《化工分離操作技術(shù)》項(xiàng)目2精餾物料、熱量衡算《化工分離操作技術(shù)》課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)1任務(wù)2.2精餾過(guò)程的熱量衡算與節(jié)能2任務(wù)2.3連續(xù)精餾的操作分析3任務(wù)2.1雙組分連續(xù)精餾塔的物料衡算考核與評(píng)價(jià)：精餾物料、熱量衡算4學(xué)習(xí)任務(wù)【知識(shí)目標(biāo)】1.掌握精餾塔的簡(jiǎn)單物料衡算及目的。2.了解精餾塔的熱量衡算及精餾生產(chǎn)的節(jié)能。3．能進(jìn)行連續(xù)精餾的進(jìn)料、回流、溫度與壓力、進(jìn)料位置的影響操作分析。4．能進(jìn)行精餾塔板數(shù)的確定?！炯寄苣繕?biāo)】1．能進(jìn)行雙組分連續(xù)精餾塔的精餾段和提餾段的物料衡算。2．能進(jìn)行雙組分間歇精餾操作流程解析與檢視。【素養(yǎng)目標(biāo)】1.培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)與分析的職業(yè)素養(yǎng)和節(jié)能減排的環(huán)保意識(shí)。2.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的邏輯思維和計(jì)算素養(yǎng)，以及精益生產(chǎn)意識(shí)。1.理論板

假設(shè)離開(kāi)該板（第n塊板）的上升蒸汽組成yn和板上（第n塊板）下流液體組成xn

互成平衡，該板稱(chēng)之為理論板，即氣相和液相在塔板上傳熱和傳質(zhì)均達(dá)到了極限。即yn與xn服從汽-液平衡關(guān)系：2.1.1理論板與恒摩爾流假定

冷凝理論板示意圖2.1.1理論板與恒摩爾流假定

2.恒摩爾流假定（1）恒摩爾汽化精餾段內(nèi)每層塔板上升蒸汽的摩爾流率相等。即；同理，在提餾段內(nèi)，。一般情況下，。

2.1.1理論板與恒摩爾流假定

2.恒摩爾流假定（2）恒摩爾溢流

精餾段內(nèi)每層塔板溢流液體的摩爾流率即；同理，在提餾段內(nèi)，。一般情況下，。恒摩爾汽化與恒摩爾溢流，總稱(chēng)恒摩爾流假定。2.1.1理論板與恒摩爾流假定

2.恒摩爾流假定（3）恒摩爾流假定成立的條件有三個(gè)條件，恒摩爾流假定才成立。第一，各組分的摩爾汽化潛熱近似相等，即；第二，忽略汽相和液相傳遞的顯熱，即；第三，忽略塔的熱損失，即。2.1.2全塔物料衡算

通過(guò)對(duì)全塔進(jìn)行物料衡算，可以確定進(jìn)出塔的物料流量及組成之間的關(guān)系，比如確定產(chǎn)品組成或產(chǎn)品量、原料量等。以圖所示，以虛線框作為系統(tǒng)，對(duì)全塔進(jìn)行總的物料衡算：全塔物料衡算圖對(duì)全塔易揮發(fā)組分物料作衡算：2.1.3精餾段的物料衡算

精餾段物料衡算方程，是解決yn+1與xn的關(guān)系問(wèn)題，即下層塔板上升蒸汽中輕組分的含量和上層塔板下降的液相中輕組分的含量之間的關(guān)系。2.1.3精餾段的物料衡算

精餾段物料衡算圖如圖所示，根據(jù)恒摩爾流假定，上升蒸汽流率為，回流液體流率為，產(chǎn)品流率為，產(chǎn)品組成為。按虛線范圍作總物料衡算與易揮發(fā)組分物料衡算得：總物料：2.1.4提餾段的物料衡算

提餾段物料衡算方程，是解決的關(guān)系問(wèn)題，即提餾段內(nèi)任意第m塊塔板下降的液相組成與相鄰的下一層（m+1層）塔板上升蒸汽組成之間的關(guān)系。2.1.4提餾段的物料衡算

提餾段物料衡算圖如圖所示，根據(jù)恒摩爾流假定，提餾段內(nèi)每層塔板上升蒸汽流率為，提餾段內(nèi)每層塔板內(nèi)下降液流流率為，釜液產(chǎn)品流率為，釜液組成為。按虛線范圍作總物料衡算與易揮發(fā)組分物料衡算，得：合并二式得：2.1.5加料板的物料衡算

