【正文】 的能量關(guān)系，反映了V／F對塔分離結(jié)果的影響。為了能夠使式（25）遍及到全回流以外，我們將分離度S定義為： (26)如果發(fā)生部分回流時，對于影響精餾塔分離度的因素會很多，如下式所表示的： (27)在式子（27）中，E代表塔板的效率；代表進料板大的位置；其他符號和前面一樣，a，n，E和是一定的或變化不大，同時進料濃度xF的變化對S的影響與V／F對S的影響相比要小得多的多，是可以忽略的。我們拿二元精餾來舉例說明，全回流的方程可以寫成下式： (25)在式（25）中，a是平均揮發(fā)度；n就是理論上的所說的塔板數(shù)。在上面的式子中，我們忽略了熱損失。 能量平衡 在穩(wěn)態(tài)時，通過傳熱和進料帶，精餾塔的所有能量一定與通過傳熱和產(chǎn)品帶出的離開塔的能量相平衡。 然而僅僅是物料平衡關(guān)系，還不能完全確定xD和xB，只能確定xD和xB之間的關(guān)系。D／F改變了，xD和xB都可以改變。 全塔物料平衡在穩(wěn)態(tài)時，進塔的物料必須等于出塔的物料，所以總的物料平衡關(guān)系為F＝D十B (21)輕組分的物料平衡關(guān)系為 (22)式（22）中，F(xiàn)，D，B分別為進料量、塔頂采出量和塔底采出量，xF，xD，xB分別為進料、塔頂采出物和塔底采出物中輕組分的濃度。所謂靜態(tài)特性就是以物料平衡和能量平衡作為基礎(chǔ)，確定精餾塔在穩(wěn)態(tài)下各參數(shù)之間的定量關(guān)系。與此同時，物料平衡和能量平衡之間又是相互影響，相互制約的。此時，進料量、進料組分的變化是影響物料平衡的主要原因，塔頂?shù)牟沙隽亢退椎牟沙隽康淖兓谴我颉D13 連續(xù)精餾裝置的工藝流程第二章 精餾塔的特性 靜態(tài)影響的分析影響精餾過程的因素有很多，和其它單元操作一樣，精餾也是在一定的物料平衡和能量平衡的基礎(chǔ)上進行操作的。精餾過程可以發(fā)生在常壓下、高壓和低壓下。另一部分則引回到塔頂?shù)乃迳?，作為塔?nèi)冷卻液，稱為回流量L。一部分被連續(xù)地引出成為塔底產(chǎn)品B；另一部分則在再沸器中被載熱體加熱汽化又返回塔中。此時，進料板把全塔分成了兩段，我們把進料板上邊的部分叫做精餾段；我們把進料板下邊的部分叫做提餾段。目前，在工業(yè)上，一般所采用的連續(xù)精餾裝置的流程如圖13所示。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較多的篩板塔和俘閥塔[4]。對于應(yīng)用溫度濃度圖，不但可以求取任一溫度下的汽、液相平衡濃度，或者求取兩相平衡時的溫度，而且借助溫度－濃度圖還可以清楚地了解精餾原理。曲線2代表溶液濃度與露點的關(guān)系，稱為汽相線，線上每一點都代表飽和蒸汽。不同的多組分溶液具有不同的溫度濃度圖。表11 苯甲苯汽液平衡數(shù)據(jù)（在常壓下）對于同一濃度的汽相和液相來說，露點溫度和泡點溫度一般是不相等的，前者比后者高。高沸點組分的濃度越高（在苯甲苯溶液中，甲苯是高沸點組分），溶液平衡溫度就越高。通常對于兩組分溶液來說，濃度x或y如果不標明是哪一個組分時，一般是指極易揮發(fā)組分的含量。表中?？梢杂闷浩胶舛▋x來測定汽液平衡數(shù)據(jù)。 精餾原理就像我們所知道的，在恒定的壓力下，對于單組分液體來說，在沸騰時，雖然給它繼續(xù)加熱，但是它的溫度卻保持恒定不變，即單組分液體的沸點是恒定的。多組分溶液的精餾基本原理和兩組分溶液的精餾是一樣的。精餾操作是在精餾塔中完成的。在此過程中，傳熱和傳質(zhì)過程是同步進行的，這種類型屬于傳質(zhì)過程控制型。環(huán)境溫度環(huán)境溫度的變化較小，且變化幅度不大，因此，一般不用控制。