第三章 多组分精馏.ppt

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1、3.2 多组分精馏过程多组分精馏过程3.2.1 3.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析3.2.2 3.2.2 最小回流比最小回流比3.2.3 3.2.3 最少理论塔板数和组分分配最少理论塔板数和组分分配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3.2.5 3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法多组分精馏的简捷计算方法13.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析一、一、关键组分（关键组分（Key ComponentsKey Components）多组分精馏过程分析就是分析精馏塔内的温度、多组分精馏过程分析就是分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。流率和浓度分布。

2、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；（2 2）回流比；）回流比；（3 3）全凝器饱和液体回流或冷凝）全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。器的传热面积或馏出液温度。余下的余下的2 2个可调个可调设计变量往往用设计变量往往用来指定组分在馏来指定组分在馏出液和釜液中的出液和釜液中的浓度。浓度。2 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；指定釜液中一个组分就确定了馏出液的全部组成；指定釜

3、液中一个组分的浓度，也就确定了釜液的全部组成。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对于多组分精馏，待定设计变量数仍是2 2，所以，所以只能指定两个组分的浓度，其他组分的浓度则相应只能指定两个组分的浓度，其他组分的浓度则相应确定。确定。由设计者指定分离要求的这由设计者指定分离要求的这2 2个组分称为个组分称为关键关键组分组分。相对易挥发的组分称为相对易挥发的组分称为轻关键组分（轻关键组分（LKLK），相对不易挥发的组分称为相对不易挥发的组分称为重关键组分（重关键组分（HKHK）。多组分精馏物系组成：多组分精馏物系组成：轻非关键组分（轻非关键组分（LNK），），轻组

4、分轻组分轻关键组分（轻关键组分（LK）中间组分中间组分重关键组分（重关键组分（HK）重非关键组分（重非关键组分（HNK），重组分重组分3根据组分是否在精馏塔的两端都出现，根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为可分为分配组分分配组分和和非分配组分非分配组分。清晰分割：清晰分割：馏出液中除了重关键组分之外，没有其它馏出液中除了重关键组分之外，没有其它重组分；重组分；釜液中除了轻关键组分之外，没有其它釜液中除了轻关键组分之外，没有其它轻组分。轻组分。4二、多组分精馏过程特性二、多组分精馏过程特性对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，作逐板计算，

5、无需试差。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。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。过程分析进行比较。5二组分精馏实例：苯甲苯二组分精馏实例：苯甲苯图图3-1 3-1 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6三组分精馏实例：苯三组分精馏实例：苯(LK)(LK)甲苯甲苯(HK)(HK)异丙苯异丙苯图图3-2 3-2 三组分精馏流量分布三组分精馏流量分布图图3-

6、3 3-3 三组分精馏温度分布三组分精馏温度分布7四组分精馏实例：苯四组分精馏实例：苯甲苯甲苯(LK)(LK)二甲苯二甲苯(HK)-(HK)-异丙苯异丙苯图图3-6 3-6 四组分精馏液相组成分布四组分精馏液相组成分布8多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：（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、

7、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。含量不等于进料含量。9精馏过程的内在规律：精馏过程的内在规律：在精馏塔中，温度分布主要反映物在精馏塔中，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。主要反映了热衡算的限制。103.2 多组分精馏多组分精馏3.2.1 3.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析3.2.2 3.2.2 最小回流比最小回流比3.2.3 3.2.3 最少理论塔板数和组分分配最少理论塔板数和组分分配3.2.4 3.

