化工分离过程课件第3章气液传质分离过程.pptx

1传传 质质 分分 离离 过过 程程第三章第三章 气液传质分离过程气液传质分离过程主要内容及要求：主要内容及要求：1.掌握设计变量的确定方法；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；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；掌握多组分精馏的简捷计算方法；4.4.掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析；掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析；5.5.掌握吸收过程的简捷计算方法。掌握吸收过程的简捷计算方法。2第三章第三章 气液传质分离过程气液传质分离过程3.1设计变量设计变量3.2多组分精馏多组分精馏3.3特殊精馏特殊精馏3.4间歇精馏间歇精馏3.5吸收与解吸吸收与解吸 33.1设计变量设计变量IndependentDesignVariables物理量：物理量：流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机械功、传热面积、理论板数等。荷、机械功、传热面积、理论板数等。设计前需预先给定数值的变量称为设计前需预先给定数值的变量称为设计变量设计变量。设计变量的个数称为设计变量的个数称为设计变量数设计变量数。例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道确定的方法。确定的方法。设计前需给定数值的变量设计前需给定数值的变量 4Total condenserRefluxdrumTopstageBottomstageFeedstageOverhead vapor5FeedstreamflowrateAconcentrationinfeedFeedconditionindistillationpressureAorBconcentrationindistillateAorBrecoveryratioinbottomsRefluxratioNumberoftheoreticalstages(feedstagelocation)Heatduties(totalcondenser&reboiler)calculationKnown variablesSpecified variables已知变量规定变量6设计变量数ND:independent design variables变量总数NV:all pertinent variables约束关系数Nc:the total number of independent equations relating the variables强度变量：intensive variables,such as temperature,pressure,concentration容度变量：extensive variables,such as stream flow rate,heat transfer rate设备参数：equipment parameters,such as the number of equilibrium stages7确定设计变量数遵循的一般原则：确定设计变量数遵循的一般原则：CVDNNN-=设计变量数设计变量数 系统的系统的总变量数总变量数 变量之间的变量之间的约束关系数约束关系数 8VN出入物流变量数能量交换数（热、功）出入物流变量数能量交换数（热、功）(1)(1)物流变量数物流变量数 任一物流的自由度任一物流的自由度：2+-=Cf组分数组分数 相数相数 对于单相流股：对于单相流股：1=1+=Cf完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。因此对于任一单相流股独立变量数：因此对于任一单相流股独立变量数：21)1(+=+=CCNV(2)(2)能量交换数能量交换数 系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有一股功交换时，应增加两个变量数。一股功交换时，应增加两个变量数。系系统统的的总总变变量量数数9CN依据约束关系式依据约束关系式(1)(1)物料衡算式物料衡算式 有有C C个组分的系统，能够建立个组分的系统，能够建立C C个物料衡算式。个物料衡算式。(2)(2)能量衡算式能量衡算式 (3)(3)相平衡关系式相平衡关系式 (4)(4)化学反应平衡式化学反应平衡式 (5)(5)内在关系式内在关系式 每个系统只有每个系统只有1 1个能量衡算式。个能量衡算式。根据相平衡条件根据相平衡条件(逸度相等、压力相等、温度逸度相等、压力相等、温度相等相等)能够建立能够建立 C(C(-1)+2 1)+2 个相平衡关系式。个相平衡关系式。对于无化学反应的系统，化学平衡关系式数为对于无化学反应的系统，化学平衡关系式数为0 0。约定的关系，如：物料温度、压力相等。约定的关系，如：物料温度、压力相等。约约束束关关系系数数103.1.1单元的设计变量单元的设计变量3.1.2装置的设计变量装置的设计变量113.1.1单元的设计变量单元的设计变量Designvariablesforelements 一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可以分解为多个进行简单过程的单元。可以分解为多个进行简单过程的单元。确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：单元单元装置装置流程流程eceveDNNN-=12例例1.绝热分配器绝热分配器出入物流变量数：出入物流变量数：LL1L2（C+2C+2）3 3能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv=3C+6=3C+6物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 10 00 0L L1 1和和L L2 2的的T T、P P、组分浓度相等、组分浓度相等 2 2C-1C-1NcNc=2C+2=2C+2N ND De e=N Nv ve eN Nc ce e =C+4 =C+4VNeCNe13设计变量设计变量N ND D可进一步分为：可进一步分为：固定设计变量固定设计变量N Nx x可调设计变量可调设计变量N Na aN Nx x=进料物流变量数系统的压力进料物流变量数系统的压力固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1LL1L2分配器分配器可调设计变量可调设计变量N Na a=N ND D-N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1分配比分配比N ND D-N Nx x14例例2.