3.1 多组分精馏,精馏的基本概念 精馏是借助多级平衡手段提高产品（液体混合物）纯度的一种蒸馏操作二元组分精馏实现分离的两个极限条件：最小回流比最少理论塔板数对于多组分精馏的设计与操作，同样重要3.1.1 多组分精馏过程分析,对于一般精馏塔，可调设计变量Na=5，可设为：全凝器规定饱和液体流率；确定的回流比适宜的进料位置指定分离要求：即馏出液中某一组分的浓度及釜液中某一组分的浓度二元精馏：指定馏出液中某一组分的浓度，即可确定馏出液全部组成；指定釜液中某一组分的浓度，即可确定釜液全部组成多组分精馏：设计变量数不变，指定两个组分的浓度，不能确定全部组成,一、关键组分的定义：轻关键组分指在塔釜液中该组分的浓度要有严格限制，并在进料液中比该组分还轻的组分及该组分的绝大部分应在塔顶馏出液中采出重关键组分指在塔顶馏出液中该组分的浓度要有严格限制，并在进料液中比该组分重的组分及该组分的绝大部分应在塔釜液中采出 一对关键组分一般是相邻的, 但也可以不相邻关键组分的选则是根据塔顶和塔底产品工艺要求的组成来选择的，通常选择挥发度相邻的两个组分非关键组分：关键组分以外的组分称为非关键组分轻非关键组分：比轻关键组分挥发度更大或更轻的组分，简称轻组分。
重非关键组分：比重关键组分挥发度更小或更重的组分，简称重组分分配与非分配组分塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分关键组分必定是分配组分，非关键组分不一定是非分配组分,例如，烃类裂解气分离过程中的脱乙烷塔，进料组分按沸点（轻重）排列有甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烷六元混合物，而工艺规定塔顶丙烯浓度为0.033，塔釜乙烷浓度为0.006，即要求, xD丙烯=0.033， xW乙烷=0.006注意： 在本章中, 所有浓度均用摩尔分率或摩尔百分率表示 相应的流率亦用摩尔流率表示，如 kmol/h 等按轻重关键组分的定义可知, 乙烷和丙烯为一对相邻的关键组分 其中乙烷为轻关键组分, 丙烯为重关键组分回收率(分离度) 轻关键组分的回收率为该组分在塔顶产品中的量占进料量的百分数, 亦称为塔顶回收率 重关键组分的回收率为该组分在塔釜产品中的量占进料量的百分数, 亦称为塔釜回收率引入关键组分的概念后, 多组分精馏问题可简化为重点处理这一对关键组分：轻关键组分尽可能多的进入馏出液，重关键组分尽可能多的进入釜液若工艺要求了分离度, 如丙烯=0.9906, 乙烷=0.9756, 即说明进料中99.06%的丙烯需在塔釜采出, 97.56%的乙烷在塔顶馏出液中采出。
二组分精馏流率、温度、浓度分布,苯甲苯二组分精馏流率分布,二、多组分精馏过程与二元精馏的比较,（恒）摩尔流率二元精馏除了在进料板处液体组成有突变外，各板的摩尔流率基本为常数而多组分精馏，液、汽流量有一定的变化，但液汽比接近于常数,苯甲苯异丙苯三组分精馏流率分布,二组分精馏温度分布,温度分布温度分布无论几元总是从再沸器到冷凝器单调下降二元精馏在精馏段和提馏段中段温度变化最明显，而多元精馏在接近塔顶和接近塔底处及进料点附近，温度变化最快，这是因为在这些区域中组成变化最快，而泡点和组成是密切相关同时，由于非关键组分的存在加宽了全塔的温度跨度,二组分精馏浓度分布,组成分布（浓度）二组元的组成分布与温度分布一样，在精馏段和提馏段中段组成变化明显，而多组分精馏，在进料板处各个组分都有比较明显的含量，而在塔的其余部分由组分性质决定四组分精馏液相组成分布,恒浓区重组分在塔底产品中占有相当大的分率，由塔釜往上，由于分馏的结果，汽、液相中重组分的摩尔分率迅速下降，但在到达加料板之前，汽液相中重组分的摩尔分率不会降到某一极限值，因为加料中有重组分存在，这一数值在到达加料板前基本保持恒定（恒浓区）轻组分在塔顶占有很大分率，由于分馏作用，由塔顶往下汽、液相轻组分急剧下降到一个恒定的极限值，直到加料板为止。
