多组分精馏-精选
第三章多组分精馏
第三章多组分精馏⼀、填空题1、仅在塔顶或塔釜出现的组分为（）。
2、在多组分精馏过程中，全回流时所需理论板数（），在最⼩回流⽐下所需理论板数（）。
3、萃取精馏塔在萃取剂加⼊⼝以上需设（）。
4、恒沸精馏过程恒沸剂的加⼊不仅影响原溶液组分( )，同时与原溶液中的⼀个或⼏个组分形成恒沸物，当形成最低温度的恒沸物时恒沸剂从塔（）出来。
5、关键组分中，挥发度⼤的组分为（）；挥发度⼩的组分为（）。
6、清晰分隔法的假设为（），（）。
7、在多组分精馏过程中，由芬斯克公式计算的最少理论板数决定于两组分的分离要求和（），与进料组成（）。
8、萃取精馏是指原溶液加⼊新组分后不形成共沸物且S 沸点（），从（）采出。
9、多组分精馏中，关键组分是指（）的组分。
10、常⽤吸附剂有（），（），（），（）。
⼆、单项选择题1、多组分精馏中，若轻重组分均为⾮分配组分，则恒浓区出现在：( )(A) 精馏段和提馏段中部 (B) 精馏段中部和板下紧靠进料板处(C) 板上仅紧进料板处和提馏段中部 (D) 板上、下紧靠进料板处2、对⼆元均相共沸物，s i P 相差增⼤，最低共沸物向哪个区移动：( )(A) ⾼沸点组分多浓度区 (B) 低沸点组分多浓度区(C) ⾼沸点组分低浓度区 (D) 低沸点组分低浓度区3、在均相恒沸物条件下，活度系数和压⼒关系为：( ) (A) 1221γγ=s s p p (B) 2121γγ=s s p p (C) 1221γγ≥s s p p (D) 2 121γγ≤s s p p4、多组分精馏中，若轻重组分均为分配组分，则恒浓区出现在:( )(A) 精馏段和提馏段中部 (B) 精馏段中部和板下紧靠进料板处(C) 板上仅紧进料板处和提馏段中部 (D) 板上、下紧靠进料板处5、萃取精馏塔内⽓液相流率的分布规律为:( )(A) 从上到下⽓液相流率逐渐增⼤，液相流率远⼤于⽓相流率(B) 从上到下⽓液相流率逐渐减⼩，液相流率远⼤于⽓相流率(C) 从上到下液相流率增⼤，⽓相流率减⼩，液相流率⼩于⽓相流率(D) 不确定6、下列不属于以压⼒差为推动⼒的膜分离技术为:( )(A) 微滤 (B) 超滤 (C) 反渗透 (D) 渗析7、液相进料的萃取精馏过程，应该从何处加萃取剂：( )(A) 精馏段 (B) 提馏段 (C) 精馏段和进料处 (D) 提馏段和进料板8、当萃取塔塔顶产品不合格时，可采⽤下列⽅法来调节：( )(A) 加⼤回流⽐ (B) 加⼤萃取剂⽤量(C) 增加进料量 (D) 减⼩萃取剂⽤量9. 吉利兰关联图，关联了四个物理量之间的关系，下列哪个不是其中之⼀:( )(A) 最少理论板书 (B) 最⼩回流⽐(C) 压⼒ (D) 理论板书三、简答题1、试分析多组分精馏在最⼩回流情况下，恒浓区出现的位置。
化工原理多组分精馏
2021年7月13日星期二
知识要求
1 多组分精馏过程分析 2 最小回流比 3 最少理论塔板数和组分分配 4 实际回流比和理论板数 5 多组分精馏的简捷计算方法
1 多组分精馏的特点和精馏方案的选择
一 多组分精馏原理
R
多组分 混合物 采用
ESA
相际传 质传热
液体多次 部分汽化
蒸汽多次 部分冷凝
dh wh
结合 f i d i wi
di wi
Nm 1 ih
dh wh
解得 di、wi
di
Nm 1 ih
(
dh wh
)
f
i
1
N ih
m
1
( dh ) wh
wi
fi
1
N ih
m
1
( dh ) wh
II、图解法 计算步骤
➢对关键组分
dl wl
Nm 1 lh
dh wh
此式的几何意义是：
lg( d l ) lg d h
)D
/(
xl xh
lg lh
)W
xl xh
D
Nm 1 lh
xl xh
W
Dx D,l Dx D,h
Nm lh
1
WxW ,l WxW ,h
dl dh
Nm 1 lh
wl wh
或
dl wl
Nm 1 lh
dh wh
2）以HK为基准组分，任意组分i的分配规律。
对照：d l wl
Nm 1 lh
W ih1 1 xD,l xw,h
l 1
zi zh xW ,h
D F i1 1 x D,l xW ,h
多组分精馏和特殊精馏
核算式
对HNK：C3，iC4，nC4进行核算： C3：d0.6448，xD0.017 C4:xD0
\ 清晰分割假设对 C 3不成立，须调整
5.调整
以前面结果为初值，进行试差
设 d 0 .6 4 4 8 ， 其 它 不 变 ， 重 复 1 4 步
计 算 ， 至 前 后 二 次 结 果 相 近 为 止 。
3. 核实清晰分割的合理性
对
于LNK
，
核
实w
，看
i
是
否xi
,W
0
核实式： fi di wi;
fd ( w )i ( w )i 1
\ wi fi 1 （wd ）i
将
（d ） wi
i
h
N
m（d ）代 wh
入
上
式
有：
wi
1i
fi h N m（wd ）h
核算式
对 于 甲 烷 ， w 9 .6 1 0 5 0 ； x W 1 .5 1 0 6
结果：第二次dC3 0.635 与第一次相近