产物为两相的全凝器产物为两相的全凝器出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）3 3能量交换数：能量交换数：1 1+)+)NvNv=3C+7=3C+7物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc=2C+3=2C+3N ND De e=N Nv ve eN Nc ce e =C+4 =C+4VL1L2QVNeCNe15固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1可调设计变量可调设计变量N Na a=N ND D-N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q产物为两相的全凝器产物为两相的全凝器如单元温度或引入的冷量如单元温度或引入的冷量16例例3.绝热操作的简单平衡级绝热操作的简单平衡级出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）4 4能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv=4C+8=4C+8物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc=2C+3=2C+3N ND De e=N Nv ve eN Nc ce e =2C+5 =2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)+)17固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力进料压力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可调设计变量可调设计变量N Na a=N ND D-N Nx x=(2C+5)-(2C+5)=0=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L0绝热操作的简单平衡级绝热操作的简单平衡级18例例4.有侧线采出的平衡级有侧线采出的平衡级出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）5 5能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv=5C+10=5C+10物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(-1)+2=C+2-1)+2=C+20 0C+1C+1NcNc=3C+4=3C+4N ND De e=N Nv ve eN Nc ce e =2C+6 =2C+6VNeCNe+)+)V0V1L1L0S19固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力进料压力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可调设计变量可调设计变量N Na a=N Ni i-N Nx x=(2C+6)-(2C+5)=1=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有侧线采出的平衡级有侧线采出的平衡级侧采量侧采量20思考题思考题1：混和器的设计变量数：混和器的设计变量数F3F1F2思考题思考题2：再沸器的设计变量数：再沸器的设计变量数LVLQ掌握掌握p58-59p58-59表表3-13-1213.1.2设备设备的设计变量的设计变量Designvariablesforunits uauxuDNNN+=uxN进料物流变量数进料物流变量数+压力等级数压力等级数 =uaN分配器数分配器数+侧线采出侧线采出+传热单元传热单元+串级数串级数22例例1.简单精馏塔（塔内无压降）简单精馏塔（塔内无压降）进料变量数进料变量数：C+2C+2压力等级数压力等级数：1 1+)+)C+3 C+3分配器数分配器数：侧线采出侧线采出：传热单元传热单元：串级数串级数：0 00 01 12 23 3xNuaNu+)+)FQ23例例2.有侧采的精馏塔有侧采的精馏塔进料变量数：进料变量数：C+2C+2压力等级数：压力等级数：1 1+)+)C+3 C+3分配器数：分配器数：侧线采出：侧线采出：传热单元：传热单元：串级数：串级数：1 11 12 23 37 7xNuaNu+)+)FQWQC全凝器全凝器塔内无压降塔内无压降24思考题：计算以下装置的设计变量思考题：计算以下装置的设计变量F1QWQC全凝器全凝器塔内无压降塔内无压降F2253.1.3流程流程的设计变量的设计变量Designvariablesforprocesses axDNNN+=xN进料物流变量数进料物流变量数+压力等级数压力等级数 =aN分配器数分配器数+侧线采出侧线采出+传热单元传热单元+串级数串级数26例例1.吸收吸收-解吸流程解吸流程进料变量数：进料变量数：C+2C+2+3 3压力等级数：压力等级数：2 2+)+)C+7 C+7分配器数：分配器数：侧线采出：侧线采出：传热单元：传热单元：串级数：串级数：0 00 03 32 25 5xNaNu+)+)蒸汽蒸汽27（C+12）个设计变量的选择）个设计变量的选择情况情况1：（1）吸收塔和解吸塔的操作压力；）吸收塔和解吸塔的操作压力；2（2）气体原料的流率、组成、进料温度和压力；）气体原料的流率、组成、进料温度和压力；C+2（3）水蒸气的流率、进料温度和压力；）水蒸气的流率、进料温度和压力；3（4）吸收塔和解吸塔的塔板数；）吸收塔和解吸塔的塔板数；2（5）三个换热器各自的一个出口温度。）三个换热器各自的一个出口温度。328情况情况2：（1）固定设计变量的规定与）固定设计变量的规定与“情况情况1”的的相同；相同；C+7（2）吸收塔出口气中）吸收塔出口气中CO2的摩尔分数；的摩尔分数；1（3）解吸塔出口气中）解吸塔出口气中CO2的摩尔分数；的摩尔分数；1（4）三个换热器的换热面积。）三个换热器的换热面积。3自学自学p66例例3-2双塔共沸精馏流程双塔共沸精馏流程29例例2.双塔共沸精馏流程双塔共沸精馏流程进料变量数：进料变量数：4 4+3 3压力等级数：压力等级数：1 1+)+)8 8分配器数：分配器数：侧线采出：侧线采出：传热单元：传热单元：串级数：串级数：0 00 02 23 35 5xNaNu+)+)蒸汽蒸汽原料原料305个可调设计变量的选择个可调设计变量的选择情况（1）：三个串级各自的级数 3；再沸器的蒸发速率 1；冷凝器的过冷温度 1。情况（2）：异丙醇塔釜液中异丙醇的摩尔分数 1；水塔釜液中异丙醇的摩尔分数 1；异丙醇塔的最适进料位置 1；再沸器的蒸发速率 1；冷凝器的过冷温度 1。