精馏吸收操作型问题示例.docx
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精馏吸收操作型问题示例
精馏操作型问题分析
【例5-35】一操作中的精馏塔，若保持F、xF、q、D不变，增大回流比R，试分析L、V、L’、V’、W、xD、xW的变化趋势。
【解】根据题意，F、xF、q、D、总理论板数N、精馏段理论板数N1、α不变，R增大，分析如下：
（1）L、V、L’、V’、W变化趋势
L=RD，V=（R+1）D，因为D不变、R增大，所以L增大、V增大。
L’=L+qF，V’=V-（1-q）F，因为F、q不变，所以L’增大、V’增大。
由W=F-D，因为F、D不变，所以W不变。
（2）xD、xW的变化趋势
可先假设xD不变，则xW=（FxF-DxD）/W也不变（因为F、D、W、xF不变），结合R增大，作出新工况下的精馏段和提馏段操作线，如图5-7（a）所示的虚线，原工况为实线，可知要完成新工况下的分离任务所需的理论板数比原来的要少，不能满足N不变这个限制条件，因此“xD不变”的假设并不成立。
若再假设xD减小，可以得出与xD不变情况下同样的结论，因此若要满足N不变，必有xD增大，又从物料衡算关系得xW减小，其结果如图5-7（b）所示。
结论：
xD增大、xW减小。
（a）（b）
图5-7例5-35不同情况下的操作线
【例5-36】某二元精馏塔，因操作问题，进料并未在设计的最佳位置，而偏下了几块板。
若F、xF、q、R、V’均同设计值，试分析L、V、L’、D、W、xD、xW的变化趋势。
【解】根据已知条件，F、xF、q、R、V’、N、α不变，精馏段理论板数N1增大，分析如下：
（1）L、V、L’、D、W分析
V=V’+（1-q）F，因为V’、q、F不变，所以V不变。
D=V/（R+1），因为R不变，所以D不变。
W=F-D，所以W不变。
L=V-D，因为V、D不变，所以L不变。
L’=L+qF，因为q、F不变，所以L’不变。
（2）xD、xW的分析
本题易发生一种错觉：
加料板下移使N1增大、提馏段理论板数N2减小，单从两段的分离能力来看，似乎有xD增大、xW增大，但这个推论显然不符合物料衡算式FxF=DxD+WxW。
现在用图解法分析：
设xD不变，则xW=（FxF-DxD）/W也不变，结合R不变，得新工况下的操作线同原来的一样，由于进料位置比最佳位置低，则图解结果如图5-8（a）虚线所示，可知所需N增大，而实际上N不变。
若再假设xD变大，从物料衡算知xW减小，此时所需要的N明显变大，与实际不符。
因此必有xD减小，结合物料衡算知xW增大，如图5-8（b）所示。
结论：
xD减小、xW增大。
（a）（b）
图5-8例5-36不同情况下的操作线和理论板数求解
【例5-37】一操作中的精馏塔，F、xF、q、V’不变。
增大回流比R，则L、V、L’、D、W、xD、xW的变化趋势？
试将结果与例5-35作比较。
【解】根据题意F、xF、q、V’、N、N1、α不变，R增大，分析如下：
（1）L、V、L’、D、W分析
V=V’+（1-q）F，因为V’、q、F不变，所以V不变
D=V/（R+1），因为R增大，所以D减小。
W=F-D，因为F不变，所以W增大。
L=V-D，因为V不变、D减小，所以L增大。
L’=L+qF，因为q、F不变，所以L’增大。
（2）xD、xW分析
因为R增大，所以新工况下的精馏段操作线将向对角线靠近，分离能力增大，所以xD增大；若仅从物料衡算xW=（FxF-DxD）/W看，并不能确定xW的变化趋势。
这时，要从提馏段操作线斜率着手分析，提馏段斜率为L’/V’，L’/V’=1+W/V’，因为V’不变、W增大，所以L’/V’增大，靠近平衡线，提馏段的分离能力下降，所以使得xW增大。
结论：
xD增大、xW增大。
讨论：
将本题结果与例5-35的作一下比较，可见同样是R增大，但由于使R增大的手段不一样，操作结果也不一样。
其原因是例5-35中提馏段的分离能力因L’/V’下降（因为V’增大、W不变）而提高，本题中它却因L’/V’增加而下降。
说明：
例5-35、例5-36同样可用考察塔板分离能力的方法进行分析。
比如对例5-35，L/V=R/（R+1），因为R增大，所以L/V增大。
L’/V’=1+W/V’，因为V’增大、W不变，所以L’/V’减小。
因为L/V增大、L’/V’减小、N1不变、N2不变，所以精馏段、提馏段的分离能力均提高，可得xD增大、xW减小。
【例5-38】一精馏塔，冷液进料。
由于前段工序的原因，使进料量F增加，但xF、q、R、V’仍不变，试分析L、V、L’、D、W、xD、xW的变化趋势。
【解】根据题意xF、q、R、V’、N、N1、α不变，F增大，分析如下：
