课程思政：培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

学习目标：

知识目标：1.掌握进料状态、回流比对精馏操作的影响；2.熟悉塔顶温度和组成的关系；3.会进行理论塔板数的计算。

能力目标：1.能进行精馏操作影响因素的分析，以获得合适的操作条件。

素质目标：1.在制定方案的过程中积极讨论，具有积极参与、积极发言的竞争意识；2.在查找资料过程中能相互协作，互相交流；3.具有一定的安全意识；4.在完成任务过程中养成自主学习的意识。

学习内容：

理论和实践证明，进料组成，进料热状况，操作压力，塔顶回流量，全塔物料衡算，冷凝器，再沸器传热性能，设备散热情况等因素都会对分离效果产生影响。

一，进料量对精馏操作的影响

通过对全塔进行物料衡算和生产实践，我们发现，生产过程中进料量发生改变，不仅会使塔内的气液相负荷发生变化，而且会影响全塔的总物料平衡和易挥发组分的平衡。因此，如果是生产上需要改变进料量，则需要根据维持物料平衡为条件进行调节塔顶和塔釜的出料量，以维持全塔的稳定操作，保证产品质量。否则，会破坏塔的正常操作。

二、进料组成对精馏操作的影响

对于板式精馏塔，基于理论版的概念，即：离开任意理论板（n层）的气液两相达到了气液相平衡，其组成可由相平衡方程确定。而在一定操作条件下，从精馏段（或者提馏段）内任意第n层塔板下降的液相组成与下一层塔板上升的气相组成之间的关系可分别由精馏段和提馏段操作线方程来确定。

对精馏段和提馏段进行物料衡算，可以得到精馏段操作线方程和提馏段操作线方程。其中R=L/D称为回流比。

结合前面的全塔物料衡算，由精馏段和提馏段操作线方程可以看出，若进料组成发生波动，比如x_f（进料中的易挥发组分）下降，在塔板数、回流比不变的情况下，塔顶产品x_D和塔釜产品x_W必然下降。欲维持塔顶产品组成和产量不变，必然导致塔内易挥发组分大量馏出，而难挥发组分在塔内逐渐积累，塔顶温度逐渐升高，最终导致塔顶产品不合格。因此，这时正确的操作是，及时增大回流比，减少塔顶产品出料量，或者降低进料位置来维持塔内正常操作。

三，进料热状况对精馏操作的影响

（一）精馏塔的进料热状况

1，过冷液体进料；2，饱和液体进料；3.气液混合物进料；4.饱和蒸汽进料；5过热蒸汽进料

  五种进料热状况可通过进料热状况参数来表达，进料热状况参数用q来表示，具体表达式如下：

q=1千摩尔原料变为饱和蒸汽所需热量/原料液的千摩尔汽化潜热

根据进料热状况参数的定义，可得：

过冷液体进料q>1;泡点进料q=1,气液混合进料q=0--1;露点进料q=0; 过热蒸汽进料q<0

（二) q线方程---两条操作线的交点轨迹方程

Q=q/q-1*x+xf/q-1

Q线方程不仅反映了两条操作线的交点轨迹，还可用于分析进料热状况对精馏塔设计和操作的影响。进料热状况不同，q线位置不同，从而提馏段操作线的位置也相应变化。

（三）进料热状况对精馏操作的影响

进料热状况对精馏操作有着重要意义，不同的进料热状况都直接影响提馏段的回流量和塔内的气液平衡，相比较而言，冷液进料由于对塔内上升蒸汽的冷凝效果好，可以使更多的难挥发组分从气相进入液相，有利于气相中易挥发组分组成的提高，因此分离效果好，完成相同的分离任务所需的塔板数少，但是进料温度越低，为维持全塔热量衡算，塔釜需输入更多的热量，势必增加再沸器的传热面积，导致设备费增加，因此通常先对冷液体进行预加热后进入以降低在再沸器的负荷。从进料对塔内气液相量的影响程度分析，饱和液体进料最适宜。

当进料热状况发生变化时，应适当改变进料位置，一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况，保证在精馏塔的适宜位置进料。若进料热状况改变，而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。通常饱和液体进料在塔的中间位置，过冷液体进料应在中间位置偏上，而气液混合物饱和蒸汽的尽量在应在中间位置偏下。