8、2.4 实际回流比和理论板数实际回流比和理论板数3.2.5 3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法多组分精馏的简捷计算方法11 3.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 由设计者指定分离要求的这两个组分称为由设计者指定分离要求的这两个组分称为 关键组分关键组分。相对易挥发的组分称为相对易挥发的组分称为轻关键组分（轻关键组分（LK），相对难挥发的组分称为相对难挥发的组分称为重关键组分（重关键组分（HK）。多组分精馏多组分精馏物系组成物系组成轻非关键组分（轻非关键组分（LNK），），轻组分轻组分轻关键组分（轻关键组分（LK）中间组分中间组分重关键组分（重关键组分（HK）重非关键组分（重非关键

9、组分（HNK），重组分重组分 非分配组分：非分配组分：只在塔顶或塔釜出现的组分；只在塔顶或塔釜出现的组分；分配组分：分配组分：在塔顶和塔釜均出现的组分。在塔顶和塔釜均出现的组分。123.2.2 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，进料板上下出现最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或夹点恒浓区或夹点。恒浓区恒浓区13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

10、为非分配组分：）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，恒浓区向上推移而出现在精馏段浓度降到零，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的中部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。部。重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区图图 114（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，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图图 2重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分

11、恒浓区轻组分恒浓区图图 315（4）轻、）轻、重组分均为分配组分：重组分均为分配组分：最小回流比条件下出现最小回流比条件下出现恒浓区，区内无分离效恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板。果，需无穷多理论板。如何计算最小回流比？如何计算最小回流比？重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区图图 416计算最小回流比的计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）恩德伍德）公式：公式：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；2、塔内汽液相流率为恒摩尔流。、塔内汽液相流率为恒摩尔流。Underwood（恩德伍德）恩德伍德）公式：公式：（3-3a）(3-3b)17Und

12、erwood（恩德伍德）恩德伍德）公式中参数的含义：公式中参数的含义：（3-3a）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 进料液相分率；进料液相分率；方程的根。方程的根。取取 LK HK的的根根(3-3b)18例例3-3 计算最小回流比计算最小回流比 193.2.3 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。最少理论板数对应全回流操作，全回流下无产品

13、采最少理论板数对应全回流操作，全回流下无产品采出，因此正常生产中不会采用全回流。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？什么时候采用全回流呢？2、在实验室设备中，研究传质的影响因素。、在实验室设备中，研究传质的影响因素。3、工程设计中，必须知道最少理论板数。、工程设计中，必须知道最少理论板数。20计算最少理论板数的计算最少理论板数的Fenske（芬斯克）芬斯克）方程：方程：推导前提：推导前提：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块塔板）；块塔板）；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

14、定义有：从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：对第对第1 1块板作物料衡算：块板作物料衡算：全回流下，全回流下，D=0（1）21因此：因此：同理：同理：两式相除，可得：两式相除，可得：代入（代入（1）式得：）式得：22再由相平衡关系可得：再由相平衡关系可得：由物料衡算：由物料衡算：可得：可得：依此类推到塔釜：依此类推到塔釜：（2 2）23定义定义 ABAB为相对挥发度的几何平均值：为相对挥发度的几何平均值：代入（代入（2 2）式，可解出最少理论板数）式，可解出最少理论板数N Nm m：（3-43-4）Fenske方程方程24几点说明几点说明：3 3、相对挥发度、相对挥发度（1 1）方程的精度取

15、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 1）两点平均：）两点平均：2 2）三点平均：）三点平均：3 3）单点值）单点值 1 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。2 2、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。254 4、方程的变形形式、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，得到摩尔分率可用摩尔数，体积或重量比来代替，得到另一种常用的形式，另一种常用的形式，以含量表示的以含量表示的Fenske方程方程：(d/b

16、)i 称为组分称为组分i分配比分配比 （3-73-7）265 5、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）表示轻关键组分在馏出液中的回收率；表示轻关键组分在馏出液中的回收率；表示重关键组分在釜液中的回收率。表示重关键组分在釜液中的回收率。得出以回收率表示的得出以回收率表示的Fenske方程：方程：276 6、将、将Fenske方程变形可得各组分流量分配。方程变形可得各组分流量分配。i为非关键组分，为非关键组分，r为重关键组分或参考组分为重关键组分或参考组分（1）（2）28 设计一个脱乙烷塔，从含有设计一个脱乙烷塔，从含有 6 个轻烃个轻烃的混合物中

