2011多组分精馏-简洁计算

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1、分离工程分离工程河北科技大学河北科技大学 刘玉敏刘玉敏第三节 多组分精馏1、变量分析2、简捷计算法3、逐板计算法3.1分离系统的变量分析3.2多组分精馏过程3.3特殊精馏3.3.1萃取精馏3.3.2恒沸精馏3.4复杂精馏重点掌握掌握了解第三章 主要内容掌握1）了解分离系统的变量分析；2）了解多组分精馏过程与二组分精馏的比较分 析。掌握关键组分等概念；3）掌握清晰分割和不清晰分割物料衡算的计算方法。简捷法计算算精馏过程的步骤。4）掌握萃取精馏原理和萃取剂选择性的定义和影响因素以及萃取剂的选择。本章要求：5）了解萃取精馏流程和萃取精馏过程的计算；6）了解共沸物的特性和共沸组成的计算，三元物 系组成

2、的表示方法，掌握共沸精馏过程共沸剂的确定；7）掌握简捷计算法计算萃取精馏和共沸精馏过程的理论板数；8）了解复杂精馏的定义及其过程。本章要求：多组分精馏过程： 多次单级分离的串联，简称精馏 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，蒸汽多次部分冷凝等 汽液间的传质过程，使汽液相间浓度发生变 化 并结合应用回流手段，使各组分分离多次部分冷凝和多次部分汽化的串联设备，与 二元精馏和单级分离过程一样，多组分精馏的 计算的基本方程仍然是物平、相平和焓平三个 方程，计算方法有简捷法、逐板法和矩阵法等 。多组分精馏塔：一、多组分精馏过程分析 简单塔Ni= Nv-NC Nv为独立变量数，NC

3、为约束方程式数，Ni为设计变量数1、独立变量数条件：C个组分，N块理论板的精馏塔二、设计变量（简单塔）(1)总变量数N0 ：令下标i-代表i组分j-代表j第块理论板变变量变变量数F, 进进料量1Zi, 进进料组组成CTF, 进进料温度1JF, 进进料板位置1Pj, 各组压组压 力NN, 全塔板数1Tj, 各板温度NLj,Vj, 各板流量2Nxij,yij, 各板汽液组组成2CNHj,hj, 各板汽液相焓焓2NHF, 进进料焓焓1Kij, 各板和个组组分的相平衡常数C(N+1)qr,qc, 冷凝器和再沸器热负热负 荷23CN+6N+2C+7(2)方程式数目NC ：方程类别类别方程数 各板各组组分

4、物平衡CN 各板各组组分相平衡CN 各板热热平衡,(包括塔顶顶釜)N 分子分数加和式N N 1 计计算各板的Kij方程CN 计计算各板汽液相焓焓方程2N计计算进进料Ki和焓焓HF方程C+1 计计算各板的压压力降方程N-1 3CN+6N+C+1(3)总变量数Ni ：Ni= N0-NC= 3CN+6N+2C+7-3CN+6N+C+1=C+62、独立变量的指定方案Ni= N0-NC=C+6通常在实际设计时，以下条件是必须给定的。独立变变量名称变变量数 进进料状态态(温度)T进进 料1进进料组组成ZiC-1 进进料量F1 塔操作压压力P1 进进料板位置1 C+3还有三个变量 没有给出呢?剩下三个变量一

5、般从下列四项中， 根据设计任务的需求进行选择。变变量名称变变量数某一组分在塔顶，另一组分 在塔釜产品中浓度(即轻重 关键组分)xDi,XWj2回流比R1总理论板数N1塔釜塔顶产品量之比D/W1手工计算常规定的变量计算机计算时常采用的 指定变量求解方法 二组分精馏：无需试差多组分精馏：反复试差求解摩尔流率二组分精馏：在进料板处液体组成有突变，各板的摩尔流率基本为常数 多组分精馏：液、汽流量有一定的变化，但液汽比 接近于常数 三、多组分精馏过程的复杂性 二组分精馏 流量、温度、 浓度分布苯、甲苯、异丙苯精馏 塔内汽液流量分布苯、甲苯、异丙苯 精馏塔内温度分布苯、甲苯、异丙苯精馏 塔内液相浓度分布苯

