多组分精馏各组分浓度沿塔分布教案 (2)
多组分精馏课程设计
多组分精馏课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解多组分精馏的基本原理，掌握其关键过程参数。
2. 学生能够掌握多组分精馏塔的物料平衡和能量平衡计算方法。
3. 学生能够运用所学知识分析多组分精馏过程中各组分的分离效果。
技能目标：1. 学生能够运用多组分精馏的原理，设计简单的多组分精馏流程。
2. 学生能够通过计算软件，完成多组分精馏塔的模拟计算。
3. 学生能够通过实验操作，观察并分析多组分精馏过程，解决实际问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学工程学科的兴趣，激发其探索精神和创新意识。
2. 培养学生严谨的科学态度和良好的团队合作精神，使其在学习过程中形成积极向上的情感态度。
3. 学生能够认识到多组分精馏技术在工业生产中的重要性，增强其社会责任感和环保意识。
本课程针对高中化学选修课程，结合学生已有知识水平和认知特点，注重理论与实践相结合。
通过本课程的学习，使学生能够掌握多组分精馏的基本原理和实际应用，培养其解决复杂化学工程问题的能力。
同时，注重培养学生的科学素养和情感态度，为其未来的学术发展和职业生涯奠定基础。
二、教学内容1. 多组分精馏基本原理：包括多组分混合物的相图、精馏原理、关键参数（如回流比、理论塔板数）的概念和影响因素。
- 教材章节：第二章第四节《多组分精馏》- 内容安排：2课时2. 多组分精馏塔的物料平衡和能量平衡计算：介绍多组分精馏塔的物料平衡和能量平衡方法，以及相应的计算公式。
- 教材章节：第二章第五节《精馏塔的物料平衡与能量平衡》- 内容安排：3课时3. 多组分精馏流程设计：学习多组分精馏流程的设计方法，包括流程选择、设备参数计算和优化。
- 教材章节：第三章第一节《多组分精馏流程与设备》- 内容安排：3课时4. 多组分精馏实验操作与模拟计算：通过实验操作和模拟计算软件，观察和分析多组分精馏过程中各组分的分离效果。
- 教材章节：第四章《精馏实验与模拟》- 内容安排：4课时5. 应用案例分析：分析实际工业生产中的多组分精馏案例，了解多组分精馏技术在工业应用中的关键问题及解决方案。
多组分精馏塔课程设计
多组分精馏塔课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解多组分精馏塔的基本原理，掌握其工艺流程和关键参数计算方法。
2. 学生能够描述多组分精馏塔在化工生产中的应用，并解释其重要性与实际意义。
3. 学生掌握至少两种多组分精馏塔的设计方法，并能够运用相关公式进行简单计算。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，针对特定混合物设计出合理的多组分精馏塔工艺。
2. 学生通过实例分析和问题解决，培养实验操作能力，提高观察、分析和解决实际问题的能力。
3. 学生能够利用计算机软件或手工绘图方式，准确表达多组分精馏塔的结构和工艺流程。
情感态度价值观目标：1. 学生通过本课程的学习，培养对化学工程学科的兴趣，激发探索精神和创新意识。
2. 学生在团队协作中，学会沟通与交流，培养合作精神和集体荣誉感。
3. 学生认识到化学工艺在国民经济发展中的重要作用，增强环保意识和责任感。
课程性质：本课程为化学工程与工艺专业核心课程，以实践性和应用性为主要特点。
学生特点：学生具备基础化学知识和一定的化工原理基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：结合课程特点和学生实际情况，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的实际操作能力和创新能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。
通过课程学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 多组分精馏塔原理：讲解多组分精馏塔的工作原理，包括相平衡、理论塔板、回流比等基本概念，对应教材第三章第一节。
2. 多组分精馏塔工艺流程：分析多组分精馏塔的典型工艺流程，如petrofrac、McCabe-Thiele方法等，结合实例进行讲解，对应教材第三章第二节。
3. 多组分精馏塔关键参数计算：详细介绍关键参数的计算方法，如理论塔板数、塔径、塔内液汽流率等，并通过习题进行巩固，对应教材第三章第三节。
4. 多组分精馏塔设计方法：讲解两种以上的多组分精馏塔设计方法，如简捷法、模拟法等，并指导学生运用相关软件进行模拟计算，对应教材第三章第四节。
多组分精馏-简洁计算PPT课件
W
要求分离度越高，
xl xh
D
xh xl
反之相N 反m 。
W
关键组分挥发度相近，lg lh N反之m 相反。
.