例3-3 苯（B）-甲苯（T）-二甲苯（X）-异丙苯 （C）的混合物送入精馏塔分离，进料组成（摩尔 分数）为：zB=0.2，zT=0.3， zX=0.1， zC=0.4。相对 挥发度数据：αB=2.25，αT=1.00，αX=0.33，αC= 0.21。分离要求：馏出液中异丙苯不大于0.15%；釜 液中甲苯不大于0.3%（摩尔）。计算最少理论板和 全回流下的物料分配。
1.000 0.025 0.901 0.0167 1.000 - 1.325 0.901 1.325
故
Rm 1.306
返回
3.1.3 最少理论板数和组分分配
1、最少理论板数 全 回 流 R 时 操N ， 作 N m
第三章精馏3-1多组分精馏
轻关键组分(LK)：相对易挥发的组分；
多
组 重关键组分(HK)：相对不易挥发的组分。
分 精
轻关键组分在塔釜液中，该组分的浓度
馏 有严格限制，并在进料液中比该组分轻的
组分及该组分的绝大部分应从塔顶采出。
重关键组分， 塔顶 重 塔釜
2015-3-23
14
（1） 关键组分
② 非关键组分
3.1
关键组分以外的组分称为非关键组分
2015-3-23
7
精馏操作流程
3.1
多 组 分 精 馏
2015-3-23
8
精馏操作流程
3.1
多 组 分
精 馏 段
精
馏
提
馏
段
塔顶产品 原料 塔釜产品
简单塔
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9
精馏操作流程
精馏
3.1 多
物化 基础
必要 条件
工程 措施
设备
组
分 精 馏
相对挥 发性差 异
多次部 分汽化、 多次部 分冷凝
进料级。
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32
小结
★组成分布
3.1 3. 关键组分 变化复杂 若只有HNK而无LNK时： HK分别在二段
多
出现两个最高点， LK表现象LNK。
组 分
若只有LNK而无HNK时：LK分别在二段出
精
现两个最高点， HK表现象HNK。
馏 有LNK、HNK， 且都不同时出现在顶、釜
2015-3-23
苯、甲苯、异丙苯 精馏塔内温度分布
# 26
3.1
多 组 分 精 馏
苯、甲苯、异丙苯精 馏塔内液相浓度分布
2015-3-23
化工分离工程第3章 多组分精馏2
FLGC
3.3.6 共沸与萃取精馏比较
共同点: 加入溶剂S， 萃取精馏的优点：
12 / s
(1) 因萃取精馏溶剂沸点高，溶剂可从塔顶或附近加入，使
全塔的相对挥发度都得到提高。
(2) 萃取精馏溶剂在塔内基本上不挥发，能量消耗少。而共
沸精馏中共沸剂与原料组分同时气化，消耗能量。
(3) 共沸精馏由于必须形成共沸物，因而可供选择的共沸剂
FLGC
特殊精馏
• 普通精馏不适合于以下状况的物料： 1、相对挥发度接近1的组分； 2、待分离组分间形成共沸物； 3、待分离组分是热敏物质； 4、待分离组分是难挥发组分，且含量低。
特殊精馏——利用加入热能和质量分离剂以增加原有组 分间的相对挥发度值的精馏方法。
FLGC
常用的特殊精馏方法
• 共沸精馏——如果加入的第三组分能和被分离物系中一个 或几个组分形成共沸物时，第三组分以共沸物的形式从精 馏塔塔顶蒸出。所加入的新组分称为共沸剂。
方案2：选择丙酮的同系物，则塔顶产物为甲醇，塔釜为丙酮及同
系物
哪个更好？
FLGC
（2）从分子结构相似（或极性相似）的概念选择溶剂 常见有机化合物按极性增加的顺序排列为： 烃→醚→醛→酮→醇→二醇→水 应选择在极性上更类似于重关键组分的化合物为溶剂， 可以有效的减小重关键组分的挥发度！
同样如甲醇（沸点64.7）—丙酮（沸点56.5）体系 选烃为溶剂，烃与丙酮极性相似，塔顶产物为甲醇，塔
FLGC
萃取精馏的注意事项：
（1）由于加入的萃取剂是大量的（一般要求xs>0.6）,因此塔内下 降液量远大于上升蒸汽量，造成汽液接触不佳，故萃取精馏塔 的塔板效率低，大约为普通精馏的一半左右(回收段不包括在 内)。设计时要考虑塔板及流体动力情况。
多组分精馏简述
第三章 多组分精馏在化工原理课程中，对双组分精馏和单组分吸收等简单传质过程进行过较详尽的讨论。
然而，在化工生产实际中，遇到更多的是含有较多组分或复杂物系的分离与提纯问题。
在设计多组分多级分离问题时，必须用联立或迭代法严格地解数目较多的方程，这就是说必须规定足够多的设计变量，使得未知变量的数目正好等于独立方程数，因此在各种设计的分离过程中，首先就涉及过程条件或独立变量的规定问题。
多组分多级分离问题，由于组分数增多而增加了过程的复杂性。
解这类问题，严格的该用精确的计算机算法，但简捷计算常用于过程设计的初始阶段，是对操作进行粗略分析的常用算法。
§3-1分离系统的变量分析设计分离装置就是要求确定各个物理量的数值，但设计的第一步还不是选择变量的具体数值，而是要知道在设计时所需要指定的独立变量的数目，即设计变量。
一、设计变量1.设计变量⎩⎨⎧-=：可调设计变量固定设计变量a x c v i N N N N N :v N ：描述系统所需的独立变量总数。
c N ：各独立变量之间可以列出的方程式数和给定的条件，为约束关系数。
要确定i N ，需正确确定v N 和c N ，一般采用郭慕孙发表在AIchE J （美国化学工程师学会），1956（2）：240-248的方法，该法的特点是简单、方便，不易出错，因而一直沿用至今。
