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1、Distillation分离工程分离工程第七节第七节 复杂精馏塔的计算复杂精馏塔的计算分分 离离 工工 程程华东理工大学化工学院分离工程教学组华东理工大学化工学院分离工程教学组2007年年11月月Distillation分离工程分离工程分离工程分离工程第二章第二章 精馏精馏Distillation分离工程分离工程目目 录录2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 汽液相平衡汽液相平衡2.3 2.3 精馏计算精馏计算2.4 2.4 特殊精馏特殊精馏2.5 2.5 板效率板效率Distillation分离工程分离工程2.1 2.1 概述概述精馏原理精馏原理:精精馏馏是是分分离离液液体体混混合合物物的
2、的单单元元操操作作，是是利利用用混混合合物物中中各各组分挥发度的差异及回流的工程手段，实现组分的分离。组分挥发度的差异及回流的工程手段，实现组分的分离。不适宜用普通精馏进行分离的物系：不适宜用普通精馏进行分离的物系：1.2.3.3.热敏性物料热敏性物料 4.4.难挥发组分的稀溶液难挥发组分的稀溶液Distillation分离工程分离工程2.1.1 理论板、板效率理论板、板效率精馏过程的开发方法：精馏过程的开发方法：理论板理论板=f f(相平衡相平衡,分离要求分离要求,操作参数操作参数)效效 率率=f f(传质速率传质速率,返混返混,相平衡相平衡,设备等因素设备等因素)理论板理论板 实际板实际板
3、(E(E0 0)塔塔 高高Distillation分离工程分离工程 精馏操作的开发目的：精馏操作的开发目的：将将A+BA+B混合物混合物分离成分离成A A、B B两股物料，要求：两股物料，要求：确定适宜的操作条件和参数确定适宜的操作条件和参数 P P，R R，N NT T ，q q 工艺参数工艺参数 确定适宜的设备结构和尺寸确定适宜的设备结构和尺寸 D D，H H，结构结构 设备参数设备参数2.1.2 精馏操作开发的内容和步骤精馏操作开发的内容和步骤Distillation分离工程分离工程 精馏塔分离序列的安排；精馏塔分离序列的安排；精馏塔类型的选择；精馏塔类型的选择；单座精馏塔的设计计算，单
4、座精馏塔的设计计算，包括：包括：1.1.确定塔的直径和高度；确定塔的直径和高度；2.2.确定适宜的操作条件和参数；确定适宜的操作条件和参数；3.3.进行再沸器和冷凝器的设计计算进行再沸器和冷凝器的设计计算;4.4.进行塔的结构的设计计算。进行塔的结构的设计计算。开发内容开发内容Distillation分离工程分离工程 确定操作压力；确定操作压力；P P 确定相平衡关系；确定相平衡关系；PTXYPTXY 建立精馏操作的数学模型；建立精馏操作的数学模型；解数学模型，求出操作参数解数学模型，求出操作参数(R(R、q)q)、和设备参数和设备参数(N(NT T、N NF F)；板式塔：确定板效率板式塔：
5、确定板效率,将理论板数转化为实际板数；将理论板数转化为实际板数；填料塔：选定填料型式和尺寸后，求取理论板当量高度，填料塔：选定填料型式和尺寸后，求取理论板当量高度，从而算得填料层高度；从而算得填料层高度；板式塔：确定塔板型式，求算塔径、塔高以及塔板的结板式塔：确定塔板型式，求算塔径、塔高以及塔板的结 构尺寸；构尺寸；填料塔：计算塔径，进行液体和汽体分布器的设计。填料塔：计算塔径，进行液体和汽体分布器的设计。开发步骤开发步骤开发步骤开发步骤（单座精馏塔的设计计算）（单座精馏塔的设计计算）Distillation分离工程分离工程精馏操作的开发步骤：精馏操作的开发步骤：精馏操作的开发步骤：精馏操作的
6、开发步骤：相平衡，操作压力相平衡，操作压力（P P）建立数学模型建立数学模型（MESHMESH）模型求解模型求解板效率板效率 塔板设计塔板设计等板高度等板高度 液体分布器设计液体分布器设计Distillation分离工程分离工程2.2 2.2 汽液相平衡汽液相平衡相平衡计算的三类问题相平衡计算的三类问题:泡点计算泡点计算 露点计算露点计算 等温闪蒸计算等温闪蒸计算 Distillation分离工程分离工程相平衡常数相平衡常数 相对挥发度相对挥发度 2.2.1 相平衡关系的表达式相平衡关系的表达式Distillation分离工程分离工程相平衡时相平衡时:汽相逸度汽相逸度液相逸度液相逸度一一一一.