（四）塔板数对精馏操作的影响

塔板是气液两相传质、传热的场所，精馏操作要达到规定的分离要求，精馏塔需要有足够层数的塔板，实际塔板数需根据理论塔板数和塔板效率计算。

1理论塔板数的计算

理论塔板数的计算，需要借助气液平衡关系和操作关系，计算达到既定分离要求所需气化--冷凝的次数。每一次的气化-冷凝即为一块塔板。理论板层数的求算方法很多，通常采用逐板计算法，图解法以及简捷法。

1）逐板计算法。

逐板计算法的依据是气液平衡关系式和操作线方程，对于理论塔板，离开塔板的气液相组成满足相平衡关系方程，而相邻两块塔板间相遇的气液相组成之间属于操作关系，满足操作线方程。这种方法是从塔顶开始，交替利用平衡关系式和操作线方程，逐板计算每一块塔板上的气液相组成，从所用气液平衡关系的次数即可知理论塔板数。

逐板计算法需要对精馏段和提馏段理论塔板数分别计算，若塔顶冷凝器为全凝器，泡点回流，按照气液平衡方程式，计算出第一层理论板上的液相组成，再应用精馏段操作线方程式计算出第二层理论板的气相组成，以此类推，直到xn<xf，每使用一次气液平衡关系，表示需要一块理论塔板，第n板即为加料板，属于提馏段，精馏段的理论塔板数为n-1块。

接下来就是计算提馏段的理论塔板数，计算思路与精馏段相同，只是把操作关系方程式换为提馏段操作线方程，直到计算到x'm≤xw。再沸器相当于一块理论塔板，提馏段的理论塔板数为m-1

全塔的理论塔板数为n+m-1 

逐板计算法是求算理论板层数的基本方法，计算结果比较精确，且可同时求得各层塔板上的气液相组成，但这种方法比较繁琐，尤其表现在理论板层数较多时，故一般在两组分精馏计算中较少采用，逐板计算法适用于计算机编程计算。

 2）图解法求理论塔板数

图解法求理论塔板数的计算依据与逐板计算法完全相同，只不过是用相平衡曲线和操作线分别代替气液相平衡方程和操作线方程，用简便的图解法代替繁杂的计算，以图解而得到完成分离任务所需要之理论塔板数。图解法简单直观，但计算精确度较差，尤其是对相对挥发度较小，而所需理论塔板数较多的场合更是如此。

3）简捷法求理论塔板数

在精馏塔的初步设计计算中，为进行技术经济分析，确定适宜回流比，可采用如图所示的吉利兰图进行简捷计算理论塔板数。

吉利兰图为双对数坐标图横坐标表示回流比与最小回流比的差值除以R+1，纵坐标表示理论塔板数与最少理论塔板数的差值除以N+2。它对最小回流比、回流比、最少理论塔板数和理论塔板数四个变量进行了关联，对于一定分离任务可大致估算理论塔板数，也可粗略的定量分析理论塔板数与回流比的关系。图中曲线的两端代替两种极限情况曲线，右侧延长线表示全回流时的操作情况。曲线左端延长后表示在最小回流比的操作情况，可以看出，最小回流比操作时理论班层数为无限多。

2.实际塔板数计算

前面提到理论板是指离开该板的气液两相互成平衡状态。实际上理论板是不存在的，理论板仅是作为衡量实际板分离效率的依据和标准，它是一种理想板，通常用塔板效率来表示塔板上传质的完善程度，以便根据理论塔板数得出实际塔板数。

1）塔板效率

塔效率分为单板效率和全塔效率两种。

单板效率:

单板效率表示气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论板前后的组成变化的比值，如公式所示。

通常精馏塔中各层塔板的单板效率并不相等，所以它仅直接反映单独一层塔板上传质的效果。单板效率可由实验测定。

全塔效率:全塔效率反映塔中各层塔板的平均效率，因此它是理论塔板数的一个校正系数。由于影响塔板效率的因素很多且复杂，如物系性质，塔板形式与结构，操作条件等，故目前对板效率还不易做出准确的计算，实际设计时，一般采用来自生产及中间实验的数据或用经验公式估算，其中比较典型简易的方法是奥康奈尔的关联法，该曲线可关联成如下形式。（公式）：

全塔效率E_T=0.49（物系相对挥发度与液相粘度的负0.245次方）

2）实际塔板数

实际塔板数和理论塔板数的差别，用全塔效率来衡量

实际塔板数=理论塔板数/全塔效率

五. 回流比对精馏操作的影响

回流是保证精馏过程能连续稳定操作的必要条件，因此回流比是精馏过程的重要参数，它的大小影响精馏的投资和操作费用，也影响精馏塔的分离程度。因此，在精馏塔的设计中，对于一定的分离任务而言，应选定适宜的回流比。

