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第三章 多组分精馏本讲稿第一页，共三十七页2第三章第三章 气液传质分离过程气液传质分离过程3.2 3.2 多组分精馏多组分精馏多组分精馏过程分析一些基本概念塔压选择、计算最小理论塔板数及组分分配：Fenske方程最小回流比：Underwood方程实际回流比与理论板数：Gilliland图多组分精馏塔的简捷计算方法本讲稿第二页，共三十七页上节课内容回顾核实闪蒸问题的判断条件 TBTTD 闪蒸计算重要方程：Rachford-Rice方程Ki值与组成无关的等温闪蒸计算过程nKi值与组成相关的等温闪蒸计算框图n绝热闪蒸计算框图本讲稿第三页，共三十七页一、多组分精馏过程分析Rectifying section精馏段Stripping section提馏段Countercurrent逆流逆流泡沫本讲稿第四页，共三十七页1.多组分精馏塔的设计变量本讲稿第五页，共三十七页1.多组分精馏塔的设计变量本讲稿第六页，共三十七页1.多组分精馏塔的设计变量固定设计变量：所有进入物流的变量 （每股物流C+2个）：C+2所有组件和单元的压力：N+2所有组件和单元的传热流率（除冷凝器和再沸器外）：0p合计：N+C+4 可调设计变量：5 本讲稿第七页，共三十七页1.多组分精馏塔的设计变量可调设计变量：5（p63）本讲稿第八页，共三十七页2.2.多组分精馏特性多组分精馏特性9计算方法上：计算方法上：对于二元精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，对于二元精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，作逐板计算，无需试差。作逐板计算，无需试差。对于多元精馏，由于不能指定全部组成，所以需先假设对于多元精馏，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。一端的组成，再通过反复试差求解。二元精馏二元精馏 vs 多元精馏多元精馏在塔内流率，温度和浓度分布上也有不同。在塔内流率，温度和浓度分布上也有不同。本讲稿第九页，共三十七页benzene-toluene10二组分精馏流率、温度、浓度分布二组分精馏流率、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.本讲稿第十页，共三十七页 benzene(LK)-toluene(HK)-isopropyl benzene11图图3-5 3-5 三元精馏流量分布三元精馏流量分布图图3-6 3-6 三元精馏温度分布三元精馏温度分布液气比液气比L/V接近常数接近常数本讲稿第十一页，共三十七页benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropyl benzene12图图3-7 3-7 四元精馏液相组成分布四元精馏液相组成分布Z1=0.125Z2=0.225Z3=0.375Z4=0.275a12=2.25a22=1.00a32=0.33a42=0.21本讲稿第十二页，共三十七页Summary3.多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别13（1 1）关键组分含量存在极大值；关键组分含量存在极大值；（2）非关键组分通常是非分配的，）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，即重组分通常仅出现在釜液中，轻组分仅出现在馏出液中；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）重、轻非关键组分分别在进料板下、上 形成几乎恒浓的区域；形成几乎恒浓的区域；（4 4）全部组分均存在于进料板上，但进料板）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。曲线在进料板处不连续。本讲稿第十三页，共三十七页144.小结：小结：（一）沿塔高方向的温度分布（一）沿塔高方向的温度分布n在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成。在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成。沿塔高方向自下而上温度递减沿塔高方向自下而上温度递减本讲稿第十四页，共三十七页15n级间流率分布与热量衡算密切相关。级间流率分布与热量衡算密切相关。影响因素较多，总效应很复杂，难以归纳出一影响因素较多，总效应很复杂，难以归纳出一个通用的规律。个通用的规律。假设塔内恒摩尔流近似成立。假设塔内恒摩尔流近似成立。小结：小结：（二）沿塔高方向的汽液流率分布（二）沿塔高方向的汽液流率分布本讲稿第十五页，共三十七页16n对于两组分精馏，指定馏出液中对于两组分精馏，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，也就确定了釜液的组分的浓度，也就确定了釜液的全部组成。全部组成。对于多组分精馏，遇到的关键问题是塔顶和对于多组分精馏，遇到的关键问题是塔顶和塔底产品的组成和量无法全部预先确定。塔底产品的组成和量无法全部预先确定。小结：小结：（三）沿塔高方向的浓度分布（三）沿塔高方向的浓度分布本讲稿第十六页，共三十七页二、一些基本概念1.关键组分：对多组分精馏来说，通常把指定浓度的两个组分称为关键组分。n轻关键组分：相对易挥发的关键组分称为轻关键组分（LNK）n重关键组分：难挥发的关键组分称为重关键组分（HNK）n轻非关键组分：相对挥发度比轻关键组分大的组分（将全部或接近全部进入馏出液）n重非关键组分：相对挥发度比重关键组分小的组分（将全部或接近全部进入釜液）n中间组分：本讲稿第十七页，共三十七页1.关键组分根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为为n非分配组分非分配组分：只只在塔顶或塔釜在塔顶或塔釜出现出现的组分的组分n分配组分分配组分：在塔顶和塔釜：在塔顶和塔釜均出现均出现的组分的组分轻非关键组分（轻非关键组分（light nonkey component,LNK）轻组分）轻组分轻关键组分（轻关键组分（LK）中间组分中间组分(intermediate component,relative volatility between the two key components)重关键组分（重关键组分（HK）重非关键组分（重非关键组分（heavy nonkey component,HNK）重组分）重组分Relative volatilitylowhigh本讲稿第十八页，共三十七页1.