7、状态方程法状态方程法状态方程法状态方程法 由公式（由公式（2-62-6）和（）和（2-82-8）得）得:此法适用于中压下，液相非理想性不是很强的烃类系统。此法适用于中压下，液相非理想性不是很强的烃类系统。2.2.2 相平衡常数求取途径相平衡常数求取途径Distillation分离工程分离工程可凝性组分：可凝性组分：不凝性组分：不凝性组分：二二二二.活度系数法活度系数法活度系数法活度系数法由由式（式（2-62-6）和式（）和式（2-92-9）得：）得：此法对压力不高，液相非理想性强的系统更为合适。此法对压力不高，液相非理想性强的系统更为合适。Distillation分离工程分离工程 理想气体理想
8、气体 汽相汽相 理想溶液理想溶液 实际气体实际气体 理想溶液理想溶液 液相液相 实际溶液实际溶液 2.2.3 汽液相平衡系统的分类汽液相平衡系统的分类Distillation分离工程分离工程气相 液相理想溶液实际溶液理想气体实际气体理想溶液实际气体实际不存在Distillation分离工程分离工程Ki计算的关键在于解决以下各热力学变量的计算：计算的关键在于解决以下各热力学变量的计算：Distillation分离工程分离工程混合物混合物:纯组分纯组分:偏摩尔体积偏摩尔体积:(2-16)(2-18)2.2.4 逸度的基本公式逸度的基本公式(以以P,T为变量为变量)Distillation分离工程分
9、离工程例例:理想气体理想气体 PV=nRT代入（代入（2-162-16）式，得：）式，得：混合物混合物:纯组分纯组分:Distillation分离工程分离工程气相气相:液相液相:纯物质液体的逸度有时称标准态逸度2.2.5 理想溶液的逸度理想溶液的逸度Distillation分离工程分离工程 气液两相均为理想溶液时气液两相均为理想溶液时气液两相均为理想溶液时气液两相均为理想溶液时:烃类系统的汽液两相均较接近理想溶液，根据烃类系统的汽液两相均较接近理想溶液，根据BWRBWR状态方程计算不同状态方程计算不同T T、P P下的相平衡常数下的相平衡常数K K并绘制成图表，并绘制成图表，即即P.20-P.
10、22P.20-P.22页的页的P-T-KP-T-K列线图。只要知道系统的列线图。只要知道系统的T T、P P，就能从图上查得相平衡常数。就能从图上查得相平衡常数。由于忽略了组成对由于忽略了组成对K K的影响，查得的数值仅是的影响，查得的数值仅是KiKi的的概略值，其平均误差为概略值，其平均误差为8-158-15，适用于，适用于0.8-1Mpa0.8-1Mpa（绝对绝对压）以下的较低压区域。压）以下的较低压区域。2.2.6 P-T-K列线图列线图Distillation分离工程分离工程维里方程：维里方程：混合物逸度混合物逸度：纯组分逸度：纯组分逸度：计算步骤：计算步骤：2.2.7 维里方程计算逸
11、度维里方程计算逸度Distillation分离工程分离工程 状态方程计算状态方程计算 方法与步骤：方法与步骤：1 1 1 1方法方法方法方法 SRKSRK方程方程 令令 则（则（2-392-39）变为）变为 2.2.8 SRK方程计算逸度、逸度系数和焓方程计算逸度、逸度系数和焓Distillation分离工程分离工程对纯对纯对纯对纯i i i i组分组分组分组分用于混合物时，则用于混合物时，则用于混合物时，则用于混合物时，则saovsaovsaovsaov 原先的混合规则原先的混合规则原先的混合规则原先的混合规则将将将将SRKSRKSRKSRK方程代入计算逸度的基本公式方程代入计算逸度的基本公
12、式方程代入计算逸度的基本公式方程代入计算逸度的基本公式(2-20)(2-20)(2-20)(2-20)，得：，得：，得：，得：Distillation分离工程分离工程SaovSaovSaovSaov改进的混合规则：改进的混合规则：改进的混合规则：改进的混合规则：逸度和逸度系数的计算式逸度和逸度系数的计算式逸度和逸度系数的计算式逸度和逸度系数的计算式混合物摩尔焓的计算式混合物摩尔焓的计算式混合物摩尔焓的计算式混合物摩尔焓的计算式含含含含H2H2H2H2混合物混合物混合物混合物Distillation分离工程分离工程2 2 2 2步骤步骤步骤步骤1 1）已知）已知2 2）用公式（）用公式（2-44