因此，多元精馏在最小回流比下操作，塔内出现两个恒浓区,(a) 轻、重组分均为非分配组分(b) 重组分为非分配组分，轻组分为分配组分,(c) 轻组分为非分配组分，重组分为分配组分(d) 轻、重组分均为分配组分,下恒浓区,上恒浓区,关键组分摩尔分率的变化总的趋势是轻关键组分的摩尔分率沿塔釜往上不断增大，而重关键组分则不断下降（这和双组分精馏的情况类似）四组分精馏液相组成分布,四组分精馏液相组成分布,苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯,在邻近塔釜处，由于重组分（异丙苯）的摩尔分率迅速下降，结果使两个关键组分（二甲苯和甲苯）的摩尔分率上升即重关键组分（二甲苯）在加料板以下摩尔分率出现一个最大值的原因含量分布峰值,四组分精馏液相组成分布,在再沸器和1.2.3块板：苯和甲苯的含量很低，精馏主要表现在重组分异丙苯和重关键组分二甲苯之间，由于二甲苯相对于异丙苯是易挥发组分，二甲苯的含量向上是增加的在第4-10块板间：异丙苯的含量基本恒定，精馏转移到两个关键组分之间，二甲苯相对于甲苯是难挥发组分，含量向上是降低的，因此产生了最高点,同样在16块板以上，精馏作用由轻重两个关键组分之间转移到轻关键组分和轻组分（苯）之间，在邻近塔顶处，由于轻组分的迅速增浓，使轻关键组分的摩尔分率由原来的上升转为下降，从而在加料板以上出现最大值。
四组分精馏液相组成分布,多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：（1）关键组分含量存在极大值；（2）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， 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、上形成几乎恒 浓的区域；（4）全部组分均存在于进料板上，塔内各组分的含量分布曲线在进料板处是不连续的塔内流量变化：由于挥发度高的化合物通常是低分子量的，而低分子量组分一般具有较小的摩尔汽化潜热，所以上升蒸汽进入某级冷凝时将产生具有较多摩尔数的蒸汽，故沿塔向上流量通常有增加的趋势若沸点较高的组分具有较低的汽化热，则情况正好相反温度变化对流量的影响由于温度沿塔向上是逐渐降低的，所以蒸汽向上流动时被冷却这种冷却或是依靠液体的显热或是依靠增加液体的汽化量，如果液体被汽化，则导致向上流量增加再者，液体沿塔向下流动时，液体必被加热，其热量或是消耗蒸汽的显热或造成蒸汽的冷凝，如果是蒸汽冷凝，则导致下降流量的增加当进料中有大量的、相对于关键组分是非常轻的或非常重的组分，或者如果从塔顶到塔底的温度变化幅度大，则这种影响更明显求解方法的差异二组分精馏，设计变量值被确定后，就很容易用物料衡算式、汽液平衡式和热量衡算式从塔的任何一端出发逐板计算，无需试差。
多组分精馏，由于不能指定馏出液和釜液的全部组成，要进行逐板计算，必须先假设一端的组成，然后通过反复试差求解3.1.2 多组分精馏过程的简捷计算,简捷计算属于设计型的算法： 给定：进料量F，分离要求XD、XB； 计算：理论板N、回流比R、进料位置NF 等二元精馏简捷计算步骤：1、求Rmin2、选R3、计算（R-Rmin)/(R+1) 4、用芬斯克方程求Nmin 5、用吉利兰图查出对应的 (N-Nmin)/(N+1) 6、计算N,多组分简捷法计算：将多组分溶液简化为一对关键组分的分离，物料衡算按清晰分割计算，求得塔顶和塔釜各物料的流量和组成，用恩德伍德(Underwood)公式计算最小回流比Rm，再按实际情况确定回流比R，用芬斯克(Fenske)公式计算最少理论板数Nm，用吉利兰(Gilliland)关联图求得理论板数N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处理物料衡算的两种方法:,清晰分割按所选的一对关键组分，简单地认为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排出即轻组分在塔顶产品的收率为1；重组分在塔釜产品的收率为1。