冷卻水壓力和溫度冷卻水溫度的變化通常不大，對冷卻水可不進行控制。再沸器加熱蒸汽壓力再沸器加熱蒸汽壓力影響精餾塔的能量平衡。進料溫度和進料熱焓值進料溫度和熱焓值影響精餾塔的能量平衡。這時，可將進料流量做為前饋信號，引到控制系統(tǒng)中，組成前饋反饋控制系統(tǒng)。進料流量和進料成分進料流量通常不可控但可測。影響能量平衡的因素主要包括進料溫度或釜溫的變化、再沸器加熱量和冷凝器冷卻量的變化及塔的環(huán)境溫度的變化等。能量平衡和經(jīng)濟平衡性指標在保證精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時，考慮降低能量的消耗，使能量平衡，用來實現(xiàn)較好的經(jīng)濟性。壓力限是塔的操作壓力的限制，一般來說，塔操作壓力不能過大，否則會影響塔內(nèi)的氣液平衡，嚴重越限有可能導(dǎo)致安全生產(chǎn)。但對于某些工作范圍較狹窄的篩板塔和乳化填料塔就必須要很好地注意。流速的控制還要考慮塔的工作彈性。漏液限也稱最小氣相速度限，當氣相速度小于某一值時，將產(chǎn)生塔板漏液，板效率下降。約束條件為了能夠讓精餾塔工作正常、操作安全，我們規(guī)定它的約束條件在一定范圍內(nèi)，約束條件為液泛限、壓力限和邊緣溫差限等等。所謂關(guān)鍵組分，是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分，揮發(fā)度較大而由塔頂餾出的關(guān)鍵組分，稱為輕關(guān)鍵組分；而揮發(fā)度較小由塔底餾出的關(guān)鍵組分，稱為重關(guān)鍵組分。質(zhì)量指標塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證合乎規(guī)定的純度，另一產(chǎn)品成分也應(yīng)該維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，或者塔頂和塔底產(chǎn)品均應(yīng)保證一定的純度要求。內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書精餾塔提餾段串級控制系統(tǒng)設(shè)計第一章 精餾塔的自動控制 控制目的要對精餾塔實施有效的控制，必須首先清楚精餾塔的控制目的，也就是對控制的要求。一般來說，對于精餾塔的控制系統(tǒng)必須能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標、物料能量平衡和約束條件，這些是一個精餾過程能平穩(wěn)安全生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的前提[2]。對于二元精餾來說，質(zhì)量指標就是為塔頂產(chǎn)品中的輕組分（或重組分）含量和塔底產(chǎn)品中的重組分（輕組分）含量；但是，對于多元精餾，通常以關(guān)鍵組分的含量來描述質(zhì)量指標。圖11 精餾塔示意圖物料能量平衡餾出液和釜液的平均采出量之和，應(yīng)等于平均進料量，并且這兩個采出量的變動應(yīng)該比較和緩，有利于上下工序的平穩(wěn)操作，塔內(nèi)及頂、底容器的蓄液量應(yīng)介于規(guī)定的上、下限之間；此外，精餾塔的輸入輸出能量應(yīng)平衡，以保證塔內(nèi)操作壓力的穩(wěn)定不變。液泛限，又名氣相速度限，就是精餾塔里德氣相速度比較高時，霧沫夾帶會比較嚴重，事實上，液相是從下面塔板倒流到上面塔板上，產(chǎn)生液泛破壞正常操作。最好是在稍低于液泛的流速下操作。對于浮閥塔來說，由于工作范圍較寬，通常很易滿足條件。