31作业：作业：p141第第2题题32设计变量数的确定设计变量数的确定CVDNNN-=VN出入物流变量数出入物流变量数CN物料衡算式物料衡算式能量衡算式能量衡算式相平衡关系式相平衡关系式化学反应平衡式化学反应平衡式内在关系式内在关系式能量交换数（热、功）能量交换数（热、功）xN进料物流变量数进料物流变量数压力等级数压力等级数xN分配器数分配器数换热单元数换热单元数侧线采出数侧线采出数串级数串级数33混合器混合器出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）3 3能量交换数：能量交换数：0 0+)+)3C+63C+6物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 10 00 00 0C+1C+1N ND De e=N Nv ve eN Nc ce e =2C+5 =2C+5VNeCNe+)+)F3F1F2Nx=进料压力进料压力=2(C+2)+12C5Na=ND-Nx =(2C+5)-(2C+5)=034再沸器再沸器出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）3 3能量交换数：能量交换数：1 1+)+)3C+73C+7物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C+2C+20 00 02C+32C+3N ND De e=N Nv ve eN Nc ce e =C+4 =C+4VNeCNe+)+)Nx=进料压力进料压力=(C+2)+1C+3Na=ND-Nx =(C+4)-(C+3)=1LVLQ35精馏塔（塔内无压降）精馏塔（塔内无压降）进料变量数进料变量数：2(C+2)2(C+2)压力等级数压力等级数：1 1+)+)2C+5 2C+5分配器数分配器数：侧线采出侧线采出：传热单元传热单元：串级数串级数：1 11 12 24 48 8xNuaNu+)+)F1QWQC全凝器全凝器塔内无压降塔内无压降F2363.2多组分精馏多组分精馏MulticomponentDistillation3.2.1 3.2.1 多组分精馏多组分精馏过程分析过程分析(ProcessAnalysis)3.2.2 3.2.2 最小回流比最小回流比 (M(MinimumRefluxRatio)3.2.3 3.2.3 最少理论塔板数和组分最少理论塔板数和组分分配分配(MinimumNumberofEquilibriumStagesandComponentDistribution)3.2.4 3.2.4 实际回流比和理论板数实际回流比和理论板数 (ActualRefluxRatioandActualNumberofEquilibriumStagesorTheoreticalStages)3.2.5 3.2.5 多组分精馏的简捷多组分精馏的简捷计算方法计算方法(ApproximateMethodforMulticomponentandMultistageDistillation)37Rectifying section精馏段Stripping section提馏段Countercurrent逆流逆流泡沫383.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析Process Analysis for Multicomponent Distillation一、关键组分（一、关键组分（KeyComponents）二、多组分精馏特性二、多组分精馏特性分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。39一、关键组分（一、关键组分（KeyComponents）FNa=串级数串级数(2)分配器分配器(1)侧线采出侧线采出(0)传热单元传热单元(2)=5已被指定的可调变量：已被指定的可调变量：（1 1）进料位置）进料位置 feedstagelocation；（2 2）回流比）回流比 refluxratio；（3 3）全凝器饱和液体回流或冷凝器的）全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。传热面积或馏出液温度。heattransferareaofthecondenserorcondensatetemperature(i.e.,saturatedliquid)余下的余下的2 2个可调个可调设计变量一般用设计变量一般用来指定某个组分来指定某个组分在馏出液和另一在馏出液和另一个组分在釜液中个组分在釜液中的浓度。的浓度。（不论有多少个组分）轻关键组分（轻关键组分（Lightkeycomponent,LK),highrelativevolatility重关键组分（重关键组分（Heavykeycomponent,HK),lowrelativevolatility轻非关键组分（轻非关键组分（lightnonkey 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(intermediatecomponent,relativevolatilitybetweenthetwokeycomponents)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Concentrationofonecomponentindistillate;Andconcentrationofanothercomponentinbottom两个关键组分两个关键组分TwokeycomponentsRelativevolatilitylowhigh41分配组分分配组分(distributing component)simultaneously appear in bottoms and distilate非分配组分非分配组分(nondistribution component)heavy component only appear in bottomslight component only appear in distilate 清晰分割清晰分割(sharpsplitorsharpseparation)：馏出液中除了重关键组分外，没有其它重组分；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。釜液中除了轻关键组分外，没有其它轻组分。根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为分配组分分配组分和和非分配组分非分配组分。42 两个关键组分的相对挥发度相邻且分离两个关键组分的相对挥发度相邻且分离要求苛刻，或非关键组分的相对挥发度与要求苛刻，或非关键组分的相对挥发度与关键组分相差较大时，可达到清晰分割。关键组分相差较大时，可达到清晰分割。问题：什么情况下可达到清晰分割？问题：什么情况下可达到清晰分割？43二、多组分精馏特性二、多组分精馏特性计算方法上：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。端出发，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。需先假设一端的组成，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。44二元精馏实例：苯甲苯二元精馏实例：苯甲苯benzene-toluene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.45三组分精馏实例：苯三组分精馏实例：苯(LK)(LK)甲苯甲苯(HK)(HK)异丙苯异丙苯 benzene(LK)-toluene(HK)-isopropylbenzene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46四元精馏实例：苯甲苯四元精馏实例：苯甲苯(LK)(LK)二甲苯二甲苯(HK)-(HK)-异丙苯异丙苯 benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropylbenzene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=0.2147Summary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（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。