進(jìn)料狀況示意圖由于原料的加入，使加料板上下物料的流量及組成呈現(xiàn)一定的特殊性，從而導(dǎo)致精餾段和提餾段內(nèi)的氣液相流量發(fā)生變化。實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)料狀況可能有如下五種不同的熱狀況，如圖所示。2.1.5加料板的物料衡算

A狀況，低于泡點(diǎn)溫度的過(guò)冷液進(jìn)料；B狀況，泡點(diǎn)液體進(jìn)料，也叫飽和液體進(jìn)料，進(jìn)料溫度等于泡點(diǎn)溫度；C狀況，汽-液混合物進(jìn)料，進(jìn)料溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間；D狀況，露點(diǎn)蒸汽進(jìn)料，也叫飽和蒸汽進(jìn)料，進(jìn)料溫度等于露點(diǎn)；E狀況，高于露點(diǎn)的過(guò)熱蒸汽進(jìn)料。2.1.5加料板的物料衡算

按虛線范圍對(duì)加料板作總物料衡算：2.1.5加料板的物料衡算

1.q值的計(jì)算對(duì)加料板作熱量衡算：進(jìn)料板物料衡算圖

進(jìn)料板熱量衡算圖2.1.5加料板的物料衡算

1.q值的計(jì)算對(duì)加料板作熱量衡算：2.1.5加料板的物料衡算

2.進(jìn)料線方程（q線方程）加料板是精餾段與提留段的交匯處，兩段的操作線方程在此應(yīng)該存在交點(diǎn)，聯(lián)立兩方程可得進(jìn)料線方程，就是精餾段操作線與提餾段操作線的交點(diǎn)軌跡方程。由精餾段操作線方程：2.1.5加料板的物料衡算

2.進(jìn)料線方程（q線方程）2.1.5加料板的物料衡算

2.進(jìn)料線方程（q線方程）1.冷凝器的熱量衡算對(duì)圖中的冷凝器作熱量衡算，以單位時(shí)間（1h）為基準(zhǔn)，由于冷凝器溫度較低，可忽略熱損失。2.2.1精餾過(guò)程的熱量衡算

精餾塔熱量衡算示意圖1.冷凝器的熱量衡算2.2.1精餾過(guò)程的熱量衡算

2.再沸器的熱量衡算2.2.1精餾過(guò)程的熱量衡算

熱量衡算式為：即：1.選擇合理的回流比2.2.2精餾的節(jié)能

新型板式塔和高效填料塔的應(yīng)用，有可能使回流比大為降低，從而降低塔的操作費(fèi)用，因此選擇經(jīng)濟(jì)上合理的回流比是精餾過(guò)程節(jié)能的首要因素。2.采用中間冷凝器和中間再沸器2.2.2精餾的節(jié)能

在精餾段設(shè)置中間冷凝器，就可以適當(dāng)提高冷源的溫度，使用比塔頂冷凝器溫度稍高而價(jià)格較低的冷卻劑作為冷源，以代替一部分塔頂所使用的價(jià)格較高的低溫級(jí)冷劑，從而有效節(jié)省了能量。采用中間冷凝器和中間再沸器的精餾塔示意圖3.采用多效精餾2.2.2精餾的節(jié)能

仿照多效蒸發(fā)的原理，如圖所示。采用壓力依次降低的若干個(gè)精餾塔串聯(lián)流程，將前一精餾塔塔頂蒸汽用作后一精餾塔再沸器的加熱介質(zhì)，每個(gè)塔稱(chēng)為一效，前一效的壓力高于后一效，并且維持相鄰兩效間的壓力差，足以使前一效塔頂蒸汽冷凝溫度略高于后一效塔釜液體的沸騰溫度；各效分別進(jìn)料。多效精餾流程示意圖4.其他節(jié)能技術(shù)2.2.2精餾的節(jié)能

