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1、1,3 多组分精馏和特殊精馏 (Chapter3 Multicomponent rectification and special rectification),分离工程 (Separation Engineering),2,3.1 多组分精馏过程,3.2 萃取精馏和共沸精馏,3.3 反应精馏,3.4 加盐精馏,重点掌握,掌握,了解,掌握,3,液体混合物的汽化,气体混合物的冷凝,多个单级平衡分离过程的串联，简称精馏。,4,多个单级平衡分离过程的串联，简称精馏。,5,精馏分离原理 利用混合物中各组分的相对挥发度不同，采 用液体多次部分汽化、蒸汽多次部分冷凝，实 现汽液间的传质过程，使汽-液相间浓
2、度发生 变化，并结合回流手段，使各组分到达分离的 目的。,6,Na=串级数(2)分配器(1)侧线 采出(0)传热单元(2)= 5,对于设计型计算5个可调设计变量： （1）进料位置；（2）回流比； （3）回流温度,3.1.1多组分精馏过程分析,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。,设计变量分析：,7,一、基本概念 1、关键组分（Key Components） 由设计者指定分离要求的那两个组分称为关键组 分。(在精馏中起关键作用的组分),3.1.1多组分精馏过程分析,其中：相对易挥发的组分称为轻关键组分（LK） 相对不易挥发的组分称为重关键组
3、分（HK）,多组分精馏物系 组分组成,任务,8,2、清晰分割与非清晰分割 清晰分割：塔顶馏出液中除重关键组分外，没有其他重组分，塔釜液中除轻关键组分外没有其他轻组分。 轻组分全部从塔顶采出，重组分全部从塔釜采出。 轻组分在塔顶产品的回收率为1，重组分在塔釜产品的回收率为1。 非清晰分割：各组分在塔顶、塔釜都可能存在。,3.1.1多组分精馏过程分析,RETURN,9,3.1.1多组分精馏过程分析,3、,特点：,10,3.1.1多组分精馏过程分析,11,3.1.1多组分精馏过程分析,5、,注意：同一组分，规定了一端的回收率，另一端的不能规定，不能重复规定！,通过物料衡算，确定塔顶和塔底其他各组分的
4、组成，计算方法：,12,二、多组分精馏过程的特点(与二组分精馏过程比较) 主要从求解方法、塔内流率分布、温度分布、组成 分布对多组分精馏过程的特点进行分析。,3.1.1多组分精馏过程分析,求解方法 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。,塔内流率分布、温度分布、组成分布很复杂。,13,二组分精馏汽液流率分布,三组分精馏汽液流率分布,在进料板处液体流率有突变，其他各板的摩尔流率基本为常数。,汽、液流量有一定的变化，但汽液比接近于常数。,苯-甲苯-异丙苯物系,苯-甲苯物系,相对流率
5、 (mol/mol 馏出液),流率分布,14,温度分布：,二组分精馏温度分布,三组分精馏温度分布,在两段的两端、进料位置变化快，但中间段变化慢。,在两段的两端、进料位置变化慢，但两段的中间段变化快。,？,苯-甲苯-异丙苯物系,苯-甲苯物系,提馏段,精馏段,温度分布：从再沸器到冷凝器呈单调下降趋势,15,组成分布(浓度)：轻组分从塔釜到塔顶单调上升趋势,二组分精馏组成分布,苯甲苯物系,精馏塔内每一平衡级温度？,组成分布(浓度)：,16,图3-4 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布,(1)进料板处各组分都有一定的数量,(2)HNK浓度分布：进料板至2区恒浓、 1区迅速上升、在再沸器中最高、3区迅