48精馏塔内温度分布和流量分布的规律：精馏塔内温度分布和流量分布的规律：在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组在精馏塔中，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成，而总的级间流量分布则主要反映了热衡算的限制。衡算的限制。精馏过程的内在规律，严格计算的基础。精馏过程的内在规律，严格计算的基础。49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p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50p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，难以归影响因素较多，总效应很复杂，难以归纳出一个通用的规律。纳出一个通用的规律。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51p对于两组分精馏，指定馏出液中一个组分的浓度，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。分的浓度，也就确定了釜液的全部组成。对于多组分精馏，遇到的关键问题是塔顶对于多组分精馏，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。和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523.2.2 最小回流比（最小回流比（Rm）最小回流比：最小回流比：在无穷多塔板数的条件下达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到关键组分预期分离所需要的回流比。流比。533.2.2 最小回流比（最小回流比（Rm）二元精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区（二元精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区（1 1个个）(constant-compositionzone)或称夹点或称夹点(pinchpoint)。Foratypicalidealornear-idealsystem,pinchpointatthefeedstage.Forahighlynon-idealsystem,pinchpointmayoccuratastageaboveorbelowthefeedstage.543.2.2 最小回流比（最小回流比（Rm）多组分精馏：多组分精馏：最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键组分的存在，恒浓区出现的部位要较二组分精馏组分的存在，恒浓区出现的部位要较二组分精馏复杂。复杂。二组分精馏：二组分精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。恒浓区恒浓区55多组分精馏中的恒浓区多组分精馏中的恒浓区（1）轻、重组分均为非分配组分：）轻、重组分均为非分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区进料板以上必须紧接着有若干塔板使重组分的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塔段的中部。同理，轻向上推移而出现在精馏塔段的中部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。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：重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区（3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区（4）轻、）轻、重组分均为分配组分：重组分均为分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区58多组分精馏中的夹点位置多组分精馏中的夹点位置Location of pinch-point zones（1 1）轻、重组分均为非分配组分）轻、重组分均为非分配组分重重 组组 分分恒浓区恒浓区轻轻组组分分恒浓区恒浓区重重组组分分恒浓区恒浓区轻轻 组组 分分恒浓区恒浓区重重组组分分恒浓区恒浓区轻轻组组分分恒浓区恒浓区重重组组分分恒浓区恒浓区轻轻组组分分恒浓区恒浓区（4）轻、重组分均为分配组分）轻、重组分均为分配组分(allcomponentsdistributed)（2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分）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）重组分为分配组分,轻组分非为分配组分轻组分非为分配组分有两个有两个“夹点夹点”少少见见59最小回流比条件下会出现最小回流比条件下会出现恒浓区，区内无分离效果，恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板（需无穷多理论板（infinitestages)。如何计算最小回流比？如何计算最小回流比？60Underwood（恩德伍德）（恩德伍德）equation for Rm 假设：假设：1、各组分相对挥发度是常数、各组分相对挥发度是常数relativevolatilityisconstant2、塔内汽液相流率为恒摩尔流、塔内汽液相流率为恒摩尔流molaroverflowareconstant i 组分组分i 的相对挥发度；的相对挥发度；(xiD)m最小回流比下馏出液中组分最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数；的摩尔分数；xiF 进料中组分进料中组分i的摩尔分数；的摩尔分数；q 进料热状态参数（进料液相分率）；进料热状态参数（进料液相分率）；方程的根。方程的根。以全回流下的以全回流下的x xiDiD代替代替 取取 LK HK的的根根623.2.3最少理论板数（最少理论板数（N Nm m）和组分分配）和组分分配 Minimumtheoreticalstages（Nm）anddistributionofcomponents1、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。Numberofminimumtheoreticalstagescorrespondstototalreflux.Attotalreflux,therearenofurtherinputoffeedandwithdrawalofdistillateandbottoms 全回流对应最少理论板数，但全回流下无产品采出，因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。