一、類(lèi)似于蒸發(fā)過(guò)程所采用的的節(jié)能技術(shù)，用塔頂蒸汽的潛熱直接預(yù)熱原料或?qū)⑵溆米髌渌麩嵩?；二、回收餾出液和殘液的顯熱用作其他熱源；三、采用熱泵技術(shù)，將塔頂蒸汽絕熱壓縮后升溫，重新作為再沸器的熱源，熱泵精餾實(shí)質(zhì)上是一個(gè)制冷系統(tǒng)，主要設(shè)備為壓縮機(jī)和膨脹器。2.2.2精餾的節(jié)能

工作介質(zhì)經(jīng)壓縮后在較高露點(diǎn)下冷凝，放出的熱量在供再沸器中的物料汽化，被汽化的工作介質(zhì)經(jīng)過(guò)膨脹，在低壓下汽化，汽化時(shí)需要吸收熱量將塔頂冷凝器的熱量移去。通過(guò)壓縮機(jī)和膨脹閥的作用致使工質(zhì)冷凝和汽化，將塔頂?shù)牡蜏匚粺崴偷剿赘邷匚惶幚茫麄€(gè)系統(tǒng)因而得名熱泵。熱泵系統(tǒng)的工作原理2.2.2精餾的節(jié)能

熱泵系統(tǒng)的工作原理熱泵精餾流程圖

再沸器閃蒸熱泵系統(tǒng)圖

蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)由下表可以看出進(jìn)料q不同，則等q線位置不同，與精餾段操作線交點(diǎn)位置也不同，從而影響提餾段操作線的位置。2.3.1進(jìn)料狀況對(duì)精餾的影響

五種進(jìn)料熱狀況對(duì)q線的影響進(jìn)料q值不同，要求適宜加料位置也應(yīng)有所不同。2.3.1進(jìn)料狀況對(duì)精餾的影響

進(jìn)料熱狀況對(duì)操作線的影響

加料熱狀況與加料位置的關(guān)系2.3.1進(jìn)料狀況對(duì)精餾的影響

進(jìn)料的熱狀況對(duì)精餾操作的影響是多方面的，生產(chǎn)中進(jìn)塔原料的熱狀況多與前一工序有關(guān)，如果前一工序輸出的是飽和蒸汽，一般就直接以飽和蒸汽計(jì)量，如果前一工序輸出的是液體，且又有余熱可利用，則可考慮先將原料適當(dāng)預(yù)熱再進(jìn)入塔內(nèi)，以降低載沸器的負(fù)荷。2.3.2回流比的影響

最小回流比適宜回流比全回流1.全回流全回流是指塔頂蒸汽全部冷凝后，不采出產(chǎn)品，全部流回至塔內(nèi)，此時(shí)，D=0，R=L/D=∞，精餾段操作線的斜率。因此精餾段操作線和對(duì)角線重合，精餾段操作線也必和對(duì)角線重合，精餾塔無(wú)精餾段和提餾段之分，平衡線和操作線之間的距離最大，因而完成分離任務(wù)所需要的理論板數(shù)最少稱(chēng)為最少理論板Nmin。2.3.2回流比的影響

2.最小回流比輕組分2.3.2回流比的影響

回流比R從全回流逐漸減小時(shí)，精餾段操作線和提鎦段操作線逐漸向平線靠近，傳遞推動(dòng)力減小，當(dāng)操作線與平行線出現(xiàn)第一個(gè)公共點(diǎn)（交點(diǎn)或切點(diǎn)）時(shí)，液相和氣相處于平衡狀態(tài)，傳質(zhì)推動(dòng)力為零，多少塊塔板都不能完成指定分離任務(wù)，需要無(wú)限多塊理論塔板，顯然這在實(shí)際工作中是不可能的。2.最小回流比2.3.2回流比的影響

最小回流比對(duì)正常的相平衡關(guān)系，如圖所示。操作線與平行線的第一個(gè)公共點(diǎn)，為交點(diǎn)d由所對(duì)應(yīng)的精餾段操作線方程可知：2.最小回流比2.3.2回流比的影響

最小回流比公式當(dāng)小回流比時(shí)，為完成給定的分離任務(wù)，需要無(wú)窮多塊塔板，此時(shí)Ｒ稱(chēng)為最小回流比。3.適宜回流比2.3.2回流比的影響

工業(yè)生產(chǎn)中回流比是介于全回流和最小回流比之間的。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算確定最佳R值，精餾過(guò)程的費(fèi)用，包括：操作費(fèi)設(shè)備費(fèi)3.適宜回流比2.3.2回流比的影響