回流比两个极限值，上限为全回流时的回流比即回流比为无穷大。下限为最小回流比，适宜回流比介于两极限值之间。

1.全回流和最少理论板数。

精馏塔塔顶蒸汽经全凝器冷凝后冷凝液全部回流到塔内，这种回流方式称为全回流。在全回流操作下，塔顶产品流量D，进料量f和塔底产品流量w均为零。既不向塔内进料，也不从塔内取出产品。全回流操作，只用在精馏塔的开工阶段调试，或在实验研究过程中。

显然全回流时，回流比为无穷大。

在全回流下，精馏段操作线斜率为1，截距为零，此时精馏段操作线及提馏段操作线与对角线重合，即操作线方程均为对角线方程y=x。

全回流时操作线离平衡线最远，表示塔内气液两项间传质推动力最大，因此对于一定的分离任务而言，所需理论板数为最少，用n最小表示。

2.最小回流比

如图所示，当回流从全回流逐渐减少时，精馏段操作线斜率逐渐变小，两操作线的位置向平衡线靠近，表示气液两相间的传质推动力减小，因此对特定分离任务所需的理论板数也逐渐增多。当回流比减小到某一数值后，使两操作线的焦点落在平衡曲线上时，图解时不论绘制多少直角梯级都不能跨过这个交点。表示所需的理论塔板数为无穷多，此时的回流比即为最小回流比，用R最小表示。

在最小回流比下，两操作线和平衡线的交点称为夹点，而在夹点前后各板之间区域气、液两相组成基本没有变化，即无增浓作用称为恒浓区。

3适宜回流比

对于一定的分离过程，全回流和最小回流比都不会为生产所采用，生产操作中的实际回流比应通过经济核算，确定操作费用和投资费用之和为最低时的回流比，故称为适宜回流比。

精馏过程的操作费用主要包括再沸器热量消耗，冷凝器能量消耗以及动力消耗等费用，而这些量取决于塔内上升蒸汽量。当回流比增加时，加热及冷却介质消耗量随之增加，操作费用增加。操作费和回流比的关系，如图中曲线2所示。

精馏过程的设备主要包括精馏塔，再沸器和冷凝器，若设备的类型和材料一经选定，则设备费用主要取决于设备的尺寸。当回流比为最小回流比时，需要无穷多的理论塔板，则费用为无穷大，肯定不可取。当回流比稍大于最小回流比时所需理论板数就变为有限数及设备费用急剧减小。但随着回流比的进一步增加，所需理论塔板数减小的趋势变缓，但同时因回流比的增大上升，蒸汽量又随之增多，使塔径，塔板尺寸及再沸器和冷凝器的尺寸均相应增大，所以在回流比增大至某一个数值后，设备费反而增加，设备费和回流比的大致关系，如图中的曲线1所示，

总费用为设备费和操作费之和，它和回流比的大致关系，如图中曲线3所示，曲线3最低时对应的回流比为适宜回流比，即最佳回流比。

在精馏设计计算和生产实践中一般不进行经济衡算，而是根据经验选取适宜的回流比，大量生产经验证明，适宜回流比可取为最小回流比的1.1~2倍。上述考虑的是一般原则，对于实际生产过程，回流比还应根据具体情况来确定，例如对于难分离的混合物，由于相对挥发度较小，应选用较大的回流比，而易分离的混合物，可选用较小的回流比，以降低能量消耗，从而减少操作费用。

总之，回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用回流比来调节控制产品的质量。例如，当回流比加大时，精馏段操作线斜率变大。该段内传质推动力增大，因此在一定的精馏段塔板数下，馏出液组成变大，同时提馏段操作线斜率变小，该段内传质推动力增大，因此在一定的提馏段塔板数下，釜残液组成变小。

回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内气液负荷超过允许值，则可能引起塔板效率下降，因此应减小原料液流量。

六，温度对精馏操作的影响

1板式塔的温度分布

溶液的泡点与总压及组成有关。精馏塔内各块塔板上物料的组成及总压并不相同，因而从塔顶到塔釜会形成某种温度分布。

在常压或加压精馏中，各板总压差别不大，形成全塔温度分布的主要原因是各板组成不同。如图所示，可以看出精馏塔塔底温度低，塔釜温度高。在减压蒸馏中，蒸汽每经过一块塔板就有一定的压降，若塔板数较多，塔顶与塔底压力差别与塔顶绝对压力相比，其数值相当可观，总压降可能是塔顶压力的几倍，因此各板组成与总压的差别都是影响全塔温度分布的重要原因，且后者的影响往往更加显著。

