第4章 精馏计算(4,5)(拓展)

多元精馏分离的最小回流比 （2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：
重组分恒浓区
轻组分恒浓区
（3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：
重组分恒浓区
轻组分恒浓区
Company name

多元精馏分离的最小回流比
（4）轻、重组分均为分配组分：
重组分恒浓区
轻组分恒浓区
多元精馏分离的最小回流比 多组分精馏中的恒浓区 （1）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 的浓度降到零，这一段不可能是恒浓区，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部。
重组分恒浓区
轻组分恒浓区
Company name

全回流条件下的最小理论板数
当 ir 在全塔范围内变化不大时，可以用一个平均的 代替所有的 ir ，可以用全塔的 几何均值来表示：
N 1 N N 1...... W
(a)塔顶为全冷凝器时： (b)塔顶为分冷凝器时：
lg Nm

xi xr D xr xi
LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制； HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制。
◆只有无LNK，且αlh 较大，塔顶可采出纯LK;
只有无HNK，且αlh 较大，塔釜可采出纯HK。
Company name

多组分精馏过程分析
根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为分 配组分和非分配组分。
注意：若 LK
HK 挥发度不相邻，可在 a l r , a 、 hr 之间试差出几个 q ，解出 几个 R ，最后取平均值。 m
4.4 多元精馏的简捷计算
全回流条件下的最小理论板数
全回流是精馏操作的一种极端情况，即在塔顶和塔底的 分离要求下，全回流时所需理论板数最小。 N Fenske公式计算Nmin的出发点 Nm Rm 当R 当N ∞时，N=Nm ∞时，R=Rm R R=L/D, 只有当D = 0时，R= ∞, 即全回流时。
lg ir
W 1
lg Nm

yi yr D x r xi
lg ir
W 2
Company name

全回流条件下的最小理论板数
Fenske公式的表示形式：
lg Nm

x LK x HK x HK x LK D
e
y
恒浓区 恒浓区
xW
x
xD
恒浓区：一个，出现在进料板
Company name

多元精馏分离的最小回流比 多元精馏特点： ▼各组分相互影响，存在上、下恒浓区；
▼所有进料组分中有非分配组分的影响；
▼恒浓区位置不一定在进料板处。
Company name

Company name

4.4 多元精馏的简捷计算
Company name

4.4 多元精馏的简捷计算 简单塔
Company name

4.4 多元精馏的简捷计算
Company name
Company name
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、甲苯、异丙苯精馏 塔内液相浓度分布

4.4 多元精馏的简捷计算
多组分精馏过程分析
Company name

4.4 多元精馏的简捷计算
多元精馏过程特点：
温度分布：温度分布从再沸器到冷凝器单调下降 产品组成 二组分精馏：塔顶和塔底的产品组成可以唯一地确定 多组分精馏：塔顶和塔底的产品组成不能完全确定 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：在进料板液相组成有突变，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 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
最小回流比条件下会出 现恒浓区，区内无分离 效果，需无穷多理论板。 如何计算最小回流比？
Company name

多元精馏分离的最小回流比 计算 Rm 的Underwood（恩德伍德）公式：
该法假设：1.恒摩尔流
2.αih 在全塔可看成常数 依据：恒浓区概念 关联式：相平衡、物料平衡
Company name

非关键组分的分布
在实际部分回流时，可以用全回流近似法假定各组分在 塔顶和塔底产品中的摩尔分率与全回流时相同，则产品 中各组分的摩尔分率也可用Fenske方程计算。对于任意 组分i 和重关键组分，有
xDi x Dh lg N min lg ih lg xWi xWh
上式可改写成
x Di lg k lg ih b xWi
Di lg k lg ih b Wi
Company name

多元精馏分离的最小回流比
二元精馏： 最小回流比时： R Rm时， N 塔中出现恒浓区
恒浓区（夹点）— 精馏塔中全部浓度不变的区域。
若： i h l h : — i为轻组分，表示： LNK i h hh : — i为重组分，表示： HNK l h i h hh : — i为中间关键组分
Company name

多组分精馏过程分析
多组分精馏物系组成：
轻非关键组分（LNK），轻组分
Company name

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。 通常，把由设计者指定分离要求的这2个组分称为 关键组分(key component)。 挥发度大的组分，称轻关键组分，LK (light) 挥发度小的组分，称重关键组分，HK (heave)
Company name

全回流条件下的最小理论板数
Fenske公式计算Nmin R-线方程 yni
R 1 xn 1 i x Di R1 R1
L qF W xm 1 i xWi L qF W L qF W
S-线方程
ymi
Company name

多组分精馏过程分析
关键组分的指定方法 ◆指定回收率：jDl 、 jWh ◆指定控制量：xDl 或 xDh 、 xWh 或 xWl
注意：同一组分，规定了 一端的回收率，另一端的 量已确定。不能重复！
Company name

R= ∞时，F = W = D= 0 时，代入得
yni xn1i
ymi xm1i
可以全用下标n来表示全塔各相邻板情况：
yni xn1i
① 全回流时全塔操作线方程
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
Company name

Company name

多元精馏分离的最小回流比 Underwood公式：
Rm
n
n
ij ( x Di )m ij
1
以全回流下 的xiD代替
i 1
ij xFi 1 q i 1 ij
ij —组分i 相对j的相对挥发度；
(xiD)m —最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数； xiF —进料中组分i的摩尔分数； q —进料热状态参数（进料液相分率）； —方程的根。取 > > 的根
LK HK
Company name

多元精馏分离的最小回流比
Rm解法： 1. 在第二式中设 试差确定 2. 将代入第一式中 Rm

xl xh xh xl D
lg lh
W
xl 要求分离度越高， x h D
关键组分挥发度相近，lg
xh x l W
Nm Nm
反之相反。
lh
反之相反。
Company name

全回流条件下的最小理论板数
多组分精馏过程分析
已被指定的可调变量：
（1）进料位置；（2）回流比；（3）全凝器饱和液 体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。 剩余的2个可调设计变量往往用来指定组分在馏出液 和釜液中的浓度。 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的 浓度，也就确定了釜液的全部组成。
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
Company name

多组分精馏过程分析 关键组分的特点:
◆LK和HK形成分离界线，且αlh 越小，分离越难。 ◆精馏中： D l D轻；W h W重

4.4 多元精馏的简捷计算
多元精馏过程：
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。 大部分的精馏过程中，处理对象为多元混合组成，多元精馏即多 组分精馏。 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。
定义：塔顶、塔釜同时出现的组分—分配组分
只在塔顶或塔釜出现的组分—非分配组分
一般：LK、HK和中间关键组分为分配组分； 非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。 清晰分割(sharp split or sharp separation)： 馏出液中除了重关键组分之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分之外，没有其它轻组分。