第三章_多组分精馏.ppt

第3章 多组分精馏和特殊精馏,主要内容及要求： 1. 掌握设计变量的确定方法； 2. 深入理解多组分精馏过程，会分析； 3. 掌握多组分精馏的简捷计算方法； 4. 掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析 5. 掌握吸收过程的简捷计算方法3.1 设计变量 3.2 多组分精馏过程 3.3 萃取精馏 3.4 共沸精馏 3.5 反应精馏和加盐精馏,第3章 多组分精馏和特殊精馏,√,√,√,√,√,3.1 设计变量,3.1.1 单元的设计变量 3.1.2 装置的设计变量,设计变量：设计前需预先给定数值的变量 设计变量数：设计变量数的个数例如二元精馏：可解出：N，…,,对于复杂体系变量如何确定？,确定设计变量数遵循的一般原则：Ni = NV － NC设计变量数 系统的独立 变量之间的变量数 约束关系数,,,,变量数NV： ＝出入物流的独立变量数＋能量交换数,约束关系数NC ： 物料平衡式有C个组分，可建立C个物料平衡式； 能量平衡式每个系统只有一个能量平衡式； 相平衡关系式可建立C（∏－1）相平衡关系式； 化学平衡式对无化学反应系统，化学平衡式为O； 其它内在关系约定的关系，如物料温度、压力相等。

3.1.1 单元的设计变量,将复杂化工装置分解成简单单元：,确定单元的设计变量数遵循的一般原则：Nie = NVe － NCe,例1.分配器,设计变量数分为：固定设计变量数NXe 进料物流变量数＋系统压力；可调设计变量数Nae除NXe 的其他变量数Nie = NXe － Nae,例2.产物为两相的全凝器,例3. 绝热简单平衡级,3.1.2 装置的设计变量,例4. 简单吸收塔（N块理论板串级）,∴吸收塔设计变量：,指定为理论板数 或关键组分吸收率,例5. 简单精馏塔,查表3—1：,9股单元物流数；,对精馏塔归纳出简便、可靠的确定设计变量的方法：（1）按每一单相物流有（C+2）个变量，计算由进料物流所确定的固定设计变量数2）确定装置中具有不同压力的数目3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单元数目及传热单元数目相加，便是整个装置的可调设计变量例6. 带一个侧线采出口的精馏塔设塔内与进料压力相等,3.1 多组分精馏过程,3.2.1 多组分精馏过程分析 3.2.2 最小回流比 3.2.3 最少理论塔板数和组分分配 3.2.4 实际回流比和理论板数 3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法,3.2.1 多组分精馏过程分析,一、关键组分（Key Components）,Na=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线采出(0)＋传热单元(2)= 5 (可调设计变量）,已被指定的可调变量： （1）进料位置；（2）回流比；（3）全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。

剩余的2个可调设计变量往往用来指定组分在馏出液和釜液中的浓度对于两组分精馏，指定馏出液中一个组分的浓度，就确定了馏出液的全部组成；指定釜液中一个组分的浓度，也就确定了釜液的全部组成对于多组分精馏，待定设计变量数仍是2，所以只能指定两个组分的浓度，其他组分的浓度则相应确定通常，把由设计者指定分离要求的这2个组分称为 关键组分精馏塔的任务：LK尽量多的进入塔顶馏出液；HK尽量多的进入塔釜釜液对于精馏中的非关键组分：设 为非关键组分i对HK的相对挥发度多组分精馏物系组成：,轻非关键组分（LNK），轻组分轻关键组分（LK）中间组分重关键组分（HK）重非关键组分（HNK），重组分,关键组分的特点: ◆LK和HK形成分离界线，且 越小，分离越难 ◆精馏中：LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制；HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制 ◆只有无LNK，且 较大，塔顶可采出纯LK只有无HNK，且 较大，塔釜可采出纯HK关键组分的指定原则：由工艺要求决定,例：ABCD（按挥发度依次减少排列）混合物分离◆工艺要求按AB与CD分开：,则：B为LK；C为HK,◆工艺要求先分出A：,则：A为LK；B为HK,根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为分配组分(distributing component)和非分配组分(nondistribution component)。

清晰分割(sharp split or sharp separation)：馏出液中除了重关键组分之外，没有其它重组分；釜液中除了轻关键组分之外，没有其它轻组分什么情况下可以达到清晰分割？两个关键组分的相对挥发度相邻且分离要求严格，或非关键组分的相对挥发度与关键组分相差较大时，可以达到清晰分割二、多组分精馏过程特征,对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，作逐板计算，无需试差对于多组分精馏，由于不能指定全部组成，所以需先假设一端的组成，再通过反复试差求解下面通过实例分别对二组分精馏和多组分精馏过程分析进行比较二组分精馏实例：苯－甲苯,图3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布,除进料板处液体流率有突变外，各段的摩尔流率基本上为常数,三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯,图3-2 三组分精馏流量分布,图3-3 三组分精馏温度分布,液汽比L/V接近常数！,四组分精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯,图3-6 四组分精馏液相组成分布,多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：,（1）关键组分含量存在极大值；,（2）非关键组分通常是非分配的， 即重组分通常仅出现在釜液中， 轻组分仅出现在馏出液中；,（3）重、轻非关键组分分别在进料板下、上 形成几乎恒浓的区域；,（4）全部组分均存在于进料板上，但进料板 含量不等于进料含量。