48
3、Fenske公式计算Nm (2) Fenske公式的适用范围和讨论：
*全回流，恒摩尔流，α在全塔范围内变化不大为基
础。一般取 顶•釜 或 3顶•进•釜
*任意一对组分，适用于二元精馏，也适用于多元精馏。
.
7
一、多组分精馏过程分析
.
8
.
9
• 简单塔
.
10
.
11
二、设计变量（简单塔）
1、独立变量数
Ni= Nv-NC Nv为独立变量数， NC为约束方程式数， Ni为设计变量数
条件：C个组分，N块理论板的精馏塔
.
12
(1)总变量数N0 ： 令下标i---代表i组分
j---代表j第块理论板
变量
F, 进料量
.
5
多组分精馏过程：
• 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
.
6
多组分精馏塔：
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。
1
Σ
C+3
还有三个变量
没有给出呢????
.
16
剩下三个变量一般从下列四项中， 根据设计任务的需求进行选择。
多组分精馏简述 2
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 多组分精馏第二节
19
最少理论级数用Fenske 方程计算
N Tmin
xD 1 xW log( )( xW 1 xD log α
) (α α α ） 顶 底
20
Fenske’s方程的几点说明
•
当挥发度介于LK与HK挥发度之间
时，若按全回流的分配代替最小回 流下的分配，实际上是略微提高了
要求。
26
注意
• 清晰分割假定比较实用的情况：
1、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； 2、对于无中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的
• 液相组成由上而下连续降低，
但精馏段、提馏段的中段温 度变化稍快，对应的温度变 化也如此。
9
二、多组分精馏特性
三元精馏：苯－甲苯－异丙苯精馏塔内汽、液流率分布 、温度分布
(虚线表示按摩尔流假设的模拟结果)
10
图3-5三元精馏：苯（1）-甲苯（2）-异丙苯（3）三组分（甲苯馏出液中回收率99%） 图3-6四元精馏：苯（1）-甲苯（2）-二甲苯（3）-异丙苯（4）四组分（甲苯在馏出液中 的回收率为99%）。 根据给定的要求，甲苯为轻关键组分，二甲苯为重关键组分，苯为 轻组分，异丙苯为重组分。
• 原则：在操作回流比下精馏段与提馏段理论板
数之比，等于在全回流下用Fenske’s方程分别 计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比
• Kirkbride经验式:
N R xHK , F N S xLK , F
天津大学化工分离工程教案第3章多组分精馏和特殊精馏精品文档
—方程的根。 取LK>>HK的根
19
3.1.3 最少理论板数（Nm）和组分分配
全回流对应最少理论板数，但全回流下无产品采出， 因此正常生产中不会采用全回流。 什么时候采用全回流呢？
Fenske
Underwood Gilliland
Nm
Rm
R、N
34
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
（Fenske eq.）
no 计算值与估计值是否接近
图3-6 四组分精馏液相组成分布
11
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，但进料板 含量不等于进料含量。
2
xA xB
2
由物料衡算：
yA yB
3
xA xB
2
可得： x xB AD12x xB A212y yB A3
依此类推到塔釜：
xxB AD12N1NxxB AW （3-5）
（1）萃取精馏（Extractive Distillation）： 加入的质量分离剂不与被分离系统中的任何组分 形成共沸物，而其沸点又较原有的任一组分高， 从塔釜离开。加入的质量分离剂称为溶剂。
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。
化工原理多组分精馏讲解
组分 组成(mol%)
甲烷 5
乙烷 丙烯 丙烷 异丁烷 正丁烷 35
3
∑ 100
15
20
10
0 2
15
分离要求是：馏出液中
xD,C 2.5% ，釜液中 x w ,C 5.0%
试用清晰分割法确定馏出液和釜液的产物组成。 解题步骤： 1、设进料基准为100kmol 2、以乙烷为LK，丙烯为HK进行物料衡算。
A.B.C
A
B
A.B.C.D
A.B.C.D
B.C.D
D （d）
C