（1）L、V、L’、D、W分析
V=V’+（1-q）F，因为V’、q不变，且q>1，所以F增大使V减小。
D=V/（R+1），因为R不变，所以D减小。
W=F-D，因为F增大、D减小，所以W增大。
L=RD，因为R不变、D减小，所以L减小。
L’=V’+W，因为V’不变、W增大，所以L’增大。
（2）L/V、L’/V’的分析
L/V=R/（R+1），因为R不变，所以L/V不变，即精馏段操作线斜率不变。
L’/V’=1+W/V’，因为V’不变、W增大，所以L’/V’增大。
（3）xD、xW分析
设xD不变，利用L/V不变、L’/V’增大作出新工况下的操作线，如图5-9（a）虚线所示，可知所需N减小，而实际上N不变；若假设xD变小，则根据L/V不变、L’/V’增大而得出与xD不变同样的结论，因而必有xD增大，才能使N不变。
此时的操作线如图5-9（b）虚线所示，由图得，xW增大。
（a）（b）
图5-9例5-38不同情况下的操作线
物料衡算验证：
F增大、D减小、W增大、xD增大、xW增大能满足FxF=DxD+WxW。
如从塔板分离能力考察，因为L’/V’增大、提馏段理论板数不变、xF不变，所以xW增大。
由于F增大、D减小、W增大，故暂无法从物料衡算确定xD的变化趋势，而须根据N不变画出新工况下的操作线才能定。
结合xW增大、L’/V’增大、L/V不变、N不变，画出新工况下的操作线，如图5-9（b）虚线所示，即xD增大。
注意：
不能仅从操作线斜率L/V不变、xF不变就得出xD不变的结论。
由于提馏段塔板分离能力下降，致使加料板上升蒸汽组成增大，而精馏段分离能力不变，因此xD增大。
一般情况下，若L/V有变化，则加料板上升蒸汽组成的改变对塔分离结果的影响比不上L/V的影响大（如例5-35），因而可从L/V增大、xF不变得出xD增大的结论。
本题L/V不变，则加料板上升蒸汽组成的变化对塔顶xD的影响要考虑。
结论：
xD增大、xW增大。
讨论：
从例5-35到例5-38的分析可知，不论用图解法还是用考察塔板分离能力的方法，二者所得的结果相同。
实际上分离能力的变化也可以从图解法中分析得到，若考察精馏段的分离能力，可以在图上先假设xD不变时，分析操作线随R的变化，若R变大，则操作线斜率变大，此时远离平衡线，分离能力变大，反之，R变小，分离能力减小；若考察提馏段的分离能力，则先在图上假设xw不变时，分析操作线随L’/V’的变化，若L’/V’增大，即操作线斜率变大，则靠近平衡线，分离能力变小，反之，L’/V’减小，分离能力变大。
与图解法相比，考察塔板分离能力的方法相当于免去了考察xD不变时的步骤，比较简单，但二者的实质是一致的。
因此以后的例题中，如无必要，均采用基于塔板分离能力的方法。
【例5-39】一正在运行中的精馏塔，因进料预热器内加热蒸汽压力降低致使进料q值增大。
若F、xF、R、D不变，则L、V、L’、V’、W、xD、xW将如何变化？
【解】根据题意，F、xF、R、D不变，q值增大，分析如下：
（1）L、V、L’、V’、W分析
L=RD,V=（R+1）D，因为D、R不变，所以L、V不变。
L’=L+qF，V’=V-（1-q）F，因为q增大、F不变，所以L’增大、V’增大。
W=F-D，因为F不变、D不变，所以W不变。
（2）L/V、L’/V’分析
L/V=R/（R+1），因为R不变，所以L/V不变。
L’/V’=1+W/V’，因为V’增大、W不变，所以L’/V’减小。
（3）xD、xW分析
因为L’/V’减小、提馏段塔板数不变，所以提馏段分离能力增大，结合xF不变，可得xW减小。
xD=（FxF-WxW）/D，因为F、D、W不变，所以xD增大。
结论：
xD增大、xW减小。
说明：
xD、xW也可如下分析，因为q增大、xF不变，所以加料板上升蒸汽的浓度增加，而精馏段分离能力不变，所以xD增大，又从物料衡算知xW减小。
【例5-40】一正在运行中的精馏塔，由于前段工序的原因，使料液组成xF下降，而F、q、R、V’仍不变。
试分析L、V、L’、D、W、xD、xW将如何变化？
【解】根据题意，F、q、R、V’不变，xF下降，分析如下：
（1）L、V、L’、D、W分析
V=V’+（1-q）F，因为V’、q、F不变，所以V不变。
D=V/（R+1），因R不变，所以D不变。
W=F-D，因为F、D不变，所以W不变。
L=RD，因为R、D不变，所以L不变。
L’=V’+W，因为V’、W不变，所以L’不变。
（2）L/V、L’/V’分析
因为R不变，所以L/V不变。
因为V’、W不变，所以L’/V’不变。
（3）xD、xW分析
因为L/V、L’/V’、精馏段和提馏段理论板数N1、N2均不变，所以精馏段、提馏段的分离能力不变，结合xF减小，可得xD减小、xW减小。