13、2-444848）计算）计算 3 3）用公式（）用公式（2-412-414343）计算）计算4 4）将）将 代入（代入（2-492-49）计算）计算5 5）用）用 代替代替 ，按步骤，按步骤2-42-4求出求出 6 6）计算）计算 Distillation分离工程分离工程将纯物质在系统将纯物质在系统将纯物质在系统将纯物质在系统T T、P P下的液体视为标准态，则下的液体视为标准态，则下的液体视为标准态，则下的液体视为标准态，则则则则则系统系统系统系统T T、P P下纯液体下纯液体下纯液体下纯液体逸度的计算公式为：逸度的计算公式为：逸度的计算公式为：逸度的计算公式为：2.2.9 纯液体逸度计算纯
14、液体逸度计算Distillation分离工程分离工程若有适当的过剩自由焓的数学模型，由若有适当的过剩自由焓的数学模型，由(2-58)式可得式可得。常用的活度系数方程有：常用的活度系数方程有：WohlWohl型方程：型方程：包括：包括：VanLaar方程，方程，Margules方程等。方程等。局部组成概念：局部组成概念：Wilson方程、方程、NRTL方程、方程、Uniquac方程等。方程等。基团贡献法基础上的方程：基团贡献法基础上的方程：UNIFAC方法、方法、ASOG方法。方法。2.2.10 活度系数与过剩自由焓活度系数与过剩自由焓Distillation分离工程分离工程 Van Van L
15、aarLaar方程、方程、MargulesMargules方程有悠久的历史，仍有实用方程有悠久的历史，仍有实用价值，特别是定性分析方面。价值，特别是定性分析方面。优点：优点：数学表达式简单；容易从活度系数数据估计参数；数学表达式简单；容易从活度系数数据估计参数；非理想性强的二元混合物包括部分互溶物系，也经非理想性强的二元混合物包括部分互溶物系，也经 常能得到满意的结果。常能得到满意的结果。缺点：缺点：不能用二元数据正确推断三元系的活度系数。不能用二元数据正确推断三元系的活度系数。不能用于多元系相平衡计算。不能用于多元系相平衡计算。2.11 沃尔型方程沃尔型方程Distillation分离工程分
16、离工程二元系二元系二元系二元系VanlarrVanlarrVanlarrVanlarr方程：方程：方程：方程：三元系三元系三元系三元系MargulesMargulesMargulesMargules方程：方程：方程：方程：二元系二元系二元系二元系MargulesMargulesMargulesMargules方程：方程：方程：方程：123Distillation分离工程分离工程 Wilson、NRTL和和Uniquac方程是根据不同的局部组成含方程是根据不同的局部组成含义和不同的溶液模型得到的活度系数方程。它们的优点是：义和不同的溶液模型得到的活度系数方程。它们的优点是：仅用二元参数即可很好的
17、表示二元和多元的相平衡关系。仅用二元参数即可很好的表示二元和多元的相平衡关系。WilsonWilson方程：方程：方程：方程：汽液平衡计算有较高的精度；汽液平衡计算有较高的精度；（2-712-71）不能用于液液平衡的计算。不能用于液液平衡的计算。NRTLNRTL方程：方程：方程：方程：能进行汽液平衡和液液平衡的计算；能进行汽液平衡和液液平衡的计算；（2-742-74）但方程中每对二元系多了第三参数但方程中每对二元系多了第三参数1212；UniquacUniquac方程：方程：方程：方程：有有NRTLNRTL的优点，但数学表达式最复杂；的优点，但数学表达式最复杂；（2-79)2-79)适用于分子
18、大小相差悬殊的混合物。适用于分子大小相差悬殊的混合物。2.2.12 局部组成模型局部组成模型Distillation分离工程分离工程WilsonWilson方程方程方程方程二元系：二元系：多元系：多元系：参数：参数：Distillation分离工程分离工程NRTL方程方程 二元系：二元系：多元系：多元系：参数：参数：Distillation分离工程分离工程Uniquac方程方程二元系：二元系：参数：参数：ZZ为配位数，常取为配位数，常取1010 表面积参数表面积参数 体积参数体积参数Distillation分离工程分离工程 H2O 1.0 丁醇类 0.88 CH3OH 0.96 戊纯类 1.1
19、5 C2H5OH 0.92 己醇类 1.78 丙醇类 0.89 庚醇类 2.71多元系：多元系：多元系：多元系：Distillation分离工程分离工程1.1.用一对无限稀释活度系数用一对无限稀释活度系数 确定参数确定参数 在在V V、M M方程中方程中 因为因为 （2-80）对于对于WilsonWilson方程方程 （2-81）2.2.13 从实验数据求活度系数方程中参数从实验数据求活度系数方程中参数Distillation分离工程分离工程将将 代入代入V V式或式或M M式中可解出式中可解出 。当当 时，此法得到的参数准确度还可以；时，此法得到的参数准确度还可以；当当 时，所得参数准确性较
