4.3塔板数的确定（课件）-《化工单元操作（第三版） 》同步教学（化工版·2022）

2024/4/13 1 第4章 液体蒸馏 4.3塔板数的确定 精馏塔内存在两种关系 相平衡关系和操作线关系 每种关系有两种表示: 线图（相平衡线，操作线） 方程（相平衡方程，操作线方程） F xF DxD WxW 理论板和板效率（Ideal plate and plate efficiency） (1)离开塔板的汽、液两相达平衡，即离开理论板的两相温度相等，组成互成平衡。该板称为理论板 (2)汽、液两相在板上充分接触混合，塔板上不存在温度差和浓度差； 理论板的概念（Concept of ideal plate） 表达理论板上传递过程特征的温度和汽、液组成可直接由相平衡关系描述，如 t-x(y) 相图、泡点方程或露点方程。 实际塔板上气液两相难以达到平衡，且传递过程与物系的性质、操作条件以及塔板结构和安装状况等因素有关，很难用简单地确定离开实际塔板的汽、液两相温度和组成关系。 设计中，为了避免寻求这种难以确定的关系，一般是首先根据分离任务计算出所需的理论板数，然后再根据所选塔板类型以塔板效率进行修正，从而确定出所需的实际塔板数。 板效率（Plate efficiency） 塔板效率（板效率）表征的是实际塔板的分离效果接近理论板的程度。单板效率与全塔板效率是常用的两种表示方法。 单板效率 Em 又称默弗里（Murphree）板效率，可用气相单板效率 EmV 或液相单板效率 EmL 表示，其定义分别为 xn, yn —— 离开第 n 板的液相与汽相的实际组成； yn*, xn*—— 与离开第 n 板的液(汽)相组成 xn (yn)成平衡的汽(液)相组成； 分别代表经过一块板后组成的实际变化，分母则为将该板视为理论板时的组成变化。单板效率通常由实验测定。 注意：单板效率是一块板的平均效率，板上各点的传质差异可进一步由点效率（Local efficiency）来表达。 全塔板效率 （Overall efficiency） 全塔板效率 ET （总板效率）为完成一定分离任务所需的理论塔板数 NT 和实际塔板数 NP 之比 ET 代表了全塔各层塔板的平均效率，其值恒小于1.0。一般由实验确定或用经验公式计算。 经验式：ET=0.49(αμL)-0.245 NT表示理论板数; NP表示实际塔板数; 对一定结构形式的板式塔，由分离任务和工艺条件确定出理论板数后，若已知一定操作条件下的全塔效率，便可求得实际板数。 引入理论板和板效率两个概念后，为达到规定的分离要求，确定精馏塔所需的实际板数就转变为确定所需理论板数和板效率两个问题。 对一定的分离任务，所需理论板数目只取决于物系的相平衡以及塔内汽、液两相的摩尔流量，与物系的其它性质，两相接触的传质传热情况及塔板的结构形式等复杂因素无关。 理论塔板数 NT 是代表了分离任务的难易程度。 对符合恒摩尔流假设的双组分精馏过程，N 的计算只需应用由易挥发组分衡算得出的操作线方程和相平衡关系。 理论板数的求法 逐板计算法 y1 y1 x1 x2 y2 1 2 yN-2 xN-2 xN-1 yN N-1 N m N-2 W, xW F, xF D, xD Q 一、逐板法 交替使用平衡关系与操作关系，从塔顶至塔釜逐板进行计算。塔顶采用全凝器。 xn<xd (两操作线交点的横坐标，仅当饱和液体进料时为xF) 此时第N板为加料板，提馏段第一块板。NT精=n-1 令xn=x1’ 改用提段操作关系。 NT提=m(包括塔釜) 理论板数的求法 图解法 步骤：绘相平衡图 绘操作线 从a(xD,xD)到c(xW,xW)在相平衡与操作线间画直角梯级，梯级个数即理论板层数（包括塔釜再沸器）。 y y1 xW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a x q 线 d e 0 1.0 1.0 y2 y3 y6 yq xq zF x2 x1 xD 图解法求理论板数时，操作线的更换以某梯级跨过两操作线交点来判断。 将跨过交点的梯级定为加料板，板上汽、液组成与进料组成最为相近，对一定分离任务，作图所得的梯级最少。 最适宜的加料位置是板上汽、液组成与进料组成最接近处。 最宜的加料位置（Feed-plate location） 适宜的加料位置 1 2 3 5 6 7 8 1 2 3 4 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 a d c c d a c d a 0 0 0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 y x y x x y g f 回流比是精馏过程计算不可缺的重要参数，塔所需的理论板数，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的热负荷均与回流比有关。 精馏过程的投资费用和操作费用都取决于回流比的值。 回流比的选择 (Determi