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理论塔板简捷计算方法
6.4.6理论塔板简捷计算方法
目标:
了解简捷计算法及使用条件
(1)最少理论板数
a.全回流操作
一精馏塔在操作过程中,将塔顶蒸气全部冷凝,其凝液全部返回塔顶作为回流,称此操作为全回流,回流比R为无穷大(R=∞)。
此时通常不进料,塔顶、塔底不采出。
故精馏塔内气、液两相流量相等,L=V,两操作线效率均为1,并与对角线重合,如图6.4.15所示。
塔内无精馏段和提馏段之分,其操作线方程可表示为:
(6.4.8)
图6.4.15全回流操作的最小理论塔板
由于全回流操作时,使每块理论板分离能力达到最大,完成相同的分离要求,所需理论板数最少,并称其为最小理论板数
。
最少理论板数
由以下芬斯克方程求得:
对双组分精馏,A,B两组分相对挥发度
表示为
j=1,2…N(6.4.9)
由塔内操作线方程式(6.4.8)可得
或
(6.4.10)
将各级相平衡关系相乘:
运用式(6.4.10)化简,在各板上的相对挥发度
近似取为常数
,则通过简化和整理获得Fenske方程:
该方程也可用于多组分精馏,其区别是以轻、重关键组分的分离代替双组分的精馏。
芬斯克方程推导
6.4.6理论塔板简捷计算方法(续)
(2)简捷计算法
将许多不同精馏塔的回流比、最小回流比、理论板数及最小理论板数即R、Rmin、N、Nmin四个参数进行定量的关联。
常见的这种关联如图所示,称为吉利兰图(Gillilad)图,如图6.4.16所示。
图6.4.16吉利兰图
·计算
·由图6.4.16或式(6.4.11)求解Y值,代入下式。
·解得理论板数
N及Nmin均含再沸器理论板。
采用简捷法也可估算精馏塔精馏段及提馏段理论塔板数或进料位置。
如果计算精馏段理论塔板数,则求精馏段最少理论板数
,
由进料组成
代替,
为精馏段平均相对挥发度
,按以上步骤求得精馏段理论板数
。
同理,求得提馏段理论板数
。
例6.4.2
6.4.7几种蒸馏操作方式的讨论
目标:
介绍几种不同操作的精馏过程
在精馏过程中,常常有加热、进料方式不同,根据要求,其采出方式也有所区别,对此,分别讨论如下:
(1)直接蒸气加热
一般精馏是间接加热,主要是为避免对物料污染。
如果物料含有水,精馏过程中允许水存在,于是,可将加热蒸气直接通入塔釜内,直接加热。
这样加热蒸气将热量、质量均带入塔内,同时参与塔的热量、质量的传递。
该过程提高了传热效率,可使用温度相对低的加热蒸气,同时,又省一台再沸器。
如图6.4.17所示,由物料衡算可知精馏段物料衡算与常规塔完全一致,仅提馏段有所不同,即:
(6.4.12)
(6.4.13)
式中S-塔釜蒸气用量。
(a)(b)
图6.4.17直接蒸气加热的精馏
按恒摩尔流假设处理,设近似有
,则
,因
,故式(6.4.13)可整理提馏段操作方程。
(6.4.14)
式(6.4.14)为直接蒸气加热精馏的提馏段操作方程。
采用图解法可求理论板数。
与间接加热比较,当
和
相同时,直接加热所需理论板数、回收率、采出量D均有所降低。
若要维持相同产品质量
及回收率,则应适当增加理论塔板数以降低釜液组成
。
6.4.7几种蒸馏操作方式的讨论(续1)
目标:
侧线采出的意义及对分离的影响
(2)具有侧线采出的精馏过程
当需要获取浓度不同的两种或多种产品,或某组分在塔某几板上存在富集现象。
为获得该组分产品或消出该组分对塔两端产品的影响,应采取侧线出料的方法,在适宜塔板上将其及时采出,如图6.4.18所示。
侧线抽出的产品可为塔板上泡点液体或板上的饱和蒸气。
图6.4.18带侧线采出的精馏
如果在精馏段设一侧线采出,则塔被分为三段。
塔两端分别同精馏段和提馏段操作线方程,而塔下段(III)操作线同提馏段操作线方程。
而中段则由物料衡算获得其操作线方程。
无论抽出液相还是气相产品,其段操作线的斜率均小于第I段塔的操作线的斜率。
且使最小回流比Rmin增大,减小了回流比的调节范围,显然,不利于节能。