郭氏法的基本原则是将一个装置分解为若干进行简单过程的单元，由每一单元的独立变量数e v N 和约束数e c N 求出每一单元的设计变量数e i N ，然后再由单元的设计变量数计算出装置的设计变量数E i N 。
在设计变量i N 中，又被分为固定设计变量x N 和可调设计变量a N ，x N 是指确定进料物流的那些变量（进料组成和流量）以及系统的压力，这些变量常常是由单元在整个装置中的地位，或装置在整个流程中的地位所决定，也就是说，实际上不要由设计者来指定，而a N 才是真正要由设计者来确定的，因此郭氏法的目的是确定正确的a N 值。
第三章 多组分精馏
层理论塔板才能满足分离要求所需的回流比，
称为最小回流比。多组分精馏计算中，必须用
解析法求最小回流比。
23
常用的是恩德伍德法，推导该式的基本假设是：
1) 体系中各组分的相对挥发度为常数；
2) 塔内气相和液相均为恒摩尔流。
根据物料平衡及相平衡表示，利用恒浓区的 概念，恩德伍德推导出最小回流比的两个联 立公式：
清晰分割时非关键组分在塔顶和塔底产品
中的分配用物料衡算求得。
11
12
总物料衡算 苯的衡算 乙苯的衡算
甲苯的衡算
13
(2) 非清晰分割
如果轻重关键组分不是相邻组分，则塔顶和塔 底产品中必有中间组分。 如果进料液中非关键组分的相对挥发度与关键 组分相差不大，则塔顶产品中就含有比重关键 组分还重组分，塔底产品中含有比轻关键组分
37
应用：实验制备的小批量物质分离、石油产 品评价、高效填料的性能测定、精细化工产
品的提纯、同位素产品的精制等。
计算：难以采用图解方法求解理论板数，通常
采用解析方法或简捷法确定理论板数、进料位
置等。计算中，精密精馏通常按二元混合物处
理。
38
3.5.3
盐溶精馏（加盐精馏）
一种采用特殊萃取剂的萃取精馏，用于难分 离混合物的分离。 例：乙醇-水 、丙醇-水、水-醋酸等的分离
5
对于双组分精馏；
塔顶：xDA 已确定 xDB =1- xDA ;
塔釜：xWB已确定 xWB =1- xWA ;
也就是塔顶、塔釜组成全部确定。
对于多组分精馏：Na=5 ，与组分数无关。
除规定全凝器饱和液体出料：2） R; 3）D/F外只
多组分精馏
不满足清晰分割的条件，采用近似方法估计。 给定条件：轻关键组分在馏出液中的回收率;
重关键组分在釜液中的回收率。
方法：享斯特别克法（Hengsteback） 假设： (a) 各组份在馏出液和釜液中的流率分配与回流比无关； (b) 非关键组分在产品中的分配情况与关键组分的相同。
回流比为无限大时，对轻、重关键组分由芬斯克方程得：
第n 块板为进料板
提馏段从下至上计算，直至满足：
xl xh
m
xl xh
q
xl xh
m1
xni与xmi不一致，称为不契合 。 产生不契合的原因：两端产品组成的浓度是估算值。 解决办法：调整塔两端产品中非关键组分的组成及产品流量
直至契合满足规定的要求。
第m块板为进料板， m 为提馏段理论塔板数。
（2）非关键组份在两端产品中的分配 作为设计型计算，求N，欲知qnD， qnW，必需知 xwi和xDi，
但xwi 、 xDi 又和N有关，故需试差。
估算方法：
① 清晰分割 比轻关键组份更轻的各组分均从塔顶蒸出，比重关键组份 更重的组分，均从塔底排出，且两关键组分为相邻组分，
称为清晰分割。可以进行严格的计算。
根据假定（b），对任意组份与重关键组份来说，也有：
N min
log qnDi qnDh
qnWi qnWh
log i,h
log
q nDi q nWi
qnDh qnWh
log i,h
故有：
log( qnDi qnWi
)
logi,h logl,h
log
qnDl qnWl
于是有：
qnDi =已知数
代价：中沸器下方塔板分离能力被削弱。
化工原理多组分精馏
化工原理多组分精馏简介多组分精馏是一种常见的化工分离技术，广泛应用于石油、化工、药品等行业中。
本文将介绍多组分精馏的基本原理、设备和操作、影响因素，以及应用案例等内容。
基本原理多组分精馏是通过不同组分的挥发性差异实现分离的一种方法。
在一个精馏塔中，原料液体进入塔顶，经过加热后蒸发，蒸汽上升并与冷却剂进行接触，冷却后变为液体，得到精馏液。
根据不同的沸点，各组分在塔内得到部分蒸发和凝结，最后在塔顶和塔底得到不同组分的纯化产品。
设备和操作多组分精馏通常由以下设备组成：1.精馏塔：用于将混合物分离成多个组分的关键设备。
塔内通常有填料或板式反应器，以增加传质效果。
2.热交换器：用于加热和冷却原料和冷却剂。
3.冷凝器：用于将蒸汽冷却成液体，以获取精馏液。
4.回流器：用于控制精馏液的回流或提供塔顶的回流液。
在操作多组分精馏塔时，需要注意以下几点：1.控制塔顶温度：通过调节加热和冷却剂的流量，控制塔顶温度，确保所需组分能够得到纯化。
2.控制回流比：回流比是回流液与塔顶出口流量的比值。
通过调节回流比，可以改变塔内的传质效果，影响分离效果。
3.利用塔内温度梯度：塔内温度从塔底到塔顶逐渐增加，利用温度差异来实现组分的分离。