20、差。时，所得参数准确性较差。3.3.从实测的多组从实测的多组XTPYXTPY数据，用非线性最小二乘法回归参数数据，用非线性最小二乘法回归参数其方法是：其方法是：（2-822-82）当此目标函数达到最小值的参数即为所求参数的最佳值。当此目标函数达到最小值的参数即为所求参数的最佳值。2.2.利用恒沸点数据（利用恒沸点数据（X,T,P,YX,T,P,Y）确定参数确定参数恒沸点时恒沸点时恒沸点时恒沸点时Distillation分离工程分离工程1 1 1 1、泡点计算基本方程、泡点计算基本方程、泡点计算基本方程、泡点计算基本方程 相平衡关系相平衡关系 归一方程归一方程 相平衡常数式相平衡常数式 方程数方
21、程数 2C+22C+2 变量变量 3C+23C+2 自由度数自由度数 =变量数变量数 -方程数方程数 =C=C2.15.多组分系统的泡点计算多组分系统的泡点计算Distillation分离工程分离工程2 2 2 2泡点温度计算泡点温度计算泡点温度计算泡点温度计算 给定：给定：P P和和X X1 1,X,X2 2,X,X3 3,X,XC-1C-1;计算：在此计算：在此P P下，刚开始沸腾的下，刚开始沸腾的T T和平衡的和平衡的（1 1）当）当 计算步骤：计算步骤：计算步骤：计算步骤：N调整TDistillation分离工程分离工程初值初值 可参照各组分的沸点和含量估算；可参照各组分的沸点和含量估
22、算；可查可查P-T-KP-T-K列线图、列线图、泡点方程泡点方程 新值新值 可参照可参照 之值调整。之值调整。当当P P一定，一定，TT，KK；TT，KK；，K K偏大了，原设偏大了，原设T T过高；过高；，K K偏小了，原设偏小了，原设T T过低。过低。Distillation分离工程分离工程（2 2）当）当 当系统压力当系统压力当系统压力当系统压力P P P P1.5Mpa1.5Mpa1.5Mpa1.5Mpa原目标函数：原目标函数：原目标函数：原目标函数：现令：现令：现令：现令：泡点温度可用牛顿切线法求解：泡点温度可用牛顿切线法求解：泡点温度可用牛顿切线法求解：泡点温度可用牛顿切线法求解：
23、Distillation分离工程分离工程否是式(2-91)计算新的Tb输入P，估计初值Tb和 计算计算及输出计算结果Tb,y结束泡点计算框图泡点计算框图泡点计算框图泡点计算框图Muller法法Distillation分离工程分离工程3 3 3 3泡点压力计算泡点压力计算泡点压力计算泡点压力计算给定：给定：T T和和X X1 1,X,X2 2,X,X3 3,X,XC-1C-1;计算：计算：在此在此T T下，刚开始沸腾的下，刚开始沸腾的PbPb和平衡的和平衡的1 1）当）当 2 2）当）当目标函数目标函数计算步骤与泡点温度相同，但压力迭代的方式为：计算步骤与泡点温度相同，但压力迭代的方式为：此式可
24、自动调整压力此式可自动调整压力P P；计算框图计算框图 见见2-7(P.35)2-7(P.35)Distillation分离工程分离工程1.1.1.1.基本方程基本方程基本方程基本方程 相平衡关系相平衡关系 归一方程归一方程 2 相平衡常数式相平衡常数式 露点方程露点方程 或或 2.1.6 多组分系统的露点计算多组分系统的露点计算Distillation分离工程分离工程 2 2 2 2露点计算露点计算露点计算露点计算 给定：压力给定：压力P P（或温度或温度T T）和汽相组成和汽相组成 计算：在此计算：在此P P（或（或T T）下，凝结出第一滴露珠时的下，凝结出第一滴露珠时的T TD D （或
25、（或P PD D），），以及此露珠的组成以及此露珠的组成 。露点计算步骤与泡点计算类同，不再重复；露点计算步骤与泡点计算类同，不再重复；只是露点压力计算的迭代式为：只是露点压力计算的迭代式为：露露露露点点点点计计计计算算算算时时时时：液液液液相相相相非非非非理理理理想想想想性性性性强强强强的的的的物物物物系系系系因因因因x x x x未未未未知知知知，KiKiKiKi在在在在迭迭迭迭代代代代过过过过程程程程中中中中变变变变化较大，计算中增加一层化较大，计算中增加一层化较大，计算中增加一层化较大，计算中增加一层KiKiKiKi的迭代将更迫切。的迭代将更迫切。的迭代将更迫切。的迭代将更迫切。Dis
