基本介紹
- 中文名：理論板數
- 外文名：Number of theoretical plate
- 又名：理論級數
- 關聯詞：理論塔板
- 套用領域：化工生產
- 常用計算方法：逐板計算法、圖解法、捷算法
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介紹
在精餾塔中，假設氣相與液相有充分的接觸時間，足以使兩相達到相平衡，而且塔板上各組分問的關係符合平衡曲線所規定的關係時所需的塔板數。在實際精餾過程中，各塔板上氣液兩相的接觸時間不可能滿足這一要求，所以實際塔板數必大於理論塔板數。生產中一般先確定理論塔板數以及總塔板效率，然後算出實際塔板數。
計算理論塔板數的方法有逐板計算法、圖解法和芬斯克公式一吉利蘭圖的方法有時又稱（簡捷算法），這幾種方法目前都得到普遍的套用。
計算方法
逐板計算法
逐板計算法的依據是氣液平衡關係式和操作線方程。該方法是從塔頂或者塔底開始，交替利用平衡關係式和操作線方程。逐級推算氣液相的組成來確定理論塔板數。
若生產任務規定將相對揮發度為α及組成為 xF的原料液，分離成為塔頂產品組成為xD和塔底產品組成為xW，並選定操作回流比為R，則逐板計算理論板數的步驟為：
①若塔頂冷凝器為全凝器，則y1= xD。按照氣液相平衡關係式，由y1計算出第一層理論塔板上液相組成x1。
②按照精餾段操作方程，由第一層理論塔板下降的回流液組成x1，計算出第二層理論塔板上升的蒸氣組成y2。再利用氣液平衡關係式，由y2計算出第二層理論塔板上的液相組成x2。
③按精餾段操作線方程，由x2計算出y3。再按氣液平衡關係式，由y3計算出x3。
依此類推，一直計算到xn≤ xF為止。每利用一次平衡關係式，即表示需要一塊理論塔板。
當xn≤ xF後，操作線方程改用提餾段操作線方程。其計算步驟和精餾段一樣，反覆利用操作線方程和氣液平衡關係式，一直計算到xm≤ xW為止。
逐板計算法較為準確，不僅套用於雙組分精餾計算，而且也可用於多組分精餾計算。但若用手工計算當然相當繁複，尤其是所計算的塔板數較多時更是如此。由於電子計算機的廣泛套用，原來十分繁瑣的方法現在已變成了一種簡捷可靠的方法。
圖解法
圖解法求理論塔板數的依據，仍然是平衡關係式和操作線方程，不過是用曲線代替了代數方程．用簡便的繪圖方法代替了逐板計算而已。此法可按下述步驟進行(見圖3.27)：
①按物系的平衡關係在 y-x 圖中作出平衡曲線和對角線。
②在 y-x 圖上作出q線和精餾段及提餾段的操作線。
⑧由操作線上a點（x = xD，y = y1= xD）出發，作x軸的平行線交平衡曲線於1點（y = y1，x = x1）．再由1點作垂線交操作線於m點（x = x1，y = y2），即得一個梯級。以此類推，直至梯級的垂線到達或小於xW（即落在或超過b點時為止）。每一梯級表示一塊理論塔板。通過d點的梯級為加料板，在加料板處（x ≤ xF）要換操作線。加料板以上的梯級數為精餾段理論塔板數，加料板以下（包括加料板和塔釜在內）的梯級數為提餾段理論塔板數。在圖3.27所示的情況中，共有9塊理論塔板。塔釜相當於一塊理論板，應加以扣除，則該塔只需8塊理論塔板。精餾段與提餾段的理論塔板數分別為4.5塊和3.5塊。
圖解法雖與逐板計算法的依據相同，但較為簡便，且直觀，便於對過程進行分析比較，但計算的精確度較差，尤其是對於相對揮發度較小而所需理論塔板數較多的場合更是如此。
簡捷算法
吉利蘭(Gilliland)關聯圖
前面講到回流比的兩個極限：Rmin與全回流，與此對應，回流比為Rmin時所需的理論板數為無窮多，全回流時所需的理論板數Nmin為最少，實際回流比R在Rmin與無窮大之間．理論板數N在Nmin與無窮多之間。
根據對物系的分離要求，用前述方法很容易計算出Rmin和Nmin，困難在於如何按照選定的回流比R，求算所需的理論塔板數N。通過對R，N，Rmin和Nmin之間關係的廣泛研究，得出表示上述4個參數的相互關聯圖(圖3.33)，此圖稱為吉利蘭圖。圖中N與Nmin為不包括再沸器的理論板數。
套用吉利蘭圖可以簡便地計算出精餾所需的理論板數，這種方法稱為簡捷法。它的另一個優點是也可以用於多組分精餾的計算。這種方法的誤差較大，一般只能對所需理論板數作大致的估計，因為簡便，所以在初步設計或進行粗略估算時常常使用。
簡捷法求理論塔板數的步驟
1.根據物系性質及分離要求，求出Rmin，選擇合適的R。
2.求出全回流下所需理論板數Nmin。對於接近理想體系的混合物，可以套用芬斯克方程計算。
3.套用吉利蘭圖，以（R - Rmin）/（R+1）為橫坐標，由該圖查得縱坐標（N - Nmin）/（N+2），即可求出所需理論板數N。
