化工分离过程(第7讲)(3.2多组分精馏过程分析)

x1
y2 y 1
* TB
1.0 B7
3.2.1 多组分精馏过程分析
精馏是多次简单蒸馏的组合。
精馏塔底部是加热区，
温度最高；塔顶温度最低。
精馏结果，塔顶冷凝收 集的是低沸点组分，高沸 点组分则留在塔底。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
1 从塔的中间O点进料； 2 组分B的液、汽相组 成分别为 x3 和 y3； 3 每层塔板都经历部分 汽化和部分冷凝过程；T
4
3.2.1 多组分精馏过程分析

简单蒸馏以及二组分精馏的原理图 关键组分(Key Components) 清晰分割 多组分精馏过程的复杂性
二组分精馏实例：苯－甲苯 三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯 四组分精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯

多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别
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3.2.1 多组分精馏过程分析
2、关键组分
①若无LNK：HK分别在二段出现两个最高点，LK 表现像LNK。 （图3-7） ②若无HNK：LK分别在二段出现两个最高点，HK 表现像HNK。 （图3-8） ③有LNK、HNK，且都不同时出现在顶、釜时： LK在精馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度； HK在提馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度。 （图3-9）

甲苯为LK，二甲苯为HK，两 者的浓度分布曲线变化规律相 同，方向相反。 在 塔 底 处 ， 主 要 分 离 HK 和 HNK，所以此处HK浓度向上 增大；同理，在塔顶处，主要 分离LK和LNK，所以此处LK 浓度向上减小。


图3-9 苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙 苯液相浓度分布
苯为LNK，在进料板以下浓度 快速减小，最终全部进入塔顶； 异丙苯为HNK，在进料板以上 浓度快速减小，最终全部进入 21 塔釜。
i xiF 1 q i
i —组分i 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）； 32 —方程的根，对于c组分系统有c个根，取LK>>HK的根。
3.2.2 最小回流比

除进料板处液体流率有突变 之外，各段的摩尔流率基本 为常数，可视为恒摩尔流。
液体组成的变化在塔顶部较 缓慢，随后较快，接近于进 料板处又较缓慢。进料板下， 情况相似。 由于泡点和组成密切相关， 温度分布图与浓度分布图形 状相似。


图3-4 二组分精馏：苯－甲苯 流率、温度、浓度分布
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3.2.1 多组分精馏过程分析
化工分离过程
Chemical Separation Processes
第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算
2
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算 多组分精馏：
1. 组分数 c>2 2. 求解的变量数目较多——变量分析 3. 塔内分布复杂——过程分析 4. 计算 简捷法：芬斯克—恩德伍德—吉利兰法（FUG） 萃取精馏简化法 共沸精馏图解法 吸收因子法 逆流萃取集团法 3 逐板法：严格计算法（第四章内容）
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3.2.2 最小回流比
R Rm时， N 塔中出现恒浓区
恒浓区——精馏塔中浓度几乎不变的区域
二组分精馏： 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区域或 称夹点区。
e
y
xW
x
xD
xD ye Rm ye xe
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3.2.2 最小回流比
多组分精馏的特点
定义：顶釜同时出现的组分——分配组分 只在顶或釜出现的组分——非分配组分 一般：LK、HK和中间组分为分配组分； 非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。 多元精馏特点： ▼各组分相互影响，最小回流比下，存在上、下恒浓区； ▼所有进料组分受非分配组分的影响， ▼恒浓区位置不一定在进料板处。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：
（1）多组分精馏中，关键组分的浓度分布有极大值。 （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，但进料板浓度不 等于进料浓度。
二组分精馏原理图
* TA y6 T6 x y5 T5 6 x5 T4 x4 O T3 x3 T2 x2 T1
g
y4
定压
y3
x1
y2 y1
* TB
4 越往塔顶温度越低， 含低沸点物质递增； 5 越往塔底温度越高， 含高沸点物质递增。
x
0 A
l
1.0 B
xB
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3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分(Key Components)
精馏装置的设计变量: 可调设计变量 =串级数(2)+分配器(1)+侧线采出(0)+传 热单元(2)=5 (无论有多少个组分)
已指定可调设计变量: 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
剩余的两个可调设计变 量：一般用来指定某个 组分在馏出液中的浓度 和另外一个组分在釜液 中的浓度。
3.2.1 多组分精馏过程分析
多组分精馏浓度分布的特点：
1、进料板附近各组分浓度变化较大，原因是引入的组分包
含全部组成。
2、非关键组分
精馏段：HNK迅速消失； （图3-7、3-9） LNK以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现， 接近顶部急剧增加，在馏出液中达到最高。 （图3-8、3-9） 提馏段：LNK迅速消失； （图3-8、3-9） HNK在再沸器中浓度最高，从釜向上几板下降较 大，然后变化不大，一直延伸到进料板。 （图3-7、3-9）
三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯
图3-5 三组分精馏流量分布

图3-6三组分精馏温度分布

分子汽化潜热不相近，V、L有变化，但V/L接近于常数。 由于非关键组分的存在，在进料板和塔底温度变化较快， 全塔的温度跨度加宽。
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3.2.1 多组分精馏过程分析

苯为LK，从塔底到塔顶，LK 浓度逐渐升高，在塔顶浓度接 近于1。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是2，所以只 能指定两个组分的浓度，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。 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分（HK） 设αih为非关键组分i对HK的相对挥发度。 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
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3.2.1 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 轻关键组分（LK） 中间组分 重关键组分（HK） 挥 发 性 降 低
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3.2.2 最小回流比
（2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：
（3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：
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3.2.2 最小回流比
（4）轻、重组分均为分配组分：
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？
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3.2.2 最小回流比
计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式： 假设： 1、各组分相对挥发度是常数； 2、塔内汽液相流率为恒摩尔流。 Underwood（恩德伍德）公式：
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算
3.1 设计变量 3.2 多组分精馏过程（普通精馏）
3.2.1 多组分精馏过程分析 3.2.2 最小回流比 3.2.3 最少理论塔板数和组分分配 3.2.4 实际回流比和理论板数
3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏） 3.4 吸收和蒸出（解吸）过程 3.5 萃取过程
B C D
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3.2.1 多组分精馏过程分析
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。
下面通过实例分别对二组分精馏和多组分精馏过 程分析进行比较。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
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3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分的指定方法
◆指定回收率
Dl；Wh
◆指定控制量
注意：同一组分 规 定了一端 回收率，另一 端的量已确定。 不能重复！
xDl或xD h；xW h或xW l
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3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分的指定原则
由工艺要求决定 例：ABCD（按挥发度依次减少排列） 混合物分离 工艺要求按AB与CD分开： 则：B为LK；C为HK 工艺要求先分出A： 则：A为LK；B为HK
i ( xiD )m Rm 1 i
i xiF 1 q i
（3-3a）
（3-3b）
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3.2.2 最小回流比
Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：
i ( xiD )m Rm 1 i
（3-3a） （3-3b）
以全回流下的 xiD代替
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3.2.1 多组分精馏过程分析
简单蒸馏只能把双液组分系统中的A和B粗略分开。 1 在A和B的T-x图上，纯 A的沸点高于纯B的沸点。 2 则蒸馏时汽相中B组分 的含量较高，液相中A组 T 分的含量较高。 3 一次简单蒸馏，馏出物中 B含量会显著增加，剩余液 体中A组分会增多。