物料衡算考察：
因为F、D、W不变，所以xF减小，xD减小，xW减小可满足FxF=DxD+WxW。
结论：
xD减小、xW减小。
吸收操作型问题分析
【例6-31】在一填料吸收塔内吸收某低浓度混合气体中可溶组分，现因故吸收剂中溶质含量升高，若保持其他操作条件不变，则出口气、液相组成将如何变化？
【解】根据已知条件，xa增大，而T、P、L、G、yb、h保持不变。
因为m是温度、压力的函数，因为T、P不变，所以m不变。
恒定T、P下，因为L、G不变，所以Kya、Kxa不变。
因为
，所以HOG不变。
又
，
，可知NOG、S不变，得（yb-mxa）/（ya-mxa）不变。
令
（c不变且c<1）
则
因为xa增大，所以ya增大。
根据
①
所以从式①可知，xa增大将使xb增大。
分析xb的变化时还可以用图解法。
图6-12例6-31附图
分析如图6-12：
1线是吸收剂中溶质含量未升高时的操作线，当吸收剂中溶质含量升高时，如升高到
，由以上分析知，此时ya增大，而液气比是不变的，所以操作线应与1线平行，存在有两种可能，一种如2线所示，此时操作线向平衡线靠近，平均推动力变小，但传质单元数仍能保证和1线时同样多，所以是合理的，分析得xb增大。
另一种可能如3线所示，此时偏离平衡线较远，所需的传质单元数变少，而实际上传质单元数是不变的，所以这种情况不合理。
结果：
ya增大、xb增大。
说明：
分析xb时常可采用下述近似方法
因为ya《yb，所以
，因为xa增大，而L、G、yb不变，所以xb增大。
【例6-32】在一填料塔中用清水吸收空气-氨混合气中的低浓度氨，若清水适量加大，其余操作条件不变，则出口气、液相中氨的浓度将如何变化
【解】根据已知条件，L增大，而T、P、G、xa、yb、h保持不变。
由于水吸收氨过程一般属气膜控制，因为G不变，所以Kya基本不变，从而HOG不变，NOG也不变。
因为L增大，所以S减小，结合NOG不变，可得（yb-mxa）/（ya-mxa）增大。
因为xa、yb不变，所以ya减小。
又
，因为ya减小，所以
增大，但由于L增大，暂无法从全塔物料衡算确定xb的变化趋势。
此时xb的分析可用作图法分析。
图6-13例6-32附图
图6-13中，1线是清水量未加大时的操作线，当清水量加大后，由以上分析得ya减小，假设减小到
，若此时xb不变，如图中2线所示，则比1线更靠近平衡线，平均推动力减小，则需要的传质单元数增多，而传质单元数是不变的，所以2线不对，若xb变大，则需要的传质单元数更多。
所以xb应减小，比如减小到
，此时的操作线如3线所示，才能保证传质单元数不变。
结果：
ya减小、xb减小。
说明：
若采用近似方法分析，则因为ya《yb，所以
，因为L增大，而G、xa、yb不变，所以xb减小。
【例6-33】用填料吸收塔处理低浓度气体混合物，如其他操作条件不变而入口气量适度增加，则出口气、液组成将如何变化？
【解】据题G增大，而T、P、L、xa、yb、h保持不变。
因为T、P不变，所以m不变。
因为L不变、G增大，所以kxa不变、kya增大。
因为
，所以Kya增大，但Kya的增加率比G的增加率要小。
由HOG=G/（Kya），从而G增大使HOG增大。
NOG=h/HOG，因为h不变，所以NOG减小。
S=mG/L，因为m、L不变，G增大，所以S增大。
因为NOG减少、S增大，可知（yb-mxa）/（ya-mxa）减小。
因为yb、xa不变，所以ya增大。
又
①
由于L、xa、yb不变，G增大、ya增大，暂无法从全塔物料衡算确定xb的变化趋势。
采用反证法：
设xb减小，则
增大，又
增大，从而
增大。
由于Kya增大，所以
增大。
而此时xb减小将使L（xb-xa）减小，从而式①不满足，说明原假设有误。
同理可证“xb不变”也是错误的，所以必有xb增大。
结果：
ya增大、xb增大。
说明：
分析xb仍可采用近似方法。
因为ya《yb，所以
，因为G增大，而L、yb、xa不变，所以xb增大。
【例6-34】用填料吸收塔处理低浓度气体混合物，现因生产要求希望气体处理量增大但吸收率不下降，有人说只要按比例增大吸收剂的流量（即L/G不变）就能达到目的，这是否正确？
【解】由于Kya随着G的增加而增加，但是Kya的增加比率不及G的增加比率，从而HOG增加，NOG减少，又S不变，故（yb-mxa）/（ya-mxa）下降，导致ya上升（因为yb、xa、m不变），吸收率下降。
因此按比例增大L达不到要求。
若要维持吸收率不下降，L的增大比率要超过G的增加比率，即L/G增大。
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