精馏实验原理和基本理论一、基本原理精馏分离是根据溶液中各组分挥发度(或沸点)的差异,使各组分得以分离。其中较易挥发的称为易挥发组分(或轻组分),较难挥发的称为难挥发组分(或重组分)。它通过汽、液两相的直接接触,使易挥发组分由液相向汽相传递,难挥发组分由汽相向液相传递,是汽、液两相之间的传递过程。对于二元物系,在已知其汽液平衡数据,则根据精馏塔的原料液组成,进料热状况,操作回流比及塔顶馏出液组成,塔底釜液组成可以求出该塔的理论板数NT。按照式(5-1)可以得到总板效率ET,其中NP为实际塔板数。%100PTTNNE(1)精馏塔包括精馏段和提馏段。精馏段操作方程为:111DnnxRyxRR(2)提馏段操作方程为:1nnwLqFWyxxLqFWLqFW其中,R为操作回流比,F为进料摩尔流率,W为釜液摩尔流率,L为提馏段下降液体的摩尔流率,q为进料的热状态参数,部分回流时,进料热状况参数的计算式为:mmFBPpmrrttCq)((3)式中:tF—进料温度,℃。tBP—进料的泡点温度,℃。Cpm—进料液体在平均温度(tF+tP)/2下的比热,kJ/(kmol.℃)。rm—进料液体在其组成和泡点温度下的汽化潜热,kJ/kmol。Cpm=Cp1M1x1+Cp2M2x2,kJ/(kmol.℃)rm=r1M1x1+r2M2x2,kJ/kmol(4)式中:Cp1,Cp2——分别为纯组份1和组份2在平均温度下的比热,kJ/(kg.℃)。r1,r2——分别为纯组份1和组份2在泡点温度下的汽化潜热,kJ/kg。M1,M2——分别为纯组份1和组份2的摩尔质量,kg/kmol。x1,x2——分别为纯组份1和组份2在进料中的摩尔分率。二、全回流和最小理论板层数1.全回流的概念若上升至塔顶的蒸汽经全凝器冷凝后,冷凝液全部回流到塔内,该回流方式称为全回流,全回流时的回流比为(5)在全回流下,精馏段操作线的斜率和截距分别为(6)(7)此时,在x–y图上,精馏段操作线及提馏段操作线与对角线重合,全塔无精馏段和提馏段之区分,两段的操作线合二为一,即(8)应予指出,在全回流操作下,塔顶产品D为零,一般和也均为零,即不向塔内进料,也不从塔内取出产品,装置的生产能力为零,因此对正常生产并无实际意义。但在精馏的开工阶段或实验研究时,采用全回流操作可缩短稳定时间并便于过程控制。2.最小理论板层数回流比愈大,完成一定的分离任务所需的理论板层数愈少。当回流比为无限大,两操作线与对角线重合,此时,操作线距平衡线最远,汽液两相间的传质推动力最大,因此所需的理论板层数最少,以Nmin表示。Nmin可在x–y图上的平衡线与对角线之间直接作阶梯图解,也可用从逐板计算法推得的芬斯克(Fenske)方程式计算得到。芬斯克方程式推导过程如下。由汽液平衡方程,可得(9)操作线方程用式(10)表示,即(10)对于全回流操作,以Nmin代替上式中的N,并对等式两边取对数,经整理得到(11)对两组分物系,上式可略去下标A、B而写为(12)式中——全回流时的最小理论板层数(不含再沸器);——全塔平均相对挥发度,当变化不大时,可取塔顶的和塔底的的几何平均值。式(11)及式(12)称为芬斯克方程式,用以计算全回流下的最少理论板层数。其适用条件是在全塔操作范围内,可取平均值,塔顶全凝器,塔釜间接蒸汽加热。若将式中的换为,取塔顶和进料板间的平均值,则该式便可用来计算精馏段的最少理论板层数。4.最小回流比的概念对于一定的分离任务,如减小操作回流比,精馏段操作线的斜率变小,截距变大,两操作线向平衡线靠近,表示汽液两相间的传质推动力减小,所需理论板层数增多。当回流比减小到某一数值时,两操作线的交点d落到平衡线上,如图片1-26所示。此时,若在平衡线与操作线之间绘阶梯,将需要无穷多阶梯才能到达点d,相应的回流比即为最小回流比,以Rmin表示。在点d前后(通常为进料板上下区域),各板之间的汽液两相组成基本上不发生变化,即没有增浓作用,故点d称为夹紧点,这个区域称为夹紧区(恒浓区)。最小回流比是回流的下限。当回流比较Rmin还要低时,操作线和q线的交点就落在平衡线之外,精馏操作无法完成指定的分离程度。最小回流比有作图法和解析法两种不同的求法,现分别予以叙述。(1)作图法根据平衡曲线形状不同,作图方法有所不同。若平衡曲线为正常曲线(如图1中的平衡曲...