26、tillation分离工程分离工程2.1.7 2.1.7 等温闪蒸计算等温闪蒸计算Distillation分离工程分离工程1 1）基本方程）基本方程 相平衡关系相平衡关系 组分物料衡算组分物料衡算 归一方程归一方程 相平衡常数式相平衡常数式2 2）变量分析）变量分析 变量数变量数 F,V,L,T,P,xiF,V,L,T,P,xi,yi,ziyi,zi,KiKi （4C+54C+5）方程数方程数 （3C+33C+3）自由度自由度=变量数变量数-方程数方程数=C+2=C+2 一般取一般取 F,T,P,F,T,P,zizi (i=1,(i=1,C-1),C-1)Distillation分离工程分离工
27、程3.3.3.3.计算思路：计算思路：计算思路：计算思路：(目的提高计算速度和收敛的稳定性）目的提高计算速度和收敛的稳定性）目的提高计算速度和收敛的稳定性）目的提高计算速度和收敛的稳定性）设汽化率设汽化率 e=V/F e=V/F，V=FeV=Fe，L=(1-e)FL=(1-e)F 联立解得：联立解得：闪蒸方程式闪蒸方程式 Distillation分离工程分离工程 牛顿切线法求牛顿切线法求牛顿切线法求牛顿切线法求e e e e 初值初值初值初值e e e e的两种选择的两种选择的两种选择的两种选择eG(e)01Distillation分离工程分离工程闪蒸计算能否成立的判断闪蒸计算能否成立的判断
28、所设所设T T必须满足：必须满足：若若 所指定的温度高于露点温度；所指定的温度高于露点温度；若若 所指定的温度低于泡点温度。所指定的温度低于泡点温度。则所指定的温度下不可能实现闪蒸。则所指定的温度下不可能实现闪蒸。Distillation分离工程分离工程闪蒸计算框图闪蒸计算框图闪蒸计算框图闪蒸计算框图开始输入T，P，F，Z计算泡点TbTbT?计算露点TdTdT?计算xi，yi并归一（2-97，98）计算Ki(2-85)计算G(2-99)切线法求e(2-100,101)打印结束TTTFF?Distillation分离工程分离工程多元精馏计算主要采用的方法是多元精馏计算主要采用的方法是:1.1.设
29、计型计算设计型计算给定分离任务，选择工艺条件；给定分离任务，选择工艺条件；2 2操作型计算操作型计算设备给定，进行工艺条件核设备给定，进行工艺条件核算。算。2.3 2.3 精馏计算精馏计算2.3.1 精馏的定态数学模型精馏的定态数学模型(MESH)Distillation分离工程分离工程LNuN-1QN-1GN-1FN-1VNV1L1u1G2F2V2L2u2Q2GjFjujQjVjLjVN-1LN-1Distillation分离工程分离工程Vj+1Lj第第j 块板块板Lj-1FjujVjGjQjDistillation分离工程分离工程1)M方程：2)总物料衡算总物料衡算：Lj-1+Vj+1+F
30、j=(Vj+Gj)+(Lj+Uj)对对i i组份作物料衡算：组份作物料衡算：Lj-1 xij-1+Vj+1 yij+1+Fj Zij=(Vj+Gj)yij+(Lj+Uj)xijDistillation分离工程分离工程2)2)E E 方程方程 yij =kij xij3 3）S S 方程方程 xij=1,yij=1 Distillation分离工程分离工程4)H方程方程Lj-1 hj-1+Vj+1 Hj+1+Fj HF=(Vj+Gj)Hj+(Lj+Uj)hj+QjDistillation分离工程分离工程变量分析变量分析变量分析变量分析自由度变量数方程数（自由度变量数方程数（5 5C C）N-1N
31、-12.3.2 精馏定态模拟计算算法概述精馏定态模拟计算算法概述Distillation分离工程分离工程操作型计算一般命题，通常操作型计算一般命题，通常 精馏模拟计算的算法精馏模拟计算的算法1）迭代变量的选择；迭代变量的选择；2）迭代算法的组织；）迭代算法的组织；3）变量圆整或归一及迭代加速方法的选择）变量圆整或归一及迭代加速方法的选择Distillation分离工程分离工程一、一、W-HW-H法的解题思路法的解题思路(BP)(BP)法法q 将将MESHMESH方程分成三块，方程分成三块，M+EM+E方程，方程，S S方程，方程，H H方程；方程；q M+EM+E方程，方程，S S方程，内层迭