两个关键组分相邻且分离条件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非清晰分割比轻关键组分还轻的组分塔釜仍有微量存在；比重关键组分还重的组分塔顶仍有微量存在1. 清晰分割的物料衡算,(1) 全塔总物料衡算,若原料液中有C个组分，则有C-1个物料衡算方程的方程组全塔总物料衡算：,i 组分的物料衡算：,在清晰分割条件下，轻组分在塔釜不出现，重组分在馏出物中不出现可根据轻、重关键组分在塔釜和塔顶馏出物中的摩尔分数 求出塔顶、釜组成馏出物中轻关键及非轻关键组分的摩尔分数分别为釜液中重关键组分及重非关键组分的摩尔分数分别为,（3-8，9）,（3-10，11）,(2) 精馏段和提馏段的操作线方程,(假定为恒摩尔流)精馏段操作线方程式：,回流比R：,提馏段操作方程式,对有C个组分组成的物系，精馏段与提馏段分别可列出C-1个方程组进料状态参数：,例 3-1 脱丁烷塔为饱和液体进料，料液组成如表所示按工艺规定，丁烷为轻关键组分，在塔顶产品中的收率为98.1%；异戊烷为重关键组分，在塔底产品中的收率为94.2%；进料量为F=983kmol/h 请用清晰分割法估算塔顶和塔底产品的产量和组成。
解：根据清晰分割法原理，塔顶产品中所含组分为： 丙烷(1) 异丁烷(2) 丁烷(3) 异戊烷(4) 含量： d1 d2 d3 d4摩尔分率： xD1 xD2 xD3 xD4 塔底产品中所含组分为： 丁烷(3) 异戊烷(4) 戊烷(5) 己烷(6) 含量： w3 w4 w5 w6摩尔分率： xw3 xw4 xw5 xw6,塔顶产品中各组分含量计算： 丙烷： d1=9830.011=10.8 kmol/h 异丁烷： d2=9830.169=166.1 kmol/h 丁烷： d3=0.9819830.446=430.1 kmol/h 异戊烷： d4=(1-0.942) 9830.1135=6.5 kmol/h 产品总量： D=d1+ d2+ d3+ d4=613.5kmol/h塔顶产品中各组分的摩尔分率计算：丙烷： xD1=d1/D=0.0176 异丁烷：xD2=d2/D=0.2707丁烷： xD3=d3/D=0.7011 异戊烷： xD4=d4/D=0.0106,塔底产品中各组分含量计算： 丁烷： w3=(1-0.981) 9830.446=8.3 kmol/h 异戊烷： w4=0.9429830.1135=105.1 kmol/h 戊烷： w5=9830.1205=118.5 kmol/h 己烷： w6=9830.14=137.6 kmol/h 产品总量： w=w3+ w4+ w5+ w6=369.5 kmol/h塔顶产品中各组分的摩尔分率计算：丁烷： xw3=w3/w=0.0225 异戊烷： xw4=w4/w=0.2844戊烷： xw5=w5/w=0.3207 己烷： xw6=w6/w=0.3724,计算结果为： 塔顶产品产量：D=613.5 kmol/h 塔底产品产量：W=369.5 kmol/h 塔顶和塔底产品组成：,例3-2 某三元溶液中含苯60%；甲苯30%；二甲苯10%(mol%)。
要求通过精馏得到含甲苯不高于0.5%，且不含二甲苯的塔顶馏出物，釜残液中苯要求不高于0.5%回流比R=2，泡点进料试计算塔顶和塔釜产物的量和组成以100 kmol/h 料液为计算基准,计算结果：,多组分简捷法计算：将多组分溶液简化为一对关键组分的分离，物料衡算按清晰分割计算，求得塔顶和塔釜各物料的流量和组成，用恩德伍德(Underwood)公式计算最小回流比Rm，再按实际情况确定回流比R，用芬斯克(Fenske)公式计算最少理论板数Nm，用吉利兰(Gilliland)关联图求得理论板数N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2. 最小回流比Rm,yq,二元精馏最小回流比？,回流比减小，两操作线向平衡线移动，达到指定分离程度所需的理论塔板数增多，当两操作线的交点位于平衡线上时，则需要无穷多的阶梯才能达到d点相应的回流比。