关键组分n计算时，如何确定关键组分？n一般来说，给定了分离要求的组分为关键组分，如例3-3（p73）/例3-4（p75）n只给定了一个组分的分离要求，而其他组分不作任何要求时，一般选择相邻组分作为关键组分本讲稿第十九页，共三十七页二、一些基本概念n2.清晰分割：馏出液中除了重关键组分外，没有其它重组分；釜液中除了轻关键组分外，没有其它轻组分。n3.最小回流比：在无穷多塔板数的条件下达到关键组分预期分离所需要的回流比。n4.最小理论板数：全回流操作下达到关键组分预期分离所需要的理论板数。本讲稿第二十页，共三十七页21最少理论板数（最少理论板数（N Nm m）和全回流）和全回流1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。、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。中不会采用全回流。什么时候采用全回流呢？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。、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。、工程设计中，必须知道最少板数。本讲稿第二十一页，共三十七页三、塔压选择、计算n参考书np402本讲稿第二十二页，共三十七页1.确定精馏塔压力和冷凝器类型的算法本讲稿第二十三页，共三十七页2.经验常数可假定n冷凝器的压降：014 kPan塔的总压降：35 kPa或n单板压降：0.7 kPa（常压或高压塔）0.35 kPa（负压操作的塔）或者轻烃3.5mmHg左右，即400500Pa本讲稿第二十四页，共三十七页2.经验常数n如果可能，按最低温度49（对应于用水作为冷却介质）计算获得在02.86MPa之间的回流罐压力pDnpD1.48MPa时，推荐使用全凝器npD2.52MPa时，推荐使用冷冻剂，以使pD两点平均两点平均2三点平均三点平均3单点值单点值本讲稿第二十九页，共三十七页302.另一种形式另一种形式 摩尔分率用摩尔数、体积或重量比来代替。摩尔分率用摩尔数、体积或重量比来代替。d/b:分配比分配比;d:馏出物中组分的流率（摩尔或质量）馏出物中组分的流率（摩尔或质量）;b:塔底产物塔底产物中组分的流率（摩尔或质量）中组分的流率（摩尔或质量）几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：本讲稿第三十页，共三十七页313.Nm只与分离要求有关，而与进料组成无关。只与分离要求有关，而与进料组成无关。The minimum number of equilibrium stages depends on the degree of separation of the two key components and their relative volatility,but is independent of feed-phase condition.几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：本讲稿第三十一页，共三十七页324.Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段理论方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数和组分分配。板数和组分分配。Fenske equation can be used for calculating feed-stage location,number of equilibrium stages of rectifying section and stripping section,and component distributions.几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：feed-stage location：by replacing feed as the column top(or bottom)把进料当作塔顶（或塔釜）把进料当作塔顶（或塔釜）本讲稿第三十二页，共三十七页用Fenske方程计算组分分配n为精确计算，上两个式子应用于计算bi和di中较小的那个，另一个最好用总物料衡算求得。本讲稿第三十三页，共三十七页345.5.分离要求的给出形式：分离要求的给出形式：（1 1）规定关键组分在塔顶和塔釜的摩尔分数。）规定关键组分在塔顶和塔釜的摩尔分数。（2 2）规定关键组分在塔顶和塔釜的流出量。）规定关键组分在塔顶和塔釜的流出量。(3-7)几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：(3-4)本讲稿第三十四页，共三十七页355.5.分离要求的给出形式：分离要求的给出形式：（3 3）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。（3-113-11）几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：本讲稿第三十五页，共三十七页36对于无中间组分的体系：对于无中间组分的体系：如如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的组成的体系，体系，先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否符合清晰分割先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否符合清晰分割的假设。的假设。清晰分割假定比较适用的情况：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，轻组分的挥发度比轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比LK的的挥发度大得多，而重组分的挥发度比挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥发度小得多。的挥发度小得多。Notes：对于有中间组分的体系：对于有中间组分的体系：如如A(LNK)、B(LK)、C(C(中间组分中间组分)、D(HK)D(HK)、E(HNK)E(HNK)组成组成的的体系，则根据体系，则根据C的相对挥发度是靠近的相对挥发度是靠近B还是靠近还是靠近D来假定来假定C在塔顶和塔釜的分配。在塔顶和塔釜的分配。本讲稿第三十六页，共三十七页p73p73例例3-33-3和例和例3-43-4本讲稿第三十七页，共三十七页