3.1 多组分精馏过程

轻组分恒浓区
24
3.1.2 最小回流比（Rm）
（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：
25
3.1.2 最小回流比（Rm）
（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？
26
3.1.2 最小回流比（Rm）
3.1.2 最小回流比（Rm）
为完成某一分离任务，所需的理论塔板数为无穷多
时的回流比称为最小回流比。
二组分精馏：
最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。
恒浓区
多组分精馏：
最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键组分
的存在，恒浓区出现的部位要较二组分精馏复杂。
23
3.1.2 最小回流比（Rm）
一、关键组分（Key Components）
串级数(2) 分配器(1) 侧线采出(0) 传热单元(2)
Na=5
F
已被指定的可调变量：
余下的2个可调
（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。
设计变量往往用来 指定组分在馏出液 和釜液中的浓度。
4
3.1.1 多组分精馏过程分析
第三章 多组分精馏和特殊精馏

3.1 多组分精馏过程 ★ 3.2 萃取精馏和共沸精馏 ★ 3.3 反应精馏
3.4 加盐精馏
重点-多组分多级分离过程分析和简捷计算!
3.1 多组分精馏过程

3.1 多组分精馏过程

3.1.1 多组分精馏过程分析

1 、关键组分 2、 组分在塔顶、塔底产品中的预分配 3 、多组分精馏过程特征
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
（1）清晰分割 （2）非清晰分割
N 进料 A 轻组分 B（LK）轻关键组分 C（HK）重关键组分 D 重组分 E 重组分 塔底产物 塔顶产物 A—全部 B—大部分 C—限制量
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 E—微量
重组分：在加料上面几
块板中， HNK浓度迅速 下降。
图3-4 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布 （条件同图3-2，3-3）
3.1.1 多组分精馏过程分析
2）轻关键组分浓度分布
轻关键组分：由于轻组分存 在，造成轻关键组分浓度分 布出现两个极大值。
图3-5 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布 （甲苯在馏出液中回收率为99%，其它条件同图3-2）
（1）多组分精馏塔内流量与理论板的关系
比较二组分图3-1和多组分图3-2流量与理论板的关系
进料板
图3-1 二组分精馏塔流量分布
进料板
液汽流量有一定的变化 液气比L/V却接近常数
图3-2 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内汽、液流量分布
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3-1和多组分图3-3温度与理论板的关系
对于两组分精馏，指定馏出液中一个组分的浓度，就确
定ห้องสมุดไป่ตู้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，待定设计变量数仍是2，所以只能
指定两个组分的浓度，其他组分的浓度不能再由设计者 决定。
关键组分——选取工艺中最关心的两个组分，指定他们
在塔顶和塔底产品中的分配，将对整个溶液的分离起关 键性的作用。
多组分精馏 物系组成：
关键组分的指定原则
由工艺要求决定
脱乙烷塔设计条件
No. 原料组成 mol / %
α
7.356
2.091 LK
1
2
甲烷
乙烷
5
35
3
4 5 6
丙烯
丙烷 异丁烷 正丁烷
15
20 10 15
1.000
0.901 0.507 0.408
HK
分离要求：馏出液中丙烯≤2.5 %; 釜液中乙烷≤5.0 %
3.1.1 多组分精馏过程分析
3）轻组分和重组分同时存在时，轻、重关键组分浓度分布
当有轻组分和重组分存在时， 轻关键组分浓度在加料板以下 的极大值和重关键组分在加料 板以上的极大值均被压低，甚 至无极大值的特征。
图3-6 苯-甲苯-二甲苯-异丙苯四组分精馏塔内液相浓度分布
3.1.1 多组分精馏过程分析
28
R m 解法： 1 . 在 [ l r , h r ]中设 试差确定 2 . 将 代入 a 式 R m
b式

注意：若 LK 、 HK 挥发度不相邻，可在 l r , h r 之间试差出几个 ，解出 几个 R m ，最后取平均值。
例3—1 计算最小回流比
x 已知： i , F , x i , D , q 1 . 0
2、组分在塔顶、塔底产品中的预分配
u
3.1.1 多组分精馏过程分析
ik ( x i , D ) m
★ 在多组分精馏计算中， N a 5 Rm 1 ik 规定： 顶 一个组分（组成、回收率、纯度或最少检出量） ik x i , F 关键组分 1 ） q 底一个组分（组成、回收率、纯度或最少检出量 ik

3.1.2 最小回流比 3.1.3 最少理论板数和组分分配 3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法
3.1.1 多组分精馏过程分析
多组分精馏过程分析就是分析精馏塔内的温度、流率和浓
度分布。