6、、甲苯、异丙苯精馏 塔内液相浓度分布温度分布 温度分布从再沸器到冷凝器单调下降 组成分布（浓度）二组分精馏：在精馏段和提馏段中段组成变化明显多组分精馏：在进料板处各个组分都有显著的变化 A 简捷法计算只解决分离过程中级数、进料与产品组成间的 关系，而不涉及级间的温度与组成的分布 B 将多组分溶液简化为一对关键组分的分离 C 物料衡算按清晰分割计算，求得塔顶和塔釜的流量和组成 D 用芬斯克公式计算最少理论板数 E 用恩德伍德公式计算最小回流比 F 用吉利兰关联图求得理论板数N 三、简捷计算法（群法）为什么要简捷计算 ?是进一步学习逐板法，矩阵法的基础；能加快设计进度；适用于多种方案比较。该法的计

7、算结果可以为严格计算提供初值三、简捷计算法（群法）1、关键组分的确定及其回收率(1)关键组分的定义： 关键组分有轻、重关键组分之分；重关键组分hk(heavy key),在塔顶流出物中要 严格控制其浓度的组分轻关键组分lk(light key),在塔釜产品中要严格控制其浓度的组分1、关键组分的确定及其回收率(2)关键组分的确定： 一般是由工艺要求所确定的！H2C10C2=C20C3=C30 塔顶出料 C2=是重关键组分塔釜出料 C10是重关键组分例如：石油 裂解气中的 脱甲烷塔轻重关键组分其挥发 度一般都是相邻的。(3)回收率： 1、关键组分的确定及其回收率塔顶回收率 ：塔釜回收率 ：1、关键

8、组分的确定及其回收率1、关键组分的确定及其回收率1、关键组分的确定及其回收率1、关键组分的确定及其回收率苯、甲苯、异丙苯精馏塔内液相浓度分布2、清晰分割的物料平衡物料平衡有两个目的：进行产物分布，产量估计。建立操作线方程物料衡算有两种方法：清晰分割的物料衡算不清晰分割的物料衡算2、清晰分割的物料平衡2、清晰分割的物料平衡清晰分割的物料衡算的定义有两条：比轻关键组分还轻的组分，全部从塔顶馏出液中采出。比重关键组分还重的组分，全部从塔釜采出液中采出。方法简单，对被分离物系中各组分的相对挥发度差别较 大时，其计算结果与准确计算法没有重大差别。为不清晰分割的物料衡算提供初始的关键组分的比值。原 因2、

9、清晰分割的物料平衡(1)全塔物料衡算进行物料分布： 二元精馏物料衡算:F=D+W FZi=DXDi+WXWi F,ZiD,XDiW,XWi因： XD1=1-XD2 XW1=1-XW2 二元组成的情况下2、清晰分割的物料平衡(1)全塔物料衡算进行物料分布： 多组分精馏物料衡算:可采用加和法。W=F-DD=F-W或者举例：若有一混合物组组分ZiC2=0.4 C200.2 C3=0.3 C300.1 1.0要求一精馏塔，塔顶产品中含 丙烯不超过5%，塔釜产品中含 乙烷不超过5%，试用清晰分割 法计算塔釜产量和组成。解：以F=100kmol/h进行计算已知： F=100kmol/hZi，lk为乙烷，h

10、k为丙烯 组组分fi kmol/hdikmol/hC2=4040C202020-0.05WC3=300.05DC30100100dikmol/hwi=fi-dikmol/hxDixWi4000.6501820.300.053.126.90.050.6901000.2661.138.91.01.0W=F-D=40+20-0.05W+0.05D=60-0.05(F-D)+0.05D=55+0.1DD=55/0.9=61.1 kmol/hW=100-61.1=38.9 kmol/h2、清晰分割的物料平衡(2)r-线方程（精馏段操作线方程） 简化计算中，假设塔内汽液流动为恒摩尔流。精馏段各板上升的蒸汽