D （e）
B.C
C
图4-2 四组分精馏的五种精馏方案
Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology
4.1 2 多组分精馏方案的选择原则
如使用并联 流程，易分 解、聚合的 物质减少加 热次数或降 低操作温度！
D1=10 D2(lk)=x
3、清晰分割法的应用范围：
1）各组分间αi,j 较大； 2）LK和HK相邻的物系。
F1=10 F2(lk)=20 F,3(hk)=30 F4=25 F5=15
D3(hk)=y D4=0 D5=0
4、清晰分割法物料衡算法
1）比LK更轻组分的物料衡算式：
wi 0 d i f i (1 i L 1)
Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology
简捷法计算流程
开始 规定进料 规定两个关键组分的分配 估计非关键组分的分配
确定塔压和冷凝器的类型
在塔的操作压力下对进料作闪蒸计算
计算最少理论塔板数 计算非关键组分的分配
第三章 精馏3-1多组分精馏
⑵名词解释
3.1
多 组 分 精 馏
① 轻、重关键组分 在设计或操作控制中,有一定分离要 求,且在塔顶、塔釜都有一定数量的组分 轻关键组分，指在塔釜液中该组分的 浓度有严格限制，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
⑵名词解释
② 非关键组分
3.1
多 • 计算平衡级N、回流比R、进料位置NF 等 组 将多组分溶液简化为一对关键组分的分离 分 物料衡算按清晰分割计算，求得塔顶和塔釜的 精 馏 流量和组成；
用芬斯克公式计算最少理论级数； 用恩德伍德公式计算最小回流比； 用吉利兰关联图求得理论级数N
参考文献
⑴清晰分割的物料衡算
3.1
多 组 分 精 馏
一、多组分精馏过程分析
（Analysis of multicomponent distillation process）
简单蒸馏和平衡蒸馏的区别
简单蒸馏
3.1
多 组 分 精 馏
⑴精馏操作流程
• 3.1 • 多 • 组 分 精 • 馏 分析： 平衡蒸馏以及简单蒸馏只能使混合液得到 部分分离 简单蒸馏操作是对液体的连续部分汽化， 釜液组成沿t—x（y）相图的泡点线变化，其 结果可得难挥发组分含量很高的釜液 在一定压力下，将混合蒸汽进行连续部分 冷凝，蒸汽相的组成沿t—x（y）相图的露点 线变化，结果可得到易挥发组分摩尔分数y很 高的蒸汽 精馏过程正是这二者的有机结合。
多 组 分 精 馏
小 结
3.1
多 组 分 精 馏
★流量分布 分子气化潜热相近，可视为恒摩尔流 例：苯—甲苯物系（图3-1） 苯—甲苯—异丙苯物系（图3-2） 分子气化潜热不相近,V、L有变化， 但L/V变化不大。 ★温度分布 泡点与组成密切相关，温度分布接近组 成分布形状。（图3-1），（图3-2）。
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
精馏PPT课件
3.1.2 最小回流比
R Rm时， N 塔中出现恒浓区
恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域
1R. m 时，恒浓区出现的情况
二元精馏：
e
恒浓区
Rm
xD ye ye xe
y
恒浓区：一个，出现在
xW x xD
进料板
<页脚>
多元精馏：
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
1. 在[l r ,hr ]中设 b式 试差确定 2. 将代入a式 Rm
注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在
l r , hr之间试差出几个 ，解出
几个Rm，最后取平均值。
例3-1 试计算下述条件下精馏塔的最小回流比。 进料状态为饱和液相q=1.0。
本计算所用到的数据列表如下（组成：摩尔分数）
编号 组分
<页脚>
精馏塔的任务：
LK尽量多的进入塔 顶馏出液；
HK尽量多的进入塔 釜釜液。
对于精馏中的非关键组分：
设 ih 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
lh ih hh :
— i为中间关键组分
二、相平衡常数和分离因子 定义：K i yi xi
实际上由设计者指定浓度和提出要求的那两个 组分，实际上也就决定了其它组分的浓度。
这两个组分称为关键组分：轻关键组分和重关 键组分。
（1）关键组分的概念
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。
