸收剂的流量(即L/G不变)就能达到目的,这是否正确?
【解】由于Kya随着G的增加而增加,但是Kya的增加比率不及G的增加比率,从而HOG增加,NOG减少,又S不变,故(yb-mxa)/(ya-mxa)下降,导致ya上升(因为yb、xa、m不变),吸收率下降。
因此按比例增大L达不到要求。
若要维持吸收率不下降,L的增大比率要超过G的增加比率,即L/G增大。
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