防止液泛和漏液，我們可以用塔壓降或者是壓差來監(jiān)視氣相速度。臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)間的溫差，當這一溫差低于臨界溫差時，給熱系數(shù)將會急劇下降，傳熱量也會隨之下降，不能保證精餾塔的正常傳熱的需要。 精餾塔的擾動分析影響物料平衡的因素包括進料量和進料成分的變化、塔頂餾出物及塔底部出料量的變化。對于擾動來說，有可控的也有不可控的。當進料流量變化較大時，對精餾塔的操作就會造成很大的影響。進料成分影響物料平衡和能量平衡，但進料成分通常不可控，多數(shù)情況下也是難以測量的?？刂撇呗允遣捎谜羝麎毫Γɑ蛄髁浚┒ㄖ悼刂?，或根據(jù)提餾段產(chǎn)品的質(zhì)量指標，組成串級控制。控制策略是組成塔壓的定值控制，或?qū)⒗鋮s水壓力作為串級控制系統(tǒng)的副被控變量進行控制。使用風冷時控制時策略是根據(jù)塔壓進行浮動塔壓控制。 精餾過程根據(jù)混合物中各組分揮發(fā)能力不同的差異，通過液體和氣體的回流的特點，使得氣體和液體兩相能夠逆向并且多級相互接觸，在前面所說的約束條件下，讓那個易揮發(fā)的組分時刻從液相中向氣相中導(dǎo)入，然而，難揮發(fā)的組分時刻從氣相中向液相中導(dǎo)入，導(dǎo)致混合物實現(xiàn)分離，這就是精餾的概念[3]。精餾操作是利用混合液中各組分具有不同的揮發(fā)度，也就是說，在同一溫度下，根據(jù)蒸汽壓力不同，從而能夠?qū)崿F(xiàn)分離液體混合物。溶液中組分的數(shù)量可以是兩個或兩個以上，在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，只有兩個組分的溶液不算太多，對于多組分溶液，經(jīng)常是大量需要分離的溶液。在本節(jié)中只對簡單的兩組分溶液的精餾做一下討論，著重說明精餾的基本原理。對于多組分的理想液體來說，在恒定的壓力下，在沸騰時，溶液的溫度卻是可變的。表11便是用不同濃度的苯甲苯溶液在常壓下所測得的一系列汽液平衡數(shù)據(jù)。設(shè)為相平衡時液相中苯組分的濃度（摩爾分數(shù)）；為相平衡時液相中甲苯組分的濃度（摩爾分數(shù)）；為相平衡時汽相中苯組分的濃度(摩爾分數(shù)）；為相平衡時汽相中甲苯組分的濃度（摩爾分數(shù)）。由表11可以明顯看出，在恒定壓力下，溶液汽液平衡的溫度和它的組分密切相關(guān)。如果和純物質(zhì)的汽液平衡相比較，溶液汽液平衡的一個特點是：在平衡狀態(tài)下，汽相濃度與液相濃度是不相同的。如果把溫度設(shè)置成縱坐標，把液相或汽相中苯的濃度設(shè)置成橫坐標，將表11的數(shù)據(jù)繪制成曲線，則可得到如圖12所示的溫度濃度圖（txy圖）。圖12 苯甲苯溶液的溫度濃度圖在圖12中，曲線1代表在一定壓力下，溶液濃度與泡點的關(guān)系，稱為液相線，線上每一點都代表飽和液體。這兩條線把相圖一共劃分成三個區(qū)域，液相線1以下的區(qū)域是液相區(qū)；汽相線2以上，溶液全部汽化，是過熱蒸汽區(qū)；兩線之間區(qū)域是汽、液兩相共存區(qū)，溶液處于任一點E時，都可以分為相互平衡的汽、液兩相，也就是分為液相F和C。 精餾塔的基本型式精餾塔是實現(xiàn)精餾操作的最重要的設(shè)備，通過精餾塔使汽、液兩相在塔內(nèi)充分接觸，進行傳質(zhì)和傳熱，最終使混合物中易揮發(fā)組分和難揮發(fā)組分得到分離。連續(xù)精餾裝置和流程精餾，就是將一定濃度的溶液送入精餾裝置中，使它不斷的進行一部分汽化和一部分冷凝，從而得我們想要的塔頂產(chǎn)品操作和塔底產(chǎn)品操作，此操作過程的主要設(shè)備是精餾塔本體，以及還有一些輔助設(shè)備，如再沸器、冷凝器和回流罐等。