影响因素多组分精馏的效果受到多个因素的影响，以下是几个重要的影响因素：1.组分挥发性差异：组分之间的沸点差异越大，精馏效果越好。
2.塔设计：塔的高度、填料或板式的选择，对传质效果和分离效果有直接影响。
3.温度梯度：塔内温度梯度越大，分离效果越好。
4.回流比：适当的回流比可以改善传质效果，提高精馏效果。
5.操作参数：加热剂和冷却剂的流量、操作压力等参数的调节，会直接影响精馏过程的效果。
应用案例多组分精馏在化工领域有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用案例：1.石油炼油：通过多组分精馏，将原油中的各种烃类分离出来，得到汽油、柴油、煤油等产品。
2.药品制造：制药工业中，多组分精馏被用于纯化药物原料，去除杂质，提高药品的纯度和品质。
普通多组分精馏的原理
普通多组分精馏的原理普通多组分精馏是一种常用的物理分离技术，用于将多种组分按照其沸点的差异进行分离和纯化。
其基本原理是利用不同组分的沸点差异，通过加热液体混合物，使其中一个或多个组分蒸发，然后再将蒸汽冷凝，得到纯净的组分。
普通多组分精馏过程中涉及到一系列的操作和装置，其中最基本的装置是精馏塔。
精馏塔通常由一个高度较高的塔筒和一系列水平安装的塔板组成，塔板上设有大量密布的塔板孔和下料孔。
液体混合物通过上部喷淋塔板进入塔筒内，然后在塔板孔的作用下形成多个液滴。
从塔顶向下流动的反流液体与从塔底向上流动的精馏液体相接触，通过蒸汽-液体平衡，发生质量传递和传热过程。
在普通多组分精馏中，通常会选择一种组分作为轻组分，其沸点较低，而将其他组分作为重组分，其沸点较高。
加热后，轻组分蒸发，并被吸附到塔顶的冷凝器中，冷凝成液体，被称为顶产品。
剩余的液体在精馏塔内逐渐升温，重组分逐渐蒸发，与轻组分的冷凝液发生交替相接触，通过多次汽液平衡，使得各组分逐渐富集。
普通多组分精馏的效率受到一系列因素的影响。
首先是加热方式，通常可以选择直接加热或间接加热。
直接加热是通过将加热介质直接接触到精馏塔内，实现对液体的加热，优点是传热效率高，但缺点是介质可能会与组分发生反应。
间接加热是通过介质流经换热器，间接传递热量给液体，优点是可控性好，但传热效率较低。
其次是塔板设计和操作参数的选择。
塔板设计要考虑到液滴的传递和分离，以及液体和气体的接触效率。
操作参数包括物料负荷、回流比、塔板孔的尺寸等，这些参数对精馏的效率和分离效果有着重要影响。
最后是冷凝器的设计。
冷凝器通过将蒸汽冷却并凝结，改变气体和液体之间的相态，从而实现组分的分离。
冷凝器的设计应考虑到冷却介质的选择、冷凝速率以及顶部温度等因素。
普通多组分精馏是一种常见的分离技术，在石油化工、化学工程等领域具有广泛应用。
根据不同的需求，可以选择不同的操作策略和装置设计，以实现高效的分离和纯化。
第3章多组分精馏
2、溶剂的选择性：当原有两组分 A和B的沸点相近， 非理想性不大，加入溶剂后，溶剂与A形成具有较强 正偏差的非理想溶液，与B 形成负偏差溶液或理想溶 液，从而提高了A对B的相对挥发度。溶剂的作用在 于对不同组分相互作用的强弱有较大差异。
在同样压力下，共沸精馏的操作温度通常比萃取精 馏低，故共沸精馏更适用于分离热敏性物料；
共沸精馏可连续操作，也可间歇操作，萃取精馏一 般只能连续操作。
2021年6月
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二、特殊精馏简介
3、反应精馏
1）加入C物质，使之与原体系中的A发生反应，从 而削弱A与B的结合力。
通过反应强化分离
2）反应与分离在塔内同时进行，生产另一种物质 的过程-耦合技术。如乙醇、乙酸反应生成乙酸乙 酯与水，是可逆反应。在塔内反应的同时，将产物 从塔顶采出，提高了反应转化率。
25
一、萃取精馏流程
溶剂的加入位置： 1）若加料混合物是最低 恒沸物，一般在进料口 以上，塔顶几块板下加 入。溶剂进口以上部分 称为溶剂回收段。 2）若进料是最高恒沸物， 溶剂与加料一块加入。
加入位置还与萃取剂的 性质有关。
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二、萃取原理-溶剂的作用
-增大原有组分的相对挥发度
A2s
如果 xs =0
ln(
1 2
)
s
A21 1 2x1
或
ln = ln(
p
s 1
ps2
)T2
A21 1 2x1
忽略温度对蒸汽压比值的影响，在x1 x1时，可得出：
第三章-多组分精馏
3.2.4 实际回流比和理论板数
用Underwood方程求出Rm 后，实际回流比R一般 取作1.30Rm。
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：
Gilliland图、Erbar-Maddox图。
适用于相对挥发度 变化不大的情况
适用于非理想性 较大的情况
32
图3-9 Gilliland图
35
3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法 精馏简捷计算 ——FUG法
Fenske
Underwood Gilliland
Nm
Rm
R、N
36
开始
指定进料条件