例如，石油裂解气的组成如下。深冷分离工艺要求塔顶回收乙 烷97%，塔底回收丙烯99%。
第3章-多组分精馏和特殊精馏
主要内容
3.1 多组分精馏
重点掌握
3.2 萃取精馏和共沸精馏
掌握
3.3 反应精馏
了解3.4 加盐精馏自学来自3.1 多组分精馏过程
3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1.2 最小回流比 3.1.3 最少理论塔板数和组分分配 3.1.4 实际回流比、理论板数、进
料位置
一、关键组分（Key Components）
F
余下的2个可调设计 变量一般用来指定 某个组分在馏出液 和另一个组分在釜 液中的浓度。
i、j为在精馏中起关键作 用的组分，称关键组分。
i：挥发度大的组分，称轻关 键组分，表示：LK，下标：l j：挥发度小的组分，称重关 键组分，表示：HK，下标：h
对于精馏中的非关键组分：
设αih为非关键组分i对HK的相对挥发度。 若：α > α : ih lh — i为轻组分，表示： LNK
Na=串级数(2)＋分配器(1) ＋侧线采出(0)＋传热单元(2)
=5 （不论有多少个组分）
已被指定的可调变量： （1）进料位置 feed stage location ； （2）回流比 reflux ratio ； （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。heat transfer area of the condenser or condensate temperature( i.e., saturated liquid)
α
i
h
<
α hh
:
— i为重组分，表示： HNK
α >α >α : lh ih hh ���������������������������������������������������������������
3.1 多组分精馏过程2012-3-23
20122012-5-7
12
化工分离工程
3.1.1 多组分精馏过程分析
（2）多组分精馏塔内温度与理论板的关系 比较二组分图3-4和多组分图 温度 比较二组分图 和多组分图3-5温度与理论板的关系 和多组分图 温度与理论板的关系
图3-4 二组分精馏塔温度分布
甲苯-异丙苯精馏塔内温度分布 图3-6 苯-甲苯 异丙苯精馏塔内温度分布 甲苯
塔底产物
化工分离工程
3.1.1 多组分精馏过程分析
2、组分在塔顶、塔底产品中的预分配 组分在塔顶、
（1）清晰分割
清晰分割 非清晰分割
A—几乎全部 或可能是全部 B—绝大部分 C—限制量 D—少量/微量 少量/ E—微量
（2）非清晰分割
N 进料 A 轻组分 B（LK）轻关键组分 LK） C（HK）重关键组分 HK） D 重组分 E 重组分 塔底产物 塔顶产物 A—全部 B—部分 C—限制量
进料
清晰分割
A—全部 B—部分 C—限制HK 限制HK
N
塔顶产物
重组分全部进入釜 液产品， 液产品，轻组分全 部进入馏出液产品 中。 非关键组分在两产 品中的分配可以通 过物料衡算求得。 过物料衡算求得。
20122012-5-7
A 轻组分
B（LK）轻关键组分 LK） C（HK）重关键组分 HK） D 重组分 E 重组分 塔底产物 B—限制量LK 限制量LK C—大部分 D—几乎全部 E—全部
20122012-5-7 9
A—几乎全部 或可能是全部 B—绝大部分 C—部分 D—限制量HK E—少量/微量 少量/
N 进料
塔顶产物
A—轻组分
B—（LK）轻关键组分 LK） C —中间组分 D—（HK）重关键组分 HK） E—重组分 A—少量/微量 少量/ B—限制量LK 限制量LK C—部分 D—绝大部分 E—可能是全 部或几乎全部
第三章_多组分精馏2
关键组分的特点
只有无LNK，且α l h较大，塔顶可采出纯 较大，塔顶可采出纯LK ◆只有无 ， 只有无HNK，且α l h较大，塔釜可采出纯 较大，塔釜可采出纯HK。 只有无 ， 。
对于精馏中的非关键组分： 对于精馏中的非关键组分： 非关键组分 设 α ih为非关键组分i对HK的相对挥发度。 相对挥发度。 相对挥发度
若： α i h > α l h : — i为轻组分，表示： LNK 为轻组分，表示： α i h < α hh : 为重组分，表示： — i为重组分，表示： HNK αl h > αi h > αhh : — i为中间关键组分
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
第3章 多组分精馏和特殊精馏 章
3.1 设计变量 3.3 萃取精馏
3.2 多组分精馏过程
3.4 共沸精馏
3.5 反应精馏和加盐精馏
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