32、代求解，与方程，内层迭代求解，与lij,Tjlij,Tj匹配；匹配；q H H方程在外层迭代求解，与方程在外层迭代求解，与Lj(VjLj(Vj)匹配。匹配。q 收敛判据：收敛判据：2.3.3 三对角线矩阵法三对角线矩阵法Distillation分离工程分离工程Aj xij-1 +Bj xij+Cj xij+1 =Dj M M，E E方程联立：方程联立：Lj-1 xij-1-(Vj+Gj)kij+(Lj+Uj)xij +Vj+1 kij+1 xij+1=-Fj Zij Distillation分离工程分离工程Aj=Lj-1 上块板流下的上块板流下的液相流量液相流量Bj=-(Vj+Gj)kij+(
33、Lj+Uj)该块板上升的该块板上升的汽相流量汽相流量和和汽相出料汽相出料之和与之和与相平衡常数相平衡常数的乘积的乘积 +该块板流下的该块板流下的液相流量液相流量和和液相出料液相出料之和之和Cj=Vij+1 kij+1 下块板下块板上升的上升的汽相流量汽相流量与与相平衡常数相平衡常数的乘积的乘积Dj=-Fj Zij该该块板的块板的进料流量进料流量与与进料组成进料组成的乘积的乘积Distillation分离工程分离工程第第 1 1 块板的特殊性块板的特殊性?第第 N N 块板的特殊性块板的特殊性?问题问题?Distillation分离工程分离工程单塔流程Distillation分离工程分离工程由于
34、没有上一块板下来的液体，由于没有上一块板下来的液体，没有进料。没有进料。A A1 1 =0 0B B1 1 =-(=-(V V1 1 k ki1i1+L+L1 1+U+U1 1)C C1 1=V=Vi2 i2 k ki2 i2 D D1 1=0=0A A1 1x xi0 i0+B B1 1 x xi1i1+C C1 1 x xi2 i2=D D1 1B B1 1 x xi1i1+C C1 1 x xi2 i2=0=0第第1块板块板v1L1u1LetmeseeifIhavesomeDistillation分离工程分离工程第第N N 块板块板:由于没有下一块板上升的汽体，没由于没有下一块板上升的汽
35、体，没有进料。有进料。A AN N=L LN-1，B BN N=-(V=-(VN N K KiNiN +W)+W)C CN N=0=0，D DN N=0=0A AN Nx xiN-1iN-1+B BN N x xiNiN+CN x xiN+1iN+1=D DN NA AN Nx xiN-1iN-1+B BN N x xiNiN=0 0.第第N块板块板VNW WL LN-1N-1LetmeseeifIhavesomeDistillation分离工程分离工程W-HW-HW-HW-H的求解方法的求解方法的求解方法的求解方法:1)ME1)ME1)ME1)ME方程方程方程方程M+EM+E方程方程:Dis
36、tillation分离工程分离工程由由由由1-N1-N1-N1-N块板的块板的块板的块板的M.EM.EM.EM.E方程，依次可写：方程，依次可写：方程，依次可写：方程，依次可写：1 1 0 +0 +B B1 1x xi1 i1 +C C1 1x xi2i2 =D D1 12 2 A A2 2x xi1 i1 +B B2 2x xi2 i2 +C C2 2x xi3i3 =D D2 2.j j A Aj jx xij-1ij-1+B Bj jx xijij +C Cj jx xij+1ij+1 =D Dj j N-1N-1 A AN-1N-1x xij-2ij-2+B BN-1N-1x xiN-
37、1 iN-1+C CN-1N-1x xiN iN =D DN-1N-1N N A AN Nx xiN-1 iN-1 +B BN Nx xiNiN +0 0 =D DN NDistillation分离工程分离工程iNNNNNNjjjxBACBACBACBC-.111221B1A2xi1xi2.=.D1DN ijjijxDCjBjAj阵解法常数项列向量，根据矩未知数的列向量三对角矩阵X.由由由由M-EM-EM-EM-E方程建立三对角矩阵计算方程建立三对角矩阵计算方程建立三对角矩阵计算方程建立三对角矩阵计算 X X X Xijijijij,Y Y Y YijijijijDistillation分离工