此正常生产中不会采用全回流。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。63如何计算最少理论板数？如何计算最少理论板数？64Fenske（芬斯克）（芬斯克）equation for minimum equilibrium stages(review)前提：前提：1、塔顶采用全凝器、塔顶采用全凝器（若采用分凝器，则分凝器为第（若采用分凝器，则分凝器为第1块板）块板）2、所有板都是理论板、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：从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：Materialbalanceforstage2:Attotalreflux，D=065两式相除，可得：两式相除，可得：代入：代入：可得：可得：andFor passing streams:66From phase equilibrium：Frommaterialbalance：Combiningtheseeq.s：Similarly：Defining AB:relative volatility by a geometric mean of each stage valuesFormulticomponentdistillation：FenskeequationFenskeequationisextremelyuseful68几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：1.推导中未作任何假设，因而是严格的。推导中未作任何假设，因而是严格的。Fenskeeq.isrigorous,becausetherearenoassumptionsinthederivation.69几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：2.About ABAB （1 1）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。（2 2）ABAB 的近似处理：的近似处理：1）geometricmeanoftop-stageandbottom-stagevalues3）2）geometricmeanoftop-stage,feed-stageandbottom-stage两点平均两点平均三点平均三点平均单点值单点值703.Another form of Fenske equation AmoreconvenientformofFenskeequationisobtainedbyreplacingtheproductofthemolar-fractionratiosbytheequivalentproductofmole-distributionratiointheformofcomponentdistillateandbottomsflowrates.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:distributionratio分配比分配比;d:componentflowrate(molar)indistillate;b:componentflowrate(molar)inbottoms几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：714.Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。分精馏。Fenske eq.can be used for calculating distillation of either binary or multicomponent mixtures.几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：725.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。Theminimumnumberofequilibriumstagesdependsonthedegreeofseparationofthetwokeycomponentsandtheirrelativevolatility,butisindependentoffeed-phasecondition.几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：736.Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段理方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数和组分分配。论板数和组分分配。Fenskeequationcanbeusedforcalculatingfeed-stagelocation,numberofequilibriumstagesofrectifyingsectionandstrippingsection,andcomponentdistributions.几点说明几点说明 Supplements to Fenske eq.：feed-stagelocation：byreplacingfeedasthecolumntop(orbottom)把进料当作塔顶（或塔釜）把进料当作塔顶（或塔釜）747.7.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)757.7.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.：76p73p73例例3-33-3和例和例3-43-4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。分割的假设。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的挥发度大得多，而重组分的挥发度比的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥的挥发度小得多。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)组成的组成的体系，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还是靠还是靠近近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。773.2.4 实际回流比和理论板数实际回流比和理论板数 Actual reflux ratio and theoretical stages一、实际回流比一、实际回流比p塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件。条件。p回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的重要回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的