3.1 设计变量
3.1.1 单元的设计变量 3.1.2 装置的设计变量
可指定为平衡单元温度
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
例3. 绝热简单平衡级
VO
Li
LO
数 C 1 C 2 2C+3
Ne :
C
Vi
e NV = 物流数(C + 2) = 4(C + 2) = 4C + 8
∴ N ie = (4C + 8) − (2C + 3) = 2C + 5 其中： 其中： N e = （C + 2） 1 = 2C + 5 + x 2 e Na = 0
化工分离工程
化工原理精馏教案
化工原理精馏教案(共2页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--蒸馏1.蒸馏的定义指利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的传质过程。
将液体沸腾产生的蒸气导入冷凝管，使之冷却凝结成液体的一种蒸发、冷凝的过程。
蒸馏是分离混合物的一种重要的操作技术，尤其是对于液体混合物的分离有重要的实用意义。
2.蒸馏的特点通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的产品，而吸收和萃取还需要如其它组分；蒸馏分离应用较广泛，历史悠久；能耗大，在生产过程中产生大量的气相或液相。
3.蒸馏的分类按方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏．按操作压强分：常压、加压、减压按混合物中组分：双组分蒸馏、多组分蒸馏按操作方式分：间歇蒸馏、连续蒸馏蒸馏操作的分离前提是同一操作条件下各组份的挥发度不同。
组份间挥发度相差越大，在造成第二相时越容易分离。
气液相平衡关系是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算的理论基础。
4.结晶定义热结晶的饱和溶液冷却后，溶质以晶体的形式析出这一过程叫结晶。
5.结晶原理溶质从溶液中析出的过程，可分为晶核生成（成核）和晶体生长两个阶段，两个阶段的推动力都是溶液的过饱和度溶液中溶质的浓度超过其饱和溶解度之值）。
晶核的生成有三种形式：即初级均相成核、初级非均相成核及二次成核。
在高过饱和度下，溶液自发地生成晶核的过程，称为初级均相成核；溶液在外来物（如大气中的微尘）的诱导下生成晶核的过程，称为初级非均相成核；而在含有溶质晶体的溶液中的成核过程，称为二次成核。
二次成核也属于非均相成核过程，它是在晶体之间或晶体与其他固体（器壁、搅拌器等）碰撞时所产生的微小晶粒的诱导下发生的。
对结晶操作的要求是制取纯净而又有一定粒度分布的晶体。
晶体产品的粒度及其分布，主要取决于晶核生成速率(单位时间内单位体积溶液中产生的晶核数)、晶体生长速率（单位时间内晶体某线性尺寸的增加量）及晶体在结晶器中的平均停留时间。
第三章 3.4 多组分精馏2
当R Rop，总费用随R的减小而急剧增加 当R Rop，总费用随R的增大而增加 故通常取 一般取 R = 1.2 ~ 1.5 Rmin R = 1.3 Rmin
R↑=>N↓ 塔径、再沸器、 冷凝器增大
15
刘志伟. 回流比对操作费和设备费的影响. 现代化工. 1997(3):34~36
2、理论板数
4
五、最小回流比（Rmin）: Underwood方程
1. 二元精馏：最小回流比下，出现1个恒浓区或称夹点。
典型理想体系，夹点位于进料级
1.0
P x=xD x=zF x=xB
1.0 (a)典型理想系统
5
y
0
x
恒浓区位置
二元精馏 恒浓区
典型非理想体系，夹点位于进料级以上
1.0
P x=xD x=xB x=zF x
（4）轻、重组分均为分配组分(all components distributed)
少 见
7
3. Underwood方程：计算Rmin
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
（3-3b)
（3-3a)
8
3. Underwood方程：计算Rmin
首先，用试差法解出式（3-3b）中的θ 值。 分配组分只有轻重关键组分两个时，则θ 只 有一个，且αH,r < θ < αL,r。 分配组分不止轻重关键组分时，则有m个θ 值，m比分配组分数小1。且θ 位于分配组分 的两个相邻相对挥发度之间。 实际计算中，xi,D常近似用全回流条件下的馏 出液的组成
最小理论板数(Nmin)和最小回流比(Rmin)是两 个极限条件，它们确定了塔板数和操作回流 比的允许范围，有助于选择特定的操作条件。 回流比影响操作费用 理论板数影响精馏塔设备投资 N↑ R↓
多组分精馏.