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
决定精馏塔操作压力和冷凝器类型 （泡、露点计算）
在塔压下作闪蒸计算
（绝热闪蒸计算）
计算最少理论板数和非关键组分的分离程度
多组分精馏 物系组成
轻非关键组分（LNK），轻组分 轻关键组分（LK） 中间组分
重关键组分（HK） 重非关键组分（HNK），重组分
非分配组分：只在塔顶或塔釜出现的组分； 分配组分：在塔顶和塔釜均出现的组分。 11
3.2.2 最小回流比（Rm）
二组分精馏： 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或夹点。
28
讨论与分析：
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 LK的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥 发度小得多。
对于无中间组分的体系： 如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)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 分割。
对于有中间组分的体系： 如A(LNK)、B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、 E(HNK) 组成的体系，则根据C的相对挥发度是靠近 B还是靠近D来假定C在塔顶和塔釜的分配。
化工原理多组分精馏
化工原理多组分精馏多组分精馏是指在一个系统中同时存在具有不同挥发性的多个组分，通过精馏过程将这些组分分离出来。
这种精馏过程主要应用于化工工业中，其中最常见的就是原油的精馏。
原油是一种复杂的多组分混合物，其中包括烷烃、烯烃、芳烃等多种组分，它们具有不同的挥发性和沸点。
通过多组分精馏可以将原油中的不同组分分离出来，获取高纯度的单一组分或者组分的混合物。
多组分精馏的基本原理是利用组分之间的沸点差异来实现分离。
在一个精馏塔中，通过加热并提供充足的汽化热量，将原油中的各种组分分别汽化成蒸汽。
然后，将蒸汽冷凝成液体，通过不同位置的收集器收集不同组分的液体。
多组分精馏的关键是精馏塔的设计和操作。
一般而言，精馏塔分为顶部回流装置和底部放流装置。
顶部回流装置可以将部分液体回流到塔顶，提供充足的冷却和平衡，使塔内的温度和组分浓度分布达到稳定状态。
底部放流装置用于获取精馏产物，可以根据需要进行连续放流或间歇放流。
在精馏过程中，通过适当调节顶部回流比例、塔内温度和压力等操作参数，可以实现对不同组分的分离。
具体来说，高沸点组分会在上部冷凝器中快速冷凝成为液体，回流到塔顶，而低沸点组分则主要通过中部冷凝器冷凝，并作为精馏产物从塔底放流。
多组分精馏的效果受到多个因素的影响，包括塔板数目、温度和压力梯度、顶部回流比例等。
通常情况下，增加塔板数目可以提高分离效果，但同时也会增加塔设备的复杂性和能耗。
温度和压力梯度可以通过在塔内设置冷凝器和加热器来实现，不同的温度和压力梯度可以提高对不同组分的分离效果。
顶部回流比例的调节可以通过改变塔顶放流的液体量来实现，适当增加回流比例可以提高精馏塔的分离效果。
总之，多组分精馏是一种常用的分离技术，可以将具有不同挥发性的组分分离出来。
通过合理的设计和操作，可以实现高效的分离效果，对于化工工业中的原油精馏等过程具有重要意义。
多组分共沸混合物精馏工艺流程的研究
多组分共沸混合物精馏工艺流程的研究1、萃取精馏的原理在基本有机化工生产中，经常会遇到组分的相对挥发度比较接近，组分之间也存在形成共沸物的可能性。
若采用普通精馏的方法进行分离，将很困难，或者不可能。
对于这类物系，可以采用特殊精馏方法，向被分离物系中加入第三种组分，改变被分离组分的活度系数，增加组分之间的相对挥发度，达到分离的目的。
如果加入的溶剂与原系统中的一些轻组分形成最低共沸物，溶剂与轻组分将以共沸物形式从塔顶蒸出，塔底得到重组分，这种操作称为共沸精馏；如果加入的溶剂不与原系统中的任一组分形成共沸物，其沸点又较任一组分的沸点高，溶剂与重组分将随釜液离开精馏塔，塔顶得到轻组分，这种操作称为萃取精馏。
2、溶剂甄选原理由于萃取精馏混合物多为强非理想性的系统，所以工业生产中选择适宜溶剂时主要应考虑以下几点：（1）选择性：溶剂的加人必须使待拆分组分的相对溶解度提高明显，即为建议溶剂具备较低的选择性，以提升溶剂的利用率；2）溶解性：要求溶剂与原有组分间有较大的相互溶解度，以防止液体在塔内产生分层现象，但具有高选择性的溶剂往往伴有不互溶性或较低的溶解性，因此需要通过权衡选取合适的溶剂，使其既具有较好的选择性，又具有较高的溶解性；（3）沸点：溶剂的沸点应当低于原进料混合物的沸点，以避免构成溶剂与组分的共沸物。
但也无法过低，以防止导致溶剂回收塔釜梅过低。
目前提炼减压蒸馏溶剂甄选的方法存有实验法、数据库查阅法、经验值方法、计算机辅助分子设计法用实验法甄选溶剂就是目前应用领域最广泛的方法，可以获得较好的结果，但是实验花费很大，实验周期较长。
实验法存有轻易法、沸点仪法、色谱法、气论调等。
