工業生產上的蒸餾操作以精餾為主。在大多數情況下采用連續精餾操作。以二元混合物的連續精餾操作為例加以討論。雙組分連續精餾過程的計算,包括全塔的物料衡算,精餾段和提餾段的物料衡算及兩段的操作線,理論塔板數及實際塔板數的計算等。
由於精餾過程比較複雜,影響因素較多,為了簡化計算,提出以下基本假設:
(1)理論塔板假設假設氣液兩相在每一塊塔板接觸後,離開時剛好達到氣液平衡。
(2)恒摩爾流量假設假設在精餾段內,離開每層塔板的下降液體的摩爾流量均相等,上升蒸氣的摩爾流量也相等,在提餾段內也是如此,但兩段內上升氣體的摩爾流量不一定相等,下降液體的摩爾流量也不一定相等。
(3)塔頂的冷凝器為全凝器塔頂引出的蒸氣在此處被全部冷凝,其冷凝的一部分在泡點溫度下回流入塔。
(4)塔釜或再沸器采用間接蒸氣加熱。
一、精餾塔的物料衡算
1.全塔物料衡算
通過對精餾塔的全塔物料衡算,可以確定餾出液及釜液的流量及組成。
虛線框作為係統進行物料衡算,並以單位時間為基準。則
全塔物料衡算總物料衡算F=D+W(6-3)
易揮發組分衡算FxF=DxD+WxW(6-4)
式中F、D、W——分別為原料、塔頂產品和塔底產品的流量,kmol/h;
xF、xD、xW——分別為原料、塔頂產品和塔底產品中易揮發組分的摩爾分數。
式(6-3)、式(6-4)稱為全塔物料衡算式。應用全塔物料衡算式可確定產品流量及組成。
其中DF和WF分別稱為餾出液和釜殘液的采出率,兩者之和為1。
【例6-1】在常壓連續精餾塔中,每小時將5000kg含乙醇20%(質量分數,下同)的乙醇水溶液進行分離。要求塔頂產品中乙醇含量不低於92%,釜中乙醇含量不高於2%,試求餾出液量和殘液量(用kmol/h表示)。
練習
每小時將1500kg含苯40%和甲苯60%的溶液,在連續精餾塔中進行分離,要求釜殘液中含苯不高於2%(以上均為質量百分效),塔頂餾出液的回收率為97.1%,操作壓力為1atm。試求餾出液和殘液的流量及組成,以kmol/h及摩爾分數表示。
(1)確定已知條件:原料液流量=__________kg/h,原料液中苯的質量分數=__________,塔底產品中苯的質量分數XW=__________,苯的回收率=__________。
(2)計算原料液的摩爾分數、平均摩爾質量與流量:XF=__________,MF=__________,F=__________kmol/h。
(3)根據苯的回收率計算苯的回收量:苯的回收量DXD=__________。
(4)計算塔底產品的摩爾分數與摩爾流量:XW=__________,W=__________kmol/h。
(5)計算塔頂產品的摩爾流量與摩爾分數:D=__________kmol/h,XD=__________。
2.精餾段物料衡算
虛線範圍作物料衡算,以單位時間為基準,即
總物料衡算V=L+D(6-5)
易揮發組分衡算Vyn+1=Lxn+DxD(6-6)
式中V——精餾段上升蒸氣的摩爾流量,kmol/h;
L——精餾段下降液體的摩爾流量,kmol/h;
yn+1——精餾段第n+1塊板上升蒸氣中易揮發組分的摩爾分數;
xn——精餾段第n塊板下降液體中易揮發組分的摩爾分數。
練習
精餾段操作線與y軸的交點坐標為__________,與對角線的交點坐標為__________。
3.提餾段物料衡算