6、速下降、4区降为0。,(3)HK浓度分布：1区上升、2 区下降、3区上升，4区下降,(4)LK浓度分布：同二元精馏的趋势,有两个极值点存在！,17,图3-4 多组分精馏塔内 液相浓度分布,多组分精馏组成分布（苯-甲苯-异丙苯物系）,图3-3 多组分精馏塔 内温度分布,18,图3-5苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布,(1)进料板处各组分都有一定的数量；,(2)LNK浓度分布：1区几乎为0、 2区上升、3区恒浓、4区迅速上升、在塔顶达高；,(3)LK浓度分布：1区迅速上升、2区下降、3区上升，4区下降；,(4)HK浓度分布：再沸器中浓度最大、1区迅速下降、2区恒浓至进料板、3区迅速下降、4区降
7、为0；,有两个极值点存在,19,一、多组分精馏浓度分布的特点,3.1.1多组分精馏过程分析,多组分精馏特点分析总结,(5)塔内各组分的浓度分布曲线在进料板处是不连续的。,(1)关键组分的含量存在极大值；,(2)非关键组分通常是非分配组分即重组分只在塔底出现，轻组分只在塔顶出现；,(3)轻、重非关键组分分别在进料板上、下形成几乎的恒浓区；,(4)全部组分均存在进料板上，但不等于进料含量；,20,二、多组分精馏塔内温度分布主要取决于物流的浓度分布。 三、多组分精馏流量分布特点 塔内流量的变化与热平衡密切相关。 (1)在精馏过程中，塔内物流的平均分子量沿塔向上 一般是下降的，而低分子量物料一般汽化潜
8、热较小，所以 沿塔向上V汽L液，即沿塔向上汽相流量呈增加的趋势。 (2)沿塔向上温度是逐渐下降的，汽体沿塔向上流动 时被冷却(放热)，导致下降的液体被汽化或被加热，若液 体被汽化则向上气体流量增加；液体沿塔向下流动时被加 热(吸热)，导致上升的气体被冷却或冷凝，若气体被冷凝 则向下液体的流量增加。如果被分离的物料间沸点差大， 即T釜与T顶 差很大时，温度变化对流量变化影响很大。,3.1.1多组分精馏过程分析,OVER,21,精馏简捷计算方法,FUG法,Fenske,Underwood,3.1.5多组分精馏的（FUG）简捷计算方法,简捷计算只解决分离过程中平衡级数、进料与产品组成间的关系，而不涉
9、及平衡级间的温度与组成的分布。,Gilliland,清晰分割的计算,22,一、清晰分割计算过程 (1)根据工艺条件及工艺要求，找出关键组分； (2)按清晰分割进行物料衡算，求得塔顶和塔釜的流量和组成； (3)根据塔顶、塔釜组成，计算相应的温度，求出平均相对挥发度； (4)用Underwood公式估算最小回流比Rm，并选适宜的操作回流比R； (5)用Fenske方程估算最少理论板数Nmin； (6)用Gilliland或耳波-马多克思关联图，求理论板数N (7)用Kirkbride公式，估算进料位置Nf； (8)用能量平衡计算冷凝器、再沸器的热负荷。,3.1.5多组分精馏的（FUG）简捷计算方法
10、,非清晰分割,ij=ki / kj,23,3.1.2 最小回流比,、二元精馏的恒浓区 在正常平衡曲线下，在最小回流比时，二元精馏在进料板附近出现恒浓区或称夹点区，e点称为夹点。,恒浓区 （一个）,进料,24,、多组分精馏的恒浓区,3.1.2 最小回流比,25,（）轻、重组分均为分配组分 与二元精馏相同，在进料板附 近出现恒浓区，如图（）；,（）轻、重组分均为非分配组分 出现在精馏段中部和提馏段中 部，如图（）；,3.1.2 最小回流比,26,（）重组分为非分配组分，精馏段 中部出现恒浓区；轻组分为分 配组分，进料板以下无需一区 域使轻组分含量降为零，所以 恒浓区出现在紧靠进料板，如 图（）；,
11、（）轻组分为非分配组分，重组分为 分配组分情况与(3)正好相反， 如图（）；,3.1.2 最小回流比,图（4）,27,、对含有LNK、LK、HK 、HNK四个组分的精馏在最小回流比 下塔内汽相浓度分布图(LNK 、HNK为非分配组分)，可分 成A、B、C、D、E、F六个区域,3.1.2 最小回流比,28,最小回流比的估算,(3-1b),(3-1a),是方程的根，C个组分的系统有C个根，取,P100例3-1,注：(xiD)m为全回流下馏出液组成；一般 Lk和hk为非相邻组分时，解得多个Rm，此时Rm取平均值。,1,2,29,二、用Newton-Raphson法求解方程的根（）,一阶导数：,迭代公