实际应用领域过程中往往须要几种方法融合采用，以延长吻合目标溶剂的时间。
溶剂甄选的通常过程为：经验分析、理论指导与计算机辅助设计、实验检验等。
若文献资料和数据不全系列，则只有实行最基本的实验方法，或者实行极具应用领域前景的计算机优化方法以谋求最佳溶剂。
多组分精馏
第三章 多组分精馏在化工原理课程中，对双组分精馏和单组分吸收等简单传质过程进行过较详尽的讨论。
然而，在化工生产实际中，遇到更多的是含有较多组分或复杂物系的分离与提纯问题。
在设计多组分多级分离问题时，必须用联立或迭代法严格地解数目较多的方程，这就是说必须规定足够多的设计变量，使得未知变量的数目正好等于独立方程数，因此在各种设计的分离过程中，首先就涉及过程条件或独立变量的规定问题。
多组分多级分离问题，由于组分数增多而增加了过程的复杂性。
解这类问题，严格的该用精确的计算机算法，但简捷计算常用于过程设计的初始阶段，是对操作进行粗略分析的常用算法。
§3-1分离系统的变量分析设计分离装置就是要求确定各个物理量的数值，但设计的第一步还不是选择变量的具体数值，而是要知道在设计时所需要指定的独立变量的数目，即设计变量。
一、设计变量1.设计变量⎩⎨⎧-=：可调设计变量固定设计变量a x c v i N N N N N :v N ：描述系统所需的独立变量总数。
c N ：各独立变量之间可以列出的方程式数和给定的条件，为约束关系数。
要确定i N ，需正确确定v N 和c N ，一般采用郭慕孙发表在AIchE J （美国化学工程师学会），1956（2）：240-248的方法，该法的特点是简单、方便，不易出错，因而一直沿用至今。
郭氏法的基本原则是将一个装置分解为若干进行简单过程的单元，由每一单元的独立变量数e v N 和约束数e c N 求出每一单元的设计变量数e i N ，然后再由单元的设计变量数计算出装置的设计变量数E i N 。
在设计变量i N 中，又被分为固定设计变量x N 和可调设计变量a N ，x N 是指确定进料物流的那些变量（进料组成和流量）以及系统的压力，这些变量常常是由单元在整个装置中的地位，或装置在整个流程中的地位所决定，也就是说，实际上不要由设计者来指定，而a N 才是真正要由设计者来确定的，因此郭氏法的目的是确定正确的a N 值。
4 1多组分精馏
组分分配 分配组分，同时出现在馏出液和釜液中的组分 非分配组分，比LK轻、比HK重之组分 在非清晰分割中，分配组分中就有非关键组分存在。
选择 在进行精馏塔设计或操作过程中，为方便计算或控制，常
采用清晰分割法，即关键组分总是选择沸点相邻的两个组 分，使分配组分的数量最少。
2. a i h在全塔可看成常数
依据：恒浓区概念(chapter9)
关联式：相平衡、物料平衡
2020/9/18
19
Underwood公式：(p100)
i
air ( xi,D )m air
Rm 1
(4-1)
式中：
air xi,F 1 q
i air
(4-2)
air — i 对基准组分 r 的相对挥发度
3
4.1 简单塔
特点：
一股进料
无侧线出料
无中间换热设备
图 4.1
部
分
冷
凝器的简源自单塔表4.1 简单塔的变量数
表4.2 简单塔的独立方程数
变量名称
进料量 进料组成 进料温度 进料位置 进料焓 各板温度 各板压力 各板汽、液相流率 各板汽、液相组成 再沸器和冷凝器负荷 理论板数
∑
变量数 方程类别
方程数
表4.3
变量（C＋6） → 固定变量（C＋2），进
料参数和操作压力 → 余下4个可调设计变量。 → 针对设计型计算或操作
型计算，需指定不同的4 个变量。
简单塔独立变量指定方案之一
独立变量
理论板数 进料量 进料组成 进料温度 进料位置 塔顶压力 回流比 馏出物流率
变量数
1 1 C－1 1 1 1 1 1
对多组分精馏而言，可调变量不会因组分数增加而增 加，仍然为4，指定了回流比和适宜进料位置，只能再 指定两个组分的浓度（最被关心的两个变量），其它 组分的浓度都不能由设计者来指定，须通过计算来获 得。
3.2 多组分精馏
3.2 多组分精馏基本要求：掌握多组分精馏与双组分精馏的异同，多组分精馏的简捷算法；了解多组分复杂精馏和多组分精馏的精确算法及AspenPlus 软件。
重 点：多组分精馏简捷算法。
难 点：多组分精馏精确计算。
3.2.1 多组分精馏过程分析精馏是化工生产中广泛应用的单元操作之一。
它利用液体混合物中各组分挥发度的差异使其得到分离。
在《化工原理》课程中对双组分液态混合物的精馏进行了讨论，但是在实际出产中所遇到的待进行精馏分离的液态混合物往往为多组分。
【实例】聚苯乙烯原料――苯乙烯的精制聚合反应一般要求单体的纯度很高，这里要求苯乙烯含量大于98％。
苯乙烯的制备过程：先由乙烯与苯反应生成乙苯，再由乙苯脱氢得到苯乙烯：CH 2=CH2 + CH 2－CH 3(乙苯)－H 2CH 2－CH 3CH ＝CH 2（苯乙烯）在粗产品中，除主要含有苯乙烯外，还有苯、甲苯、乙苯和焦油等组分，不能满足聚合反应对单体的纯度要求，所以要对多组分的粗苯乙烯进行精馏分离。
因此，研究多组分精馏更具有实际意义。
多组分精馏就是本节要讨论的内容，是本课程的重点之一。