17、回收乙烷，进料组成、各组的混合物中回收乙烷，进料组成、各组分的相对挥度和对产物的分离要求见设分的相对挥度和对产物的分离要求见设计条件表。试求所需最少理论板数及在计条件表。试求所需最少理论板数及在全回流条件下馏出液和釜液的组成。全回流条件下馏出液和釜液的组成。第三章例题第三章例题.doc 例例3-429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)组成的体系，组成的体系，先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割。分割。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

18、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。讨论与分析：讨论与分析：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(中间组分中间组分)、D(HK)、E(HNK)组成的体系，则根据组成的体系，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。30小 结最小回流比RmUnderwood（恩德伍德）（恩德伍德）最少理论板数NmFenske方程方程31习 题 苯苯(B)-甲苯

19、甲苯(T)-二甲苯二甲苯(X)-异丙苯（异丙苯（C）混）混合物送入精馏塔分离，进料组成为：合物送入精馏塔分离，进料组成为：zB=0.2，zT=0.3，zx=0.1，zC=0.4（摩尔分数）。相对（摩尔分数）。相对挥发度数据：挥发度数据：B=2.25，T=1.00，x=0.33，C=0.21。分离要求：馏出液中异丙苯不大于分离要求：馏出液中异丙苯不大于0.15%；釜液中甲苯不大于釜液中甲苯不大于0.3%（摩尔）。计算最少（摩尔）。计算最少理论板数和全回流下的物料分配。理论板数和全回流下的物料分配。323.2.4 实际回流比和理论板数实际回流比和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

20、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：常用的经验方法有：GillilandGilliland图、图、ErbarErbar-Maddox-Maddox图。图。用用Underwood方程方程求出求出R Rm m 后后，实际回流比，实际回流比R R一般一般取作取作1.301.30R Rm m。适用于相对挥发度适用于相对挥发度变化不大的情况变化不大的情况适用于非理想性适用于非理想性较大的情况较大的情况33图图3-9 Gilliland图图 图图3-10 Erbar-Mddox34适宜进料板位置的确定原则：适宜进料板位置的确定原则：(1)(1)在操作回流比下精馏段与提馏段理论在操

21、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板数之比等与在全回流下用Fenske方程方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。数之比。(2)Kirkbride 经验式：经验式：35P79 例例3-5 最小回流比和操作回流比下的理论板数最小回流比和操作回流比下的理论板数的计算的计算:应用例 34的已知条件和计算结果进行下列计算：(a)使用Underwood法确定最小回流比；(b)使用Erbar-Maddox图求R=1.5Rm的理论板数；(c)使用Kikbride法确定进料位置。363.2.5 多组分精馏的简捷计算方法多组分精馏的简捷计算方法精馏简捷计

22、算精馏简捷计算FUG法法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N37开始开始指定进料条件指定进料条件指定两个关键组分的分离程度指定两个关键组分的分离程度估计非关键组分的分离情况估计非关键组分的分离情况决定精馏塔操作压力和冷凝器类型决定精馏塔操作压力和冷凝器类型在塔压下作闪蒸计算在塔压下作闪蒸计算计算最少理论板数和非关键组分的分离程度计算最少理论板数和非关键组分的分离程度计算值与估计值是否接近计算值与估计值是否接近对于指定的实际回流比（对于指定的实际回流比（RRm）计算实际理论板数计算实际理论板数N计算最小回流比计算最小回流比Rmyes计算进料级位置计算进料级位置计算热负荷计算热负荷结束结束no（泡、露点计算）（泡、露点计算）（绝热闪蒸计算）（绝热闪蒸计算）（Underwood eq.）（R=1.11.5Rm，Gilland图）图）（Kirkbride eq.）（能量衡算（能量衡算 eq.）（Fenske eq.）多多组组分分精精馏馏的的FUG法法计计算算框框图图38