12、式：,目标函数：,RETURN,一、用试差法求解方程的根（）,三、用MATLAB中fzero函数直接求解方程的根（）,最小回流比的估算,30,3.1.3 最少理论板数和组分分配,精馏塔全回流操作的意义 （） 开车时，先进行全回流，待操作工况稳定后 正常进料； （） 实验室中，在全回流操作下测定塔板效率； （） 在简捷法设计计算中，先求Nmin，再求N理。,一、,实现全回流的条件：,31,(3-6),3.1.3 最少理论板数和组分分配,Fenske方程（以lk、hk代表A、B组分）：,对此式的讨论？,1,32,讨论： 上式是对组分LK、HK推导的结果，既适用于双组分 精馏，也适用于多组分精馏；
13、与进料组成无关，只取决于分离要求； 可用轻、重关键组分的摩尔、体积、质量之比形式表示 Fenske方程；,(3-9),(3-6),2,33,代入式（3-9）得：,(3-13),3.1.3 最少理论板数和组分分配,用轻、重关键组分的回收率表示Fenske方程；,(3-10),用于估算非关键组分的组成,i为非关键组分，r为重关键组分或参考组分,3,4,非对数形式表示得Fenske方程；,34,Fenske方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。,(3-7、8),3.1.3 最少理论板数和组分分配,三点平均值,两点平均值,(3-9),35,3.1.3 最少理论板数和组分分配,最少理论板数只取决于分离
14、要求！,RETURN,P103例3-2,清晰分割假设的核实,36,二、全回流下非关键组分分配 设i为非分配组分，r为重关键组分或参考组分，则式3-9表示为：,(3-10),3.1.3 最少理论板数和组分分配,求解思路：,i组分的物料衡算式：fi=di+wi 联立(3-10)，求得di和Wi及各组分组成分配。,37,全回流下的非关键组分分配求解思路：,比较是否接近？,自学例题3-3,3.1.3 最少理论板数和组分分配,RETURN,用3-10式,38,式3-10,39,GOTO,式3-10,40,、实际回流比 （）理论板数与回流比的关系,3.1.4 实际回流比和理论板数,（）最适宜回流比的选择,
15、一般经验：R=(1.21.5) Rm,RETURN,41,Gilliland图,Erbar-Maddox图,适用于相对挥发度变化不大情况,2、由R、Rmin和Nm ，求N,适用于非理想性较大情况,42,（）数学解析式李德公式,（）由吉利兰图拟合成的关系式,或,其中：,3.1.4 实际回流比和理论板数,RETURN,43,、进料位置的确定,(1)精馏段最少理论板数：,(2)提馏段最少理论板数：,3.1.4 实际回流比和理论板数,(3)柯克布兰德（Kirkbride）方程：,(3-16),例题3-4,只适用于泡点进料，式中n、m为理论板数，而非最少理论板数。,RETURN,44,非清晰分割,45,ASPEN PLUS 软件： DSTWU简捷计算模块：是精馏设计（FUG）简捷计算模块，可以估算最小回流比和最少理论板数，计算回流比和理论板数；还可以估算最佳进料位置及冷凝器和再沸器热负荷； DSTWU的计算结果为严格精馏计算RADFRAC提供重要的参考数据。 PROII软件： Shortcut模块：完成精馏设计的简捷计算，可以估算最小回流比和最少理论板数、最佳进料位置。 Shortcut的计算结果为严格精馏计算Distillation提供重要的参考数据。,计算机软件精馏计算模块,OVER,46,？,