双组分精馏我们已经比较熟悉，为了研究多组分的精馏，我们先比较一下多组分精馏与双组分精馏的异同，以便我们对多组分精馏有个基本的认识。
一. 多组分精馏与双组分精馏的异同 （一）相同点（两者的共性）两者均为精馏，因此有许多共同点。
1.分离依据相同——各组分挥发度的差异（沸点的差异、饱和蒸汽压的差异） 只有混合物中各组分的挥发度（沸点）不同才能通过精馏来分离。
易挥发（沸点低）的组分在塔顶馏出液中含量较高，难挥发（沸点高）的组分在塔釜液中含量较高。
2. 分离原理相同——多次部分汽化、多次部分冷凝使汽相中轻组分浓度不断提高、重组分浓度不断降低，液相中重组分浓度不断提高、轻组分浓度不断降低，从而使轻重组分分离。
2. 设备的基本组成相同——由塔体、再沸器、冷凝器等三个基本部件组成。
4. 计算的理论依据相同——三大平衡（物料衡算、相平衡和热量平衡） （二）不同点（多组分精馏的特性）多组分精馏由于组分增多，因而具有一些与双组分精馏的不同之处。
2011多组分精馏-简洁计算
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。 该法的计算结果可以为严格计算提供初值
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
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 yn
Vn Ln+1 n+1
V LD Vyni Lxn1i DxDi
又因：R=L/D
xn+1i
n
R 1 yni xn1i xDi R 1 R 1
(3) s-线方程（提馏段操作线方程）
yi j 1
Zi 1 计算各板的Kij方程
计算各板汽液相焓方程 计算进料Ki和焓HF方程
计算各板的压力降方程 Σ
N-1 3CN+6N+C+1
(3)总变量数Ni ： Ni= N0-NC = [3CN+6N+2C+7]-[3CN+6N+C+1] =C+6
2、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。
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：
①进行产物分布，产量估计。 ②建立操作线方程 物料衡算有两种方法： ①清晰分割的物料衡算 ②不清晰分割的物料衡算
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log
qnDi qnWi
qnDh qnWh
logi,h
故有：
loq q n n giiW D )(llo oli,,h h g glo q q g n nllW D q q n nh h W D loq q n n gh h W D )(
n-1 n
n m
⑤ 逐板计算求解理论塔板数
当关键组份居中时，可分别从塔顶 和塔底逐板计算，求解精馏段和提 馏段的理论板数，进而求得总理论 板数。
m+1 m
x1i= xwi qnW
精馏段从上至下，依次使用相平衡关系和物料衡算关系， 在进料处，轻、重关键组分满足以下条件：
xxhl
n1
xxhl
q
xxhl
n
xl xh
q
为两关键组分操作线交点横坐标的比值。
xxhl q((R R11))zzF Fhl
(q1)xDl (q1)xDh
第n 块板为进料板
提馏段从下至上计算，直至满足：
xxhl mxxhl q xxhl m1
(2) 最小回流比的求法
恩德伍德公式(Underwood)
Rmin
c i1
ihxDi ih
1
c ihzFi 1 q
i1 ih
说明：使用该式其相对挥发度的基准组分为重关键组份。
θ介于轻重关键组分相对挥发度之间，多用试差法求解。
适用条件：①αih可取为常数（塔两端相对挥发度的平均值）； ② 汽液两相符合恒摩尔流假设；
6.8 多组分精馏
多组分精馏的特点： ① 汽、液平衡关系复杂
yiK ixi i 1 ,2 ,c
● 相平衡常数是温度、压力及浓度的函数。
② 物料衡算关系复杂
yin1 RR1xinRxiD1
i1,2 ,c1
yi(n 1 )L L q q F W F xi(n)Lq W F W xiW
（3）精馏在过程系统内的能量集成 精馏过程的用能与系统的用能统一考虑的技术。 ① 多效蒸馏
高低压双效精馏流程:
A
1
1 2 q n F
A、B
p1>p2
A
1
p1>p2
A
1 A、B
p1>p2
B B
B
1
2 q nF
A
2
q nF
A、B 2
2 q n F
A、B
B
B
A、B
② 中间再沸器和中间冷凝器 中间再沸器： 目的：节省高品位热源。
② 非清晰分割
不满足清晰分割的条件，采用近似方法估计。 给定条件：轻关键组分在馏出液中的回收率;
重关键组分在釜液中的回收率。
方法：享斯特别克法（Hengsteback） 假设： (a) 各组份在馏出液和釜液中的流率分配与回流比无关； (b) 非关键组分在产品中的分配情况与关键组分的相同。
回流比为无限大时，对轻、重关键组分由芬斯克方程得：
分离C个组分的混合物，锐分离的序列数为： [2(C 1)]!
C !(C 1)!