1 、关键组分 2、 组分在塔顶、塔底产品中的预分配

3 、多组分精馏过程特征
3.1.1 多组分精馏过程分析
A 轻组分
B（LK）轻关键组分 C（HK）重关键组分 D 重组分 E 重组分 塔底产物 B—限制量LK
C—大部分
D—几乎全部 E—全部
2、组分在塔顶、塔底产品中的预分配 3.1.1 多组分精馏过程分析 （2）非清晰分割
若两关键组分不是相邻 组分，或者虽然是相邻 组分，而进料中非关键 组分的相对挥发度与关 键组分相差不大。 塔顶产品中含有中间组 分（介于轻、重关键组 分之间）和重组分。 塔底产品中含有中间组 分和轻组分。 两产品中各组分的分配不能用物料平衡关系计算。 非清晰分割
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：
Rm

i ( x iD ) m i
1
（a）

i x iF i
1 q
（b）
27
3.1.2 最小回流比（Rm）
Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：
B—限制量
C—大部分
D—几乎全部 E—全部
A—微量 B—限制量 C—大部分 D、E—可能是全部 或几乎全部
3.1.1 多组分精馏过程分析
3、多组分精馏过程特征
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。
2、组分在塔顶、塔底产品中的预分配
根据组分间挥发度的差异，可有两种预分配方法。
（1）清晰分割
若两关键组分的挥 发度相差较大，且 两者为相邻组分。
清晰分割
A—全部 B—大部分 C—限制HK
N 进料
塔顶产物
重组分全部进入釜 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。
多组分精馏中的恒浓区
分配组分：在塔顶和塔釜均出现的组分 非分配组分：只在塔顶或者塔釜出现的组分 （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 出现在精馏塔段的中部。同理，轻组分恒浓区出现在 提馏段中部。
重组分恒浓区
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。
3.1.1 多组分精馏过程分析
3、多组分精馏过程特征

多组分精馏塔内流量、温
度和组成与理论板的关系。

比较二组分图3-1和多组 分图3-2，3-3，温度和流 量与理论板的关系。
图3-1 二组分精馏塔流量、温度、浓度分布
3.1.1 多组分精馏过程分析
Underwood 计算
物料衡算 近似估算 Gilliand
顶 其它组分 底 其它组分
x i, D x i, W
Rm
计算 Fenske
R
Nm
计算
N
（塔顶、底组分的分配）
N
m

d d lg ( ) A /( )B w w lg
AB
首先必须进行组分在塔顶和塔底的预分配。
3.1.1 多组分精馏过程分析
解：由（3—3b）试差 1.325 将 1 .325 代入（3—3a）得 Rm 1.306
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？
1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。
Rm

i ( x iD ) m i
1
（a）

i x iF i
1 q
i —组分i 的相对挥发度；
是难以知道的，在实际计算中， （b） 常以全回流下馏出液组成代替最 小回流比下的组成进行计算。
(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 —进料的液相分率； —方程的根。 取LK>>HK的根
2、在实验室设备中，研究传质影响因素。
3、工程设计中，必须知道最少板数。
30
3.1.3 最少理论板数（Nm）和组分分配
计算最少理论板数的Fenske（芬斯克）方程：

对于多组分精馏过程的设计和操作计算，同样涉及最小回 流比和最少理论板这两个极限条件。

这两个极限条件常被用来关联操作回流比和所需理论板数，
成为简捷法（FUG）计算的基础。 FUG法——Fenske（芬斯克），计算 N m , xi , D , xi ,W ——Underwood（恩特伍德），计算Rm ，由Rm →R ——Gilliand(吉利兰图）， 由Rm， Nm计算N
3.1.1 多组分精馏过程分析
（1） 轻关键组分LK——挥发度高的一个关键组分 （2）重关键组分HK——挥发度低的一个关键组分 （3）重组分(重非关键组分) ——挥发度比重关键组分小的组分 （4）轻组分(轻非关键组分) ——挥发度比轻关键组分大的组分 （5）中间组分 ——挥发度介于轻重关键组分挥发度之间的组分 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

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。
3.1 多组分精馏过程
图3-1 二组分精馏塔温度分布
图3-3 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内温度分布
塔顶、塔底温度变化较快 中间温度变化缓和
（3）多组分精馏塔内浓度分布

3.1.1 多组分精馏过程分析
双组分精馏塔内组成与理论板的关系
图3-1 二组分精馏塔组成分布
3.1.1 多组分精馏过程分析
（3）多组分精馏塔内浓度分布
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
N 进料
塔顶产物
A—轻组分
B—（LK）轻关键组分 C —中间组分 D—（HK）重关键组分
E—重组分
A—少量/微量 B—限制量LK 塔底产物 C—部分 D—绝大部分 E—可能是全 部或几乎全部
可用Fenske公式计算全回流条件下的塔顶（ xi,D ）和塔的（ xi,W ）组分。
轻关键组分
图3-5 （LK），无（HNK）重组分
•由于轻组分存在造成轻关键组分浓度分布出现两个极大值，
1）重组分、重关键组分浓度分布
重组分：在再沸器液相 中浓度最高(N=1）。
重关键组分：由于重组分存 在造成重关键组分浓度分布 出现两个极大值。
重组分：在塔釜至加料
加板之间，HNK浓度迅 速下降，然后有一段基 本恒浓区。

重组分，重关键组分，轻关键组分在精馏塔内浓度分布
以图3-4，3-5，3-6为例：
重组分 图3-4，3-5， 异丙苯（HNK）
•在再沸器液相中浓度高（N=1）
•在加料上面几块板之间，HNK浓度迅速下降，然后有一段基本恒浓区。
重关键组分
图3-4，甲苯（HK），无（LNK）轻组分。
•由于重组分存在造成重关键组分浓度分布出现两个极大值。