2.塔顶温度的影响

塔顶温度是表征塔顶产品质量高低与质量稳定性的重要参数，由气液平衡关系可知，在一定塔压下塔顶温度与塔顶蒸汽组成成对应关系，所以只有塔顶温度恒定时，才能反映产品质量的稳定，塔顶温度会收到进料、塔内压力和塔釜温度等因素的影响。

3灵敏板温度的影响

一个正常操作的精馏塔，当受到某一外界因素的干扰，（如回流比、进料组成发生波动等）全塔各板的组成将发生变动，全塔的温度分布也将发生相应的变化，因此有可能用测量温度的方法来预示塔内组成，尤其是塔顶流出液组成的变化。

在一定总压下塔顶，温度是流出液组成的直接反映。当分离的产品较纯时，在临近塔顶或塔底的各板之间，温度差已经很小，这时塔顶或塔底温度变化0.5度，可能已超出产品组成的允许范围。以乙苯-苯乙烯物系为例，在8000帕下的减压蒸馏为例，当塔顶馏出液中含乙苯由99.9%降至90%时，泡点变化仅为0.7度，可见高纯度分离时，一般不能用测量塔顶温度的方法来控制流出液的质量。

当操作条件发生变化时，某些塔板上的温度将发生显著变化，这块儿塔板称为灵敏板，通过灵敏板的温度变化可以较早发现精馏操作所受到的干扰，而且灵敏板比较靠近进料位置，可在塔顶馏出液组成尚未产生变化之前，先感受到进料参数的变动及并及时采取调节手段，以稳定流出液的组成。

4.塔釜温度的影响

塔釜温度是由釜压和物料组成决定的，精馏过程中只有保持规定的塔釜温度，才能确保产品质量，因此塔釜温度是精馏操作中重要的控制指标之一。

提高塔釜温度时，则使塔内液相中易挥发组分减少，同时并使上升蒸汽的速度增大，有利于提高传质效率。如果由塔顶得到产品，则塔釜排出难挥发物中易挥发组分减少，损失减少，如果塔釜排出物为产品，则可提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组分中夹带的难挥发组分增多，从而增大损失。因此在提高塔釜温度的时候，既要考虑到产品的质量，又要考虑到工艺损失。一般情况下，操作习惯于用温度来提高产品质量，降低工艺损失，当塔釜温度变化时，通常是用改变再沸器的加热蒸汽量，将塔釜温度调节至正常。当塔釜温度低于规定值时，应加大蒸汽用量，以提高釜液的气化量，使釜液中重组分的含量相对增加，泡点提高，塔釜温度提高。当塔釜温度高于规定值时，应减少蒸汽用量，以减少釜液的汽化量，是釜液中轻组分的含量相对增加，泡点降低，釜温降低。此外还有与液位串级调节的方法等用于调节塔釜温度。

对精馏操作而言，塔顶温度，塔釜温度和灵敏板等重要塔板温度都要保持平稳，否则必然会引起产品质量的变化。

七，操作压力对精馏操作的影响

塔的操作压力（简称塔压）是精馏塔主要的控制指标之一，在精馏操作中，常常规定了操作压力的调节范围，塔压波动过大，就会破坏全塔的气液平衡和物料平衡，使产品达不到所要求的质量。

提高塔压可以相应的提高塔的生产能力，稳定操作。但在塔釜难挥发产品中，易挥发组分含量增加，如果从塔顶得到产品，则可提高产品的质量和易挥发组分的浓度。

影响塔压变化的因素是多方面的，例如塔顶温度，塔釜温度，进料组成，进料流量、回流量，冷剂量，冷剂压力等的变化以及仪表故障，设备和管道的冻堵等，都可以引起塔压的变化。例如减压蒸馏的真空系统出了故障塔顶冷凝器的冷却剂突然停止等，都会引起塔压的身高。

生产中，当塔压变化时，控制塔压的调节机构就会自动动作使塔压恢复正常，当塔压发生变化时，首先要判断引起变化的原因，而不要简单地只从调节上使塔压恢复正常，要从根本上消除变化的原因，才能不破坏塔的正常操作。如塔釜温度过低引起塔压降低，若不提塔温而单靠减少塔顶采出来恢复正常塔压，将造成釜液中轻组分大量增加，由于设备原因而影响了塔压的常调节时，应考虑改变其他操作因素以维持生产，严重时则要停车检修。