每个序列需要精馏塔（C-1）个。
6.8.1 分离序列的选择
（1）一般确定原则 ① 减少组分汽化次数，降低能耗。 直接序列（顺序流程）：按混合物中组分沸点递升排序，轻组分 依次从塔顶分离出去。
例：四组分A、B、C、D 混合物的分离
② 保证产品质量原则： ● 高纯度产品在塔顶采出； ● 热敏性、易分解或聚合的物料优先分出，减少受 热次数。
③ 经济性原则： ● 尽可能考虑到减少设备费和操作费，易腐蚀、 有毒的组分先分出去； ● 难分离的最后分，此时，气体负荷小、塔径小。
④ 操作管理方便原则：
说明：以上原则是在用普通精馏塔一进二出， 分离出较纯的单一组分为前提下得到的。
（2）多组分分离序列综合 研究始于20世纪70年代，研究方法有： 试探法、调优法、数学规划法等。
6.8.2 全塔物料衡算
（1）关键组份及分离要求的规定 关键组份：根据塔的主要分离目的，选取两组份规定分离要求。 规定其中较难挥发的组份在塔顶不得高于某一允许值，易挥发 组份在塔底不得高于某值。 轻关键组份（l）: 挥发度较大的关键组份； 重关键组份（h）: 挥发度较小的关键组份。
③ 轻重关键组分为相邻组分。
6.8.4 多组份精馏塔理论塔板数的计算
（1） 简捷法 ① 以轻、重关键组分为依据，利用芬斯克公式求Nmin 。
Nmin
log
xl xh
D
logl,h
xl xh
W
② 用Underwood公式求取 Rmin； ③ 根据Rmin，选取适宜的R，利用吉利兰关联图求取所需的NT。
● 各有C-1个操作线方程。
③ 分离程度的确定比较复杂 根据塔分离工艺要求和物流特点，规定两个特定组分的分离程度， 其余组分的分离程度则由分离的流程和操作情况等条件所决定。
④ 流程方案的选定比较复杂 需要的塔多
若要将一混合物完全分离成纯组份产品的分离称之为锐分离， 需多塔操作。采用简单塔操作时C个组分，需C -1个塔。 流程方案多
yn 1 ,iq nq L nq L n q q F nq q n FW xn iq n q L n qW n x q W F q n i W
④ 确定相平衡方程
y1i= xDi
yi Kixi
qnD, xDi
式中：
Ki
ih ihxi
ihKh
qnF, zFi
Nmin
log
xl xh
D
logl,h
xl xh
W
其中：
( xl xh
)D
q nDl q nDh
( xl xh
)w
q nWl q nWh
所以
Nmin
log
qnDl qnDh
qnWl qnWh
logl,h
xni与xmi不一致，称为不契合 。 产生不契合的原因：两端产品组成的浓度是估算值。 解决办法：调整塔两端产品中非关键组分的组成及产品流量
直至契合满足规定的要求。
第m块板为进料板， m 为提馏段理论塔板数。
◆ 精馏是耗能较高的单元操作， 在产品生成成本中占有较大的比 重； ◆ 用能过程，尤其是热能的使用 过程，对热能不仅有量的要求， 而且有质或品位的要求； ◆ 用能过程是能量贬值的过程， 是有效能损失的过程，而不是能 在量上的减少。
精馏过程节能技术： ◇ 精馏塔设计和操作参数的优化； ◇ 多组分分离序列的选择； ◇ 精馏与过程系统的能量集成； ◇ 选择适宜的分离方法替代精馏。 （1）精馏塔设计和操作参数的优化
① 适宜回流比和理论板数的选择； ② 适宜进料位置的选择； ③ 进料热状态的选择； ④ 操作压力的选择。
（2）多组分分离序列的选择 不同序列分离相同产品的成本不同，应选取最适宜的分离序列。
（2）逐板计算法 ------ 刘易斯-麦迪逊（L-M）法 计算前提： ◆ 恒摩尔流假定成立； ◆ 各组分的相对挥发度可近似作为常数处理。 计算步骤：
① 确定馏出液和釜液流率qnD、qnW及组成xDi、xwi；
② 计算最小回流比，确定适宜操作回流比；
③ 确定操作线方程。
yn1,i
R R1xn
iRxD 1i
或：
Nmin
log
qnDl qnWl
qnDh qnWh
logl,h
根据假定（b），对任意组份与重关键组份来说，也有：
Nmin
log
qnDi qnDh
logi,h
qnWi qnWh
于是有：
q nD i =已知数
q nW i
又
qniD qniW fiqnZ F Fi
qnW qnW i
x wi
q nWi q nW
qnD qnD i
x Di
q nDi q nD
6.8.3 多组份精馏的最小回流比
(1) 多组份精馏的恒浓区 在最小回流比条件下， 上恒浓区——进料板以上 下恒浓区——进料板以下
代价：中沸器下方塔板分离能力被削弱。
中间冷凝器 目的：减少主冷凝器高品位冷剂的用量，以减少能耗。
代价：其下方的塔板的分离能力有所下降。
塔增加中沸器及中冷器对塔分离的影响
非关键组份： 比轻关键组分更轻的组分称为轻非关键组分； 比重关键组分更重的组分称为重非关键组分。
分离要求规定：通过规定关键组分的分离要求，对塔的分离结 果进行控制。规定方式有：
◆ 规定轻关键组份在塔顶的组成和重关键组分在塔底的组成； ◆ 规定轻关键组分在塔顶组成及回收率； ◆ 规定重关键组分在塔底组成及轻关键组分在塔顶的回收率。
（2）非关键组份在两端产品中的分配 作为设计型计算，求N，欲知qnD， qnW，必需知 xwi和xDi，
但xwi 、 xDi 又和N有关，故需试差。
估算方法：
① 清晰分割 比轻关键组份更轻的各组分均从塔顶蒸出，比重关键组份 更重的组分，均从塔底排出，且两关键组分为相邻组分，
称为清晰分割。可以进行严格的计算。