采出侧线对操作回流比Rmin的影响动画
(3)多股进料精馏
当两股组分相同,组成各异的原料在同一塔中分离,为避免混合增加分离的能耗,则分别在适宜位置加入。
如图6.4.19所示。
两进料将塔分为三段,各段有相应操作线方程,各进料也有相应的q线方程。
图6.4.19多股进料精馏
由于进料的加入,使进料下方塔段的操作线斜率大于上方塔段的操作线的斜率。
如图6.4.19所示。
若混合进料,将使进料处操作线更接近平衡曲线,使所需理论塔板数增多。
6.4.7几种蒸馏操作方式的讨论(续2)
(4)塔顶进料蒸馏塔
目标:
蒸出塔理论级数
原料从塔顶加入,则塔只有提馏段没有精馏段,该塔称之为回收塔或蒸出塔、气体塔,如图6.4.19(a)所示。
原料应在泡点或接近泡点温度进入塔顶,无回流。
而热量则以间接或直接蒸气加热塔底。
当该塔为间接加热时,由物料衡算可得:
L=V+W
(6.4.15)
(a)蒸出塔(b)泡点进料蒸出塔(c)冷进料蒸出塔
图6.4.19蒸出塔及图解理论板数
根据恒摩尔流假设,L=F、V=D,上式(6.4.15)可改写为
(6.4.16)
式(6.4.16)为该塔操作线方程,亦为一直线,该直线通过
点,斜率为F/D。
而q线与操作线交点为
。
由此,可采用图解方法求解理论板数。
当进料为泡点进料时,如图6.4.19(b)所示。
若维持加入塔底热流量不变,则冷进料时,其操作线斜率增大,向平衡线靠近。
如图6.4.19(c)所示,要求塔底达到相同分离要求,势必提高塔釜加热量或增加塔理论板数。
该塔多用于轻、重组分的初步分离,或主要考虑获得较纯的重组分的分离,或回收稀溶液中易挥发组分。
6.4.7几种蒸馏操作方式的讨论(续3)
(5)塔顶设分凝器的精馏
在一般情况下塔顶蒸气应全部冷凝,并保持一定过冷度,以免蒸气未凝而积累,引起塔压升高,如果塔顶蒸气中含少量或一定量较轻的组分,一般冷剂难以将其冷凝,提高冷剂品位又不经济。
为此,塔顶则设部分冷凝器,将未凝的部分轻组分气体采出,然后,再用高品位冷剂将其冷凝作产品送出。
对于量少和无利用价值的不凝气,则直接排入火炬或放空,以节省高品位冷剂的用量。
再沸器中存在釜液的部分汽化,相当一个理论板。
而在分凝中存在蒸气的部分冷凝,也相当一平衡级,故也相当一个理论板。
如图6.4.20流程。
求解理论板方法与常规塔相同,只是第一理论板相当分凝器,而最下一理论板则相当再沸器。
当求得塔内总理论板数为N则表明有(N-2)块理论板。
图6.4.20带分冷凝器的精馏
6.4.8实际塔板数和塔板效率
目标:
塔板效率的基本概念及估算方法
由于影响塔板效率的因素十分复杂,如塔盘结构、操作条件及物系的性质。
这些条件导致气、液两相在塔板上流动和接触状态的不同,影响传热、传质过程,不同程度的偏离理论板,即分离能力小于给定条件的理论板。
将实际板分离能力接近理论板程度常以塔板效率来描述。
设全塔实际塔板数为
,理论板数N,该塔的总板效率
定义为:
如果根据实验研究、生产实践或经验估算,确定了总板效率
,则根据分离要求及操作条件,求得精馏所需的理论板数N,由式(6.4.17)确定精馏塔
的实际塔板数
。
(6.4.17)
总板效率是反映全塔综合情况,如图6.4.21所示。
不能反映某一段、某一塔板上的效率。
为此,可分段测试确定各塔段的塔板效率。
若研究某一板的效率则由默弗里(Murphree)效率来表示,如图6.4.21所示。
(a)(b)
图6.4.21
或
(4.6.22)
式中
、
-分别为气相或液相表示的第n板默弗里效率
、
-分别为第n、n+1板上实际气相组成,摩尔分数;
、
-分别为第n-1、n板上实际液相组成,摩尔分数;
、
-分别为第n板上气、液相平衡组成,摩尔分数。
在设计中使用方便,其值可由经验关联确定。
该经验关联主要关联了混合物的物性,即相对挥发度α及液相粘度μL对塔板效率ET的影响,并以曲线形式表示。
也有经验式的关系。
(见参考资料)
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