精餾過(guò)程的操作費(fèi)主要是再沸器中加熱蒸汽的消耗量和冷凝器中冷卻水的用量以及動(dòng)力消耗，在加料量和產(chǎn)量一定的條件下，隨著R的增加，兩段內(nèi)的上升蒸汽量均增大，因此加熱蒸汽，冷卻水消耗量均增加，使操作費(fèi)用增加操作費(fèi)用與回流比的關(guān)系，見(jiàn)圖中曲線2。適宜回流比的選擇3.適宜回流比2.3.2回流比的影響

適宜回流比的選擇最佳回流比最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的回流比稱(chēng)為最佳回流比。由圖中曲線3所示。通常綜合工程技術(shù)因素，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，在不要求十分精確時(shí)，一般取是一回流比R=（1.1～2.0）Rmin。2.3.3操作溫度及壓力的影響

其一靈敏板的作用其二精餾塔的溫控方法其三操作壓力的影響

1.靈敏板的作用2.3.3操作溫度及壓力的影響

塔內(nèi)某些塔板處的溫度對(duì)外界干擾的反應(yīng)特別明顯，即當(dāng)操作條件發(fā)生變化時(shí)，這些塔板上的溫度將發(fā)生顯著變化，這種塔板稱(chēng)為靈敏板，一般取溫度變化最大的那塊塔板為靈敏板。

2.精餾塔的溫控方法2.3.3操作溫度及壓力的影響

01精餾段溫控。02提鎦段溫控。03 溫差控制。

3.操作壓力的影響2.3.3操作溫度及壓力的影響

01將引起溫度和組成間對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化，使操作溫度發(fā)生變化，壓力升高，操作溫度升高。02壓力升高，氣相中難揮發(fā)組分減少。操作壓力增加，組分間的相對(duì)揮發(fā)度降低，塔板分離能力下降，分離效率下降。04

操作壓力增加，組兩相密度增加，塔的處理能力增加。032.3.4進(jìn)料位置的影響

精餾塔在加料板以上的部分（不包括加料板本身）提餾段加料板以下的塔段（包括加料板）2.3.4進(jìn)料位置的影響

精餾段的作用在于蒸汽中的難揮發(fā)組分部分冷凝進(jìn)入液相，氣相中的易揮發(fā)組分自下而上逐板增濃，在塔頂出達(dá)到最大，最終得到濃度較高的輕組分產(chǎn)品。提餾段的作用在于將液相物料中的易揮發(fā)組分通過(guò)部分氣化的盡量提出、轉(zhuǎn)移至氣相中，使液體中難揮發(fā)組分自上而下逐漸增濃。

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（1）逐板計(jì)算法設(shè)塔頂冷凝器為全凝器，泡點(diǎn)回流；塔釜為間接蒸汽加熱，進(jìn)料為泡點(diǎn)進(jìn)料，逐板計(jì)算法，如圖所示。逐板計(jì)算法示意圖

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（1）逐板計(jì)算法從塔頂最上一層板（第1塊板）上升的蒸汽進(jìn)入冷凝器后被全部冷凝，塔頂餾出液組成即為塔頂最上一層塔板上的上升蒸汽組成，即：y1=xD

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（1）逐板計(jì)算法離開(kāi)第一塊理論版的液體組成與從該板上升的蒸汽組成達(dá)到平衡，故可由氣液相平衡方程求出，即：

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（1）逐板計(jì)算法因板間的氣液組成滿(mǎn)足操作線方程。故第二塊理論板上上升的蒸汽組成，與第一塊理論板下降的液體組成滿(mǎn)足精餾段操作線方程，即：

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（1）逐板計(jì)算法逐板計(jì)算過(guò)程歸納如下：

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（2）圖解法1）作平衡線與對(duì)角線2）作精餾段操作線：作進(jìn)料線：4）

作提餾段操作線：3）從A點(diǎn)開(kāi)始，在平衡線與操作線之間作直角梯級(jí)，直到超過(guò)C點(diǎn)。有多少直角梯級(jí)，有多少塊理論板數(shù)?？缭絛點(diǎn)的階梯為加料板。5）

1.理論塔板數(shù)的確定2.3.5精餾塔板數(shù)的確定

（2）圖解法圖解法示意圖如圖所示，共有9塊理論板，第3塊板為加料板。

2.實(shí)際塔