多组分分离过程的设计

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本科课程设计

多组分分离过程的设计

系（院）名称：化学与环境工程学院

专业班级：化学工程与工艺

学生姓名：刘威

指导教师姓名：樊晓芳

2014 年10 月

前言 (1)

第一章多组分拟二元相平衡 (2)

1.1 引言 (2)

1.2 拟二元集总组分的概念 (2)

1.3 精馏过程数学模型 (3)

1.4 分离过程综合研究的意义 (3)

第二章基于模拟软件的多组分精馏拟二元简捷设计 (4)

2.1 引言 (4)

2.2 问题描述 (4)

2.3 拟二元法用于多组分精馏塔的设计 (4)

图2-1拟二元简捷设计法的设计框图 (5)

2.3.1 拟二元相平衡的确定 (5)

2.3.2 计算最小回流比 (7)

2.3.3 验证最小回流比 (8)

2.3.4 计算最少理论板数 (8)

2.3.5 计算操作回流比和理论板数 (8)

2.4 实例分析 (8)

2.4.1 实例1 (8)

2.5 本章小结 (10)

第三章基于迭代的拟二元逐级计算的多组分精馏设计法 (11)

3.1 引言 (11)

3.2 基于迭代的拟二元逐级计算法的设计过程 (11)

3.2.1 问题的提出 (11)

3.2.2 逐级计算法进行严格模拟 (11)

3.2.3 拟二元法计算最小回流比 (12)

3.2.4 迭代计算最小回流比 (13)

3.2.5 理论板数的求取和进料板位置的确定 (13)

3.2.6 计算步骤 (14)

3.3 计算实例 (14)

3.3.1 实例1 (14)

3.4 本章小结 (15)

结论 (16)

致谢 (17)

参考文献 (18)

多组分分离过程的设计

摘要:分离过程的设计通常以系统的总费用最小为目标，涉及选择适宜的分离方法，确定最优的分离序列，实现系统热集成等环节，是化工过程系统工程研究的重要问题之一。对多组分分离过程，相平衡模型及计算方法是过程设计最关键也是最复杂的环节，然而目前仍未有更简单有效的针对多组分相平衡问题的计算方法。本文在分析多组分分离过程本身特性的基础上，提出了一种基于拟二元法的相平衡计算方法，并将该法用于分离过程设计问题的研究。

提出基于迭代的拟二元逐级计算的多组分精馏塔的设计法。首先采用基于优化的逐级计算法计算每块塔板上各物质的组成，然后进行拟二元精馏过程的设计。实例研究表明：这一方法也可以容易的得到多组分精馏的最小回流比和最少理论板数；而且也适用于理想、非理想体系，对恒沸精馏该方法也能得到比较好的结果。

提出一种多组分精馏塔的简捷设计法。实例研究表明，这一方法很容易得到多组分精馏的最小回流比和最少理论板数；既可以用于理想的精馏体系又可以用于非理想的精馏体系；对于有夹带剂加入的恒沸精馏过程，这一方法仍然适用。

关键词：多组分分离，设计，拟二元，精馏

前言

分离过程的设计通常以系统的总费用最小为目标，涉及选择适宜的分离方法，确定最优的分离序列，实现系统热集成等环节，是化工过程系统工程研究的重要问题之一。而精馏是目前最重要的多组分分离操作，由于其只需要提供能量和冷却剂就能得到高纯度的产品，且操作简单，因此被广泛应用。但是，精馏的实现需要以能量作为过程进行的推动力，其能耗在整个过程工业中占有重要的位置。为了进一步提高精馏分离过程的可操作性、安全性、经济性以及灵活性，对精馏过程的设计和综合就显得越来越重要。

精馏塔的简捷设计法一般用于过程设计的初始阶段和经验估算。过程综合问题的求解过程一般涉及塔的设计计算，也多采用简捷设计法，而且精馏塔的简捷设计计算还可为严格算法提供比较合理的理论板数、回流比和加料板位置的初值。所以对多组分精馏塔简捷设计的研究仍然具有重要的意义。关于精馏的研究诸多，例如：为达到指定分离要求而需要的最小理论板数的求解，计算最小回流比的方法等。这些简捷法结合了理论与实际经验产生了许多不同的方法，在精馏过程综合中得到了有效的应用。

有关精馏塔简捷设计的研究，前人的工作是卓有成效的。但由于多组分精馏过程的复杂性，以往的设计方法或者对精馏的组分数有所限制或者仅适用于某些特定的精馏体系。在前人工作的基础上结合前述多组分精馏简捷设计研究的不足。本次设计通过对多组分精馏的研究，提出多组分精馏简捷设计的新方法。具体研究内容如下：

(1)对多组分精馏过程进行研究和分析，以拟二元集总组分的概念描述多组分体系，对拟二元相平衡关系进行推导，在此基础上建立拟二元简捷设计模型，并发展两种设计方法。

(2)对多组分精馏的典型实例进行设计计算，以验证设计方法的有效性与合理性。

第一章多组分拟二元相平衡

1.1 引言

气液相平衡关系是精馏塔设计的基础。对于二元精馏体系，按照相律法则，体系有四个变量和两个自由度。如果一个变量被确定，那么另外三个变量中只有一个变量可以无约束自由变化。但是多组分精馏体系要比二元精馏体系复杂的多。对于有n个组分的体系就有n个变量可以独立变化，除了压强恒定外，还需知道(n-1)个其它变量，才能确定此平衡物系，多组分精馏的平衡线图也很难精确得到，到目前为止还没有满意的结果。对于恒沸精馏过程，即使原溶液为二组分溶液，由于加入了恒沸剂，也成为三组分溶液，因此恒沸精馏应按多组分精馏来处理，且为非理想溶液体系。为了解决多组分精馏的这些问题，提出了拟二元相平衡模型。

1.2 拟二元集总组分的概念

对二组分精馏来说，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。对于多组分精馏来说，由于设计变量数仍是 2，而只能指定两个组分的浓度，其组分的浓度不能由设计者指定。所以，通常选取工艺中最关心的两个组分(一般选择挥发度相邻的两个组分)，规定它们在塔顶和塔底产品中的组成或回收率，即分离要求。由设计者指定浓度或提出要求的那两个组分，就称为关键组分。其中，关键组分中挥发度高的组分称为轻关键组分，挥发度低的称为重关键组分[1]。

基于关键组分的概念，本文应用拟二元集总组分来描述多组分体系。拟二元集总组分可通过如下几步得到：对含有 n 个组分的精馏体系，首先将各组分按

照相对挥发度的降序排列：如按降序排列的进料混合物为 C

1,C

2

…C

k

, C

k+1

…C

n

，

则 C

1和 C

n

分别代表最易挥发的和最难挥发的两个组分；第二步，基于分离要求，

确定两个关键组分。比如要求分离 C

k ,C

k+1

两个组分，则 C

k

被叫做轻关键组分，

C k+1被叫做重关键组分；第三步，C

1

,C

2

…C

k

这 k 个组分被集总为一个组分，即拟

轻组分，其他的 C

k+1…C

n

叫做拟重组分。拟轻组分和拟重组分就是拟二元集总组

分。