當原料F從精餾塔中段某一塊塔板進入時，這塊塔板就稱為進料板。對于塔內(nèi)的溶液，根據(jù)液體的沸點各不相同，易揮發(fā)的組分由于汽化而向上運動，難揮發(fā)的組分隨液體向下運動，并和塔內(nèi)的上升蒸汽，在各層塔板k上充分的接觸。塔內(nèi)上升的蒸汽依次經(jīng)過所有的塔板，使蒸汽中易揮發(fā)組分逐漸增濃，上升到塔頂?shù)恼羝诶淠髦斜焕淠蔀橐后w，經(jīng)回流罐和回流泵后，一部分成為塔頂產(chǎn)品D連續(xù)引出。在連續(xù)精餾過程中，原料液F連續(xù)不斷地進入塔內(nèi)，塔頂產(chǎn)品D和塔釜產(chǎn)品B也連續(xù)不斷地分別從塔頂和塔釜取走，當操作達到穩(wěn)定時，每層塔板上液體和蒸汽的濃度均保持不變，而且原料F、塔頂產(chǎn)品D和塔釜產(chǎn)品B的濃度和流量也都保持定值。當加壓精餾時，所分離的溶液在常壓下是氣相；然而，當在減壓精餾時，所分離的是液相。精餾塔的正常操作主要和物料平衡和能量平衡有關(guān)。單相進料時和熱焓兩相進料時的變化是影響能量平衡的主要原因，再沸器加熱量、冷凝器冷卻量的變化是次要原因。所以，想要了解這些因素對精餾過程的影響，一定要分析精餾塔的靜態(tài)特性[5]。下面就通過二元精餾塔為例來分析它的靜態(tài)特性。通過聯(lián)立方程式（21）和式（22）可得式(23)：或 (23)從式（23）中，很明顯看出進料F在產(chǎn)品中的分配量（D／F或B／F）是決定塔頂和塔底產(chǎn)品中輕組分濃度xD和xB的主要因素。此外，對于進料組分濃度，也是一個影響xD和xB的重要因素。要確定xD和xB的值還要建立另一個關(guān)系式，這個關(guān)系式可以由塔的能量平衡關(guān)系得出。平衡式如下所示： (24)在上式中，為再沸器的加熱量；為冷凝器的冷卻量；進料熱焓；塔頂產(chǎn)品的熱焓；塔底產(chǎn)品的熱焓。在上面的式子里并不能體現(xiàn)出能量變化對產(chǎn)品純度的影響，反過來，上式中的每一項都會影響精餾塔里的上升蒸汽量V，然而，上升蒸汽量V和產(chǎn)品純度的關(guān)系可以有以下過程計算得出。 由式（25）可知，在全回流過程當中，a和n決定了二元精餾塔兩端產(chǎn)品純度間的分離。所以可簡化成： 該式表明了，假如V／F一定，那么分離度S就已經(jīng)被確定了。因而由式（24）和式（29）可知，只要保持D／F和V／F一定（或者F一定時，保持D及V一定），這個塔的分離結(jié)果xD，xB就完全確定。對于如圖21所示的二元精餾塔，假定： 圖21 二元精餾塔各項物料情況 （1）在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等； （2）在提餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量均相等；=V（V為再沸器內(nèi)蒸汽量）； （3）在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的下流液體流量均相等，稱為內(nèi)回流，當回流溫度等于塔頂溫度時，內(nèi)回流等于外回流L；（4）在提餾段內(nèi)，通過各層塔板的下流液體流量均相等；（5）回流罐和塔底液位不變；（6）塔壓也保持不變。F+L+V=+ (210)對于液相泡點進料 =F+L, V=對于汽相露點進料 =F+V, L=對于其他情況下的進料，則需依據(jù)熱量平衡關(guān)系作相應(yīng)的考慮。對精餾段內(nèi)任一塔板i以上作物料平衡計算，輕組分的物料平衡關(guān)系式為： (211)式