各组分的浓度分布曲线在进料板处不连续精馏过程的内在规律：,在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成，而总的级间流量分布则主要反映了热衡算的限制精馏过程的内在规律，严格计算的基础3.2.2 最小回流比,恒浓区（夹点）—精馏塔中全部浓度不变的区域二元精馏：,恒浓区：一个，出现在进料板,最小回流比时：,多元精馏特点：▼各组分相互影响，存在上、下恒浓区；▼所有进料组分中有非分配组分的影响；▼恒浓区位置不一定在进料板处多组分精馏中的恒浓区,（1）轻、重组分均为非分配组分：,进料板以上必须紧接着有若干塔板使重组分的浓度降到零，这一段不可能是恒浓区，恒浓区向上推移而出现在精馏段的中部同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：,（3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：,（4）轻、重组分均为分配组分：,最小回流比条件下会出现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板 如何计算最小回流比？,计算 的Underwood（恩德伍德）公式：,该法假设：1.恒摩尔流2. 在全塔可看成常数,依据：恒浓区概念,关联式：相平衡、物料平衡,Underwood公式：,（3-1）,i —组分i 的相对挥发度； (xiD)m —最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数； xiF —进料中组分i的摩尔分数； q —进料热状态参数（进料液相分率）；  —方程的根。

以全回流下的xiD代替,取LK>>HK的根,，最后取平均值3.2.3 最少理论板数和组分分配,1.最少理论板数,1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料全回流对应最少理论板数，但全回流下无产品采出，因此正常生产中不会采用全回流什么时候采用全回流呢？,2、在实验室设备中，研究传质影响因素3、工程设计中，必须知道最少板数计算最少理论板数的Fenske（芬斯克）方程：,推导前提： 1、塔顶采用全凝器；（若采用分凝器，则分凝器为第1块塔板）；2、所有板都是理论板从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：,（3-2）,对第2块板作物料衡算：,,因此：,同理：,两式相除，可得：,代入（3-2）式：,（3-2）,可得：,再由相平衡关系可得：,由物料衡算：,可得：,依此类推到塔釜：,（3-7）,定义AB为相对挥发度的几何平均值：,代入（3-7）式，可解出最少理论板数Nm：,（3-8）,Fenske方程,几点说明：,2、相对挥发度,（1）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性2）AB 的近似处理：,1）两点平均：,2）三点平均：,3）单点值,1、推导中未作任何假设，因而是严格的3、方程的变形形式：,摩尔分率可用摩尔数，体积或重量比来代替，因为换算因子可以相互抵消，得到另一种常用的一般形式：,4、Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。

5、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关6、Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数和组分分配1）进料板位置：把进料当作塔顶（或塔釜）2）各段理论板数：,（3）组分分配：将Fenske方程变形可得各组分流量分配分离要求的给出形式：,（1）规定关键组分在塔顶和塔釜的百分含量代入以含量表示的Fenske方程：,（2）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率代入以回收率表示的Fenske方程：,（3-9）,（3-13）,对于无中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的体系，先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割清晰分割假定比较适用的情况：轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比LK的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥发度小得多几点注意：,p103例［3-2］和例［3-3］,对于有中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、E(HNK) 组成的体系，则根据C的相对挥发度是靠近B还是靠近D来假定C在塔顶和塔釜的分配列方程；,将D、W代入表中，完成物料衡算表（略）,2. 求最少理论板数,3. 核实清晰分割的合理性,4. 调整 以前面结果为初值，进行试差,例3－3：计算已知：1。

2. 分离要求,解：选甲苯为LK，异丙苯为HK，二甲苯为中间关键组分物料分配时要对二甲苯试差1. 设 （依据相对挥发度估计），其他组分按清晰分割法处理，初算结果如下表2. 由初算结果核算,核算中间组分：,核算LNH组分B：,核算中间组分：,5. 重复3的计算，完善物料衡算表,3.2.4 实际回流比、理论板数、进料位置,一、实际回流比R 塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件； 回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的重要因素； 回流比是精馏过程设计计算的重要参数由经验取： R =（1.1～1.5）Rm,当 R >ROP ，总费用 随R的增大而急剧增加；当R < ROP ，总费用随 R的减少而急剧增加二、理论板数,有了实际回流比和最少理论板数，求实际理论板数常用的经验方法有： Gilliland图、Erbar-Maddox图适用于相对挥发度变化不大的情况,适用于非理想性较大的情况,图3-9 Gilliland图 图3-10 Erbar-Mddox,用Gilliand图简便、但不准确，回归的经验式为：,已知X，由（3－16）或（3－17）解出y,在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等与在全回流下用Fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。

三、适宜进料位置的确定,例3-4 分离烃类混合物例3-1 求出Rm=1.306；例3-2求出Nm=6.805和物料衡算表；本题求N，进料位置 解：1.求R R=1.25Rm=1.634,3. 确定进料位置,塔中实际板为18块,运用Fenske方程，采用进料和馏出液中关键组分的摩尔比计算精馏段Nm。