11、，其摩尔数都相同，提馏段各板 上升的蒸汽，其摩尔数都相同，但两数不一定相等精馏段各板下降的液体，其摩尔数都相同，提馏段各板 下降的液体，其摩尔数都相同，但两数不一定相等假设2、清晰分割的物料平衡(2)r-线方程（精馏段操作线方程） 在精馏段对i 组分进行物料衡算：进入=流出又因：R=L/DLn+1Vnn+1nxn+1iyn(3) s-线方程（提馏段操作线方程） 又因：L=L+qFqFLL(1-q)FVVF代入s-线方程：若将提馏段的L用精馏段的L表示 ，则有：式中q的计算式为：式中 H饱和蒸汽的焓 hf-进廖焓值 h-进料为饱和液体的焓fL=Fq, q=fL/F,进料中液体的量占进料量的份数。

12、饱和液体进料：饱和蒸汽：过冷液体：汽液混合物：过热蒸汽：q=1q=0q10q1q03、Fenske公式计算Nm(1)公式推导： RmRNmN当 R 时，N=Nm当N 时，R=RmR=L/D,只有当D=0时，R= ,即全回流时。Fenske公式计算Nm的出发点3、Fenske公式计算NmR-线方程S-线方程R= 时，F=W=D=0时，代入。在全回流时，不论在精馏段还是提馏段，下一板上升的蒸 汽与上一板下降的液体组成相同。Ln=Vn+1可以全用下标n来表示全塔各相邻板情况：全回流时全塔操作线方程当 在全塔范围内变化不大时，可以用一个平均的 代替所有的 ，可以用全塔的 几何均值来表示： (a)塔顶为

13、全冷凝器时：(b)塔顶为分冷凝器时 ：Fenske公式的几种表示形式： Fenske公式适用于双组份精馏，也适 用于多组分精馏（可以用一对关键组分 来求，也可用任意两组份来求）。(2) Fenske公式的适用范围和讨论： 3、Fenske公式计算Nm对于轻重关键组分：要求分离度越高， 反之相反 。关键组分挥发度相近， 反之相反。(2) Fenske公式的适用范围和讨论： 3、Fenske公式计算Nm*全回流，恒摩尔流，在全塔范围内变化不大为基 础。一般取 或*任意一对组分，适用于二元精馏，也适用于多元精馏 。*亦可用于不清晰分割的物料衡算，即Hengstebect法 。*还可确定进料板位置。*

14、Nm与进料组成和进料状态无关，也与组成的表示方法无关*全回流通常作为精馏塔开工操作和调节的主要手段，用于塔 级和填料传质效率的研究和测定。4、不清晰分割的物料衡算(Hengstebeck 法，1961) ？Hengstebeck 法，1961Hengstebeck认为：可以用全回流时各组分塔顶、塔釜产 品的分配来近似代表某一回流比条件下的各组分在塔顶和 塔釜中的分配情况。这样就可以用Fenske公式来反算非关 键组分在塔顶、塔釜产品中的浓度。这种方法是一 种近似的方法，但 是可以作为逐板计算的初值。 采用Fenske公式去反算非关键组分在塔顶塔釜的浓度 对于轻重关键组分：Fenske公式算出N

15、m4、不清晰分割的物料衡算(Hengstebeck 法，1961) 已知Nm 已知分析上式：需求若采用塔顶和塔釜的平均值 需先求塔顶和塔釜 温度 需先求塔顶和塔釜组成数据(待求)解法：用清晰分割法得到的组成分布试算塔顶和塔釜的温度， 反复试差计算。4、不清晰分割的物料衡算(Hengstebeck 法，1961) (1) 解析法： 已知条件 比较 注：这种方法需要较大的试差，而且意义不大，因为该法本身就是 近似法，而且一般是提供初值，所以一般不采用此方法。(1) 解析法：1、不清晰分割的物料衡算(Hengstebeck 法，1961) 将已知量 ，fi，Nm 和进料组成泡点温度条件下算出的 代入求出di和wi。而后用下式求出各组分在塔顶和塔釜的组成 。采用进料组成的泡点温度和塔的操作压力下的相对挥发度可直 接计算。(1) 图解法：1、不清晰分割的物料衡算(Hengstebeck 法，1961) 将右式两边取对数：y=Cx+By= x=C=Nm B=上式为一直线：两点确定一条直线！若将i=l,i=h分别代入上面方程，得两点：显然，比重关键组