38、程分离工程W-HW-HW-HW-H法的计算框图法的计算框图法的计算框图法的计算框图输入输入给定给定V Vj j,T,Tj j 求求 L Lj jKij=f(Tj)Aj,Bj,Cj,Dj求解求解xijS方程计算方程计算Tj求求Hj,hjH方程求解新的方程求解新的V Vj j,T,Tj j (Vj)K-(Vj)K+12-ssAA （2 2）溶剂溶剂的稀释作用的稀释作用,x xs s越高效果越好越高效果越好 但生产能力降低但生产能力降低,一般一般x xs s=0.6-0.8=0.6-0.8 Distillation分离工程分离工程2.2.溶剂的选择溶剂的选择(1)(1)溶剂选择性高溶剂选择性高.(2
39、)(2)易再生易再生,稳定性好稳定性好.(3)(3)价格低价格低,毒性小毒性小,无腐蚀性无腐蚀性要求要求:Distillation分离工程分离工程（EwellEwell）的液体分类法的液体分类法 类型类型：能形成三维强氢键网络的液体；能形成三维强氢键网络的液体；类型类型：同时含有活性氢原子和施主原子（氧、氮同时含有活性氢原子和施主原子（氧、氮 和氟）的分子组成的液体；和氟）的分子组成的液体；类型类型：分子中仅含施主原子的液体；分子中仅含施主原子的液体；类型类型：分子中仅含活性氢原子的液体，这些分子分子中仅含活性氢原子的液体，这些分子 中一个碳原子上连接中一个碳原子上连接2 2或或3 3个氯原子
40、，或在个氯原子，或在 一个碳原子上连接一个氯原子，但在相邻一个碳原子上连接一个氯原子，但在相邻 碳原子上连接一个以上氯原子；碳原子上连接一个以上氯原子；类型类型:其它液体，它们没有形成氢键的能力。其它液体，它们没有形成氢键的能力。溶剂选择方法溶剂选择方法溶剂选择方法溶剂选择方法(定性定性定性定性)Distillation分离工程分离工程从同系物中选择使溶剂从同系物中选择使溶剂S S与塔底组分形成理想溶液与塔底组分形成理想溶液即即:或或 从分子结构相似（或极性相似）的概念选择溶剂从分子结构相似（或极性相似）的概念选择溶剂 常见有机化合物按极性增加的顺序排列为：常见有机化合物按极性增加的顺序排列为
41、：烃烃醚醚醛醛酮酮醇醇二醇二醇水水对于多元系对于多元系 一般将多元系的问题简化为两个关键组分和溶剂一般将多元系的问题简化为两个关键组分和溶剂组成的三元系，在选择溶剂时，同样能得到满意的组成的三元系，在选择溶剂时，同样能得到满意的结果。结果。Distillation分离工程分离工程3.3.萃取精馏计算萃取精馏计算(简捷计算法)解决解决:溶剂用量计算溶剂用量计算(S)理论板计算理论板计算（N)Distillation分离工程分离工程基本假定：基本假定：精馏段精馏段 与提留段与提留段 为常数；为常数；塔内恒摩尔流塔内恒摩尔流 （当（当 时时 ）；）；进料溶剂是纯；进料溶剂是纯；塔顶产品中不含溶剂。塔
42、顶产品中不含溶剂。(1)(1)溶剂用量计算溶剂用量计算(S)(S)Distillation分离工程分离工程总物料衡算总物料衡算 V+S=L+D V+S=L+D 对溶剂对溶剂(S)(S)VyVys s+S+S=LxLxs s联联例求解例求解:(2-164)精馏段精馏段:将非溶剂部分虚拟为一个组分将非溶剂部分虚拟为一个组分n n，其相平衡关系为：其相平衡关系为：相平衡相平衡ys=ksxs(溶剂溶剂)yn=knxn(非溶剂非溶剂)相对挥发度相对挥发度联联例求解例求解:(2-167)Distillation分离工程分离工程结合(2-164)和(2-167)精馏段精馏段:(2-168)(2-169)Di
43、stillation分离工程分离工程 提馏段提馏段:(2-170)其中其中:(2-17)分别是各段的顶和底。一般一般:相当大相当大,所以所以 当当饱饱和蒸汽和蒸汽进进料料时时：其中：其中：Distillation分离工程分离工程计计算步算步骤骤:塔塔顶顶 (2-162)(2-171)S(xs)(2-169)加料加料Distillation分离工程分离工程(2)(2)理论板简捷计算理论板简捷计算(N)简化计算的基本点简化计算的基本点简化计算的基本点简化计算的基本点1 1、或或 都是常数，溶剂只改变关键组分的相对挥发都是常数，溶剂只改变关键组分的相对挥发 度，（三元精馏计算作拟二元计算）；度，（三
44、元精馏计算作拟二元计算）；2 2、恒摩尔流，、恒摩尔流，为常数，可应用普通精馏的简捷计算为常数，可应用普通精馏的简捷计算 法；法；3 3、防止溶剂塔顶带出，在溶剂进料口以上需设溶剂回收、防止溶剂塔顶带出，在溶剂进料口以上需设溶剂回收 段。如果溶剂沸点高于重组分段。如果溶剂沸点高于重组分180180190 190，增加，增加1 12 2 块。溶剂挥发度大些，则可取块。溶剂挥发度大些，则可取3 34 4块。块。Distillation分离工程分离工程 计算步骤计算步骤 如BP进料 如DP进料 Distillation分离工程分离工程计算计算NmNm，R R时，要先作两项计算：时，要先作两项计算：塔