设XW，用XD计算≥XD平均判断所设正确与否。 （1）找XW与W的关系----目的是用XW算出W （2）找XW与XD的关系
方法：列微分时间内的物料衡算式 设某瞬间d： 进入量=0；流出液 dD、XDdD、XD；
塔釜累积量 dW、 d（WXW）、XW；
注：是对数坐标
ih
1-6-4 最小回流比 多组分精馏中，恒浓区有两个：以加料板为界，分上恒浓
区和下恒浓区。 恩德伍得公式：
用试差法先求出值，然后计算回流比。
1-6-4 理论板层数的确定
一、简捷法（用芬斯克方程和吉利兰图）
用轻重关键组分计算Nmin和精馏段的（Nmin）精
二、逐板计算法 平衡方程
yi
1
ihxi
ih 1xi
操作线方程
y i ,n1
R R 1 xi,n
xDi R1
yi,m1
L
L qF qF W
xi,m
L
Wx i,W qF W
设d时间内：汽化量dV kmol，流出液量dD，回流液量dL 冷凝器物料衡算式： dV dL dD dL dD dD (R 1)dD
dD
3.总汽化量V总 （列物料衡算微分方程式求解）
设d时间内：汽化量dV kmol，流出液量dD，回流液量dL 冷凝器物料衡算式： dV dL dD dL dD dD (R 1)dD ①
（已知P、气相组成yi） 设t露
由列线图查Ki值
调
计算
n
yi
整
i1 K i
t露
n
yi
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多组分精馏各组分沿塔浓度分布规律
提馏段的操作线方程：
''''m m W L W y
x x L W L W
+=---1
q 线方程（精馏段和提馏段交点的轨迹方程）：F q y x x q q =
---1
11
**逐板计算法和图解法求解** （三）多组份精馏的一些基本概念 关键组分
1、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)
2、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
因此：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（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）。
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 ）
3、确定关键组分后可将多组分精馏物系组成按相对挥发性分成如下部分： 轻非关键组分（LNK ） 轻关键组分（LK ） 中间组分 重关键组分（HK ） 重非关键组分（HNK ）
4、精馏塔的任务：
使LK 尽量多地进入馏出液，要严格控制其在釜液中的量； 使HK 尽量多地进入釜液，要严格控制其在馏出液中的量。
只有无LNK ，且αlh 较大，塔顶可采出近于纯LK ；
只有无HNK ，且αlh 较大，塔釜可采出近于纯HK 。
5、关键组分的指定原则：先确定混合分离次序再指定关键组分。
例：ABCD （按挥发度依次减少排列）混合物分离次序 假如：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 2、清晰分割：
馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。
那么，根据组分是否在精馏塔的塔底和塔顶都出现，可分为分配组分和非分配组分。
（四）多组分精馏各组分沿塔浓度分布规律
1、苯-甲苯
2、苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯体系（HNK）3.苯（LNK）－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯体系（HNK）
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；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。
提馏段：LNK迅速消失；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。
3、①若无LNK：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现像LNK。
②若无HNK：LK分别在二段出现两个最高点，HK表现像HNK。
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。