45、顶、塔底产品的预估算：以100Kmol进料为基准，作物料衡算，得：（算到脱溶剂浓度）计算平均相对挥发度 一般要算出溶剂加料板，原料进料板及塔底 三处的 ，然后取平均。其中：其中：用Antoine方程计算；用活度系数方程计算。Distillation分离工程分离工程 溶剂浓度溶剂浓度溶剂浓度溶剂浓度 x xs s ,回流比回流比回流比回流比 R R ,x xs s s s 4.4.萃取精馏的操作特点萃取精馏的操作特点 所以回流比萃取所以回流比萃取精馏的影响与普通精馏的影响与普通精馏不同精馏不同,有一最佳有一最佳值值.盲目调节回流比，盲目调节回流比，往往得不到预期的往往得不到预期的效果；效果；Di
46、stillation分离工程分离工程恒沸精恒沸精馏馏:加溶加溶剂剂S 使使 溶剂和原料中某些组分形成恒沸物溶剂和原料中某些组分形成恒沸物 或或 2.4.2 恒沸精馏恒沸精馏Distillation分离工程分离工程1.1.相图相图三三元元汽汽液液平平衡衡的的相相图图用用正正三三棱棱柱柱表表示示,纵纵轴轴为为温温度度,底底为为正三角形表示组成正三角形表示组成.上曲面是露点面上曲面是露点面下曲面是泡点面下曲面是泡点面恒沸点两面相切恒沸点两面相切Distillation分离工程分离工程甲乙酮甲苯正庚烷相平衡图甲乙酮甲苯正庚烷相平衡图正庚烷和甲乙酮有正庚烷和甲乙酮有最低恒沸物，沸点最低恒沸物，沸点图中实
47、线图中实线表示各等泡点温度表示各等泡点温度线，虚线表示各等线，虚线表示各等露点温度线露点温度线Distillation分离工程分离工程(1)(1)(1)(1)具有三对性质相同的两元恒沸物时，大多会有三元具有三对性质相同的两元恒沸物时，大多会有三元具有三对性质相同的两元恒沸物时，大多会有三元具有三对性质相同的两元恒沸物时，大多会有三元恒沸物：恒沸物：恒沸物：恒沸物：Distillation分离工程分离工程（2 2 2 2）三元系中有二对两个性质相同的二元恒沸物时）三元系中有二对两个性质相同的二元恒沸物时）三元系中有二对两个性质相同的二元恒沸物时）三元系中有二对两个性质相同的二元恒沸物时压力面上连
48、接两个恒沸物之间出现压力面上连接两个恒沸物之间出现压力面上连接两个恒沸物之间出现压力面上连接两个恒沸物之间出现“脊脊脊脊”“”“”“”“沟沟沟沟”：Distillation分离工程分离工程（3 3）当当三三元元系系中中有有二二对对二二元元最最低低恒恒沸沸物物，而而另另一一对对是是二二元元最最高高恒恒沸沸物物时时，压力曲面上就可能出现压力曲面上就可能出现“谷谷”；温度曲面上就可能出现；温度曲面上就可能出现“脊脊”；当三元系中有二对二元最高恒沸物，而另一对是二元最低恒沸物时，当三元系中有二对二元最高恒沸物，而另一对是二元最低恒沸物时，温度曲面上就可能出现温度曲面上就可能出现“沟沟”；压力曲面上就可
49、能出现；压力曲面上就可能出现“脊脊”；Distillation分离工程分离工程2.2.恒沸点的预测恒沸点的预测当气相作为理想气体时当气相作为理想气体时:(2-172)恒沸点时恒沸点时:总压：总压：(2-173)Distillation分离工程分离工程3.3.恒沸精馏流程恒沸精馏流程 恒沸精馏流程包括恒沸精馏和恒沸剂回收系统组成恒沸精馏流程包括恒沸精馏和恒沸剂回收系统组成恒沸精馏流程包括恒沸精馏和恒沸剂回收系统组成恒沸精馏流程包括恒沸精馏和恒沸剂回收系统组成.根据恒沸物根据恒沸物性质性质不同不同,有各种流程有各种流程:恒沸物恒沸物 均相均相(萃取)非均相非均相(液液分离)形成几对二元或三元恒沸物
50、形成几对二元或三元恒沸物 Distillation分离工程分离工程(1)1)系统有一对两元恒沸物系统有一对两元恒沸物分离：分离：分离：分离：原料：环己烷原料：环己烷原料：环己烷原料：环己烷+苯苯苯苯 溶剂：丙酮溶剂：丙酮溶剂：丙酮溶剂：丙酮萃取剂：水萃取剂：水萃取剂：水萃取剂：水 Distillation分离工程分离工程(2(2）系统有两对两元恒沸物系统有两对两元恒沸物分离：分离：原料：甲苯原料：甲苯+烷烃烷烃 溶剂：甲醇溶剂：甲醇萃取剂：水萃取剂：水Distillation分离工程分离工程(）塔顶馏出液为三元非均相恒沸物塔顶馏出液为三元非均相恒沸物分离：分离：原料：乙醇原料：乙醇+水水溶剂：