第2章 多组分精馏和特殊精馏

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定义AB为相对挥发度的几何平均值：
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由物料衡算：
yA xA y B 3 xB 2
AB ( 1 2 N 1 N )
N
代入（3-7）式，可解出最少理论板数Nm：
可得：
xA x B
恒浓区
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塔段的中部。同理，轻 组分恒浓区出现在提馏段中部。
（ 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：
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关键组分以外的组分称为非关键组分 轻非关键组分（LNK），比轻关键组分挥发度更大 或更轻的组分，简称轻组分 重非关键组分（HNK），比重关键组分挥发度 更小或更重的组分，简称重组分 13
二组分精馏实例：苯－甲苯 三、多组分精馏过程特性 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。
一、 精馏操作流程
简单塔
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10
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。 二、关键组分（Key Components） Na=串级数 (2)＋分配器 (1) ＋侧线采出 (0)＋传热单元 (2) =5 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。 余下的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。
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本章要求： 本章要求：
（4）了解萃取精馏流程和萃取精馏过 程的计算。 （5）了解共沸物的特性和共沸组成的 计算，三元物系组成的表示方法，掌握 共沸精馏过程共沸剂的确定。 （6）了解简捷计算法计算萃取精馏和 共沸精馏过程的理论板数。
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3.1 多组分精馏过程
多组分精馏过程分析 最小回流比 最少理论塔板数和组分分配 实际回流比和理பைடு நூலகம்板数 多组分精馏的简捷计算方法
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图 3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布
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三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯
图 3-4苯、甲苯、异丙苯精 馏塔内液相浓度分布 图 3-2 三组分精馏流量分布 图 3-3 三组分精馏温度分布 17
图 3-5苯、甲苯、异丙苯精 馏塔内液相浓度分布
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四组分精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯
x A x A lg x / B D x B W Nm lg AB
Fenske方程
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几点说明： 1、推导中未作任何假设，因而是严格的。 2、相对挥发度 （1）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。 （2）AB 的近似处理： 1）两点平均： AB AB , D AB,W 2）三点平均： AB 3 AB, D AB ,W AB, F 3）单点值
两式相除，可得：
yA xA y B 2 x B 1
xA yA x 1 y B B 1 xA 1 x B D
xA x A yA 1 y x B 1 x B D B 1
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3.1.4 实际回流比和理论板数
用 Underwood方程求出Rm 后，实际回流比R一般取作1.30 Rm。 有了实际回流比和最少理论板数，求实际理论板数常用 的经验方法有： Gilliland图、Erbar-Maddox图。
适用于相对挥发度 变化不大的情况 适用于非理想性 较大的情况
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适宜进料板位置的确定原则：
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Rm
i ( xiD )m 1 i

i x iF 1 q i
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Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：
Rm
i ( xiD )m 1 i
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。
no
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） （绝热闪蒸计算） （ Fenske eq.）
在塔压下作闪蒸计算
计算最少理论板数和非关键组分的分离程度
计算值与估计值是否接近
R、N
yes 计算最小回流比 Rm
在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数 之比等与在全回流下用Fenske方程分别计 算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。
图 3-9 Gilliland图
图 3-10 Erbar-Mddox
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开始
3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法 精馏简捷计算 Fenske Nm ---FUG ---FUG法 Underwood Rm Gilliland
（1）规定关键组分在塔顶和塔釜的百分含量。 代入以含量表示的Fenske方程：
d d lg / w A w B lg AB
Nm
（2）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。 代入以回收率表示的Fenske方程：
LK ,D HK ,W lg 1 LK , D 1 HK ,W Nm lg LK HK
第二章 多组分精馏和特殊精馏
主要内容 主要内容
本章要求 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 本章小结 参考文献 思考题
1 2
重点掌握
掌握 了解 了解
本章要求： 本章要求：
（1）了解多组分精馏过程与二组分精馏 的比较分析，掌握关键组分等概念。 （2）掌握清晰分割和不清晰分割物料衡 算的计算方法，简捷法求算精馏过程理论 板数的步骤。 （3）掌握萃取精馏原理和萃取剂选择性 的定义和影响因素以及萃取剂的选择。
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di dr wi wr
Nm ir
6
几点注意： 清晰分割假定比较适用的情况： 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。 对于无中间组分的体系： 如 A(LNK)、 B(LK)、 C(HK)、 D(HNK)组成的体 系，先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否 清晰分割。 对于有中间组分的体系： 如 A(LNK)、 B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、E(HNK) 组成的体系，则根据 C的相对挥发度是靠近 B还是靠 近 D来假定 C在塔顶和塔釜的分配。
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2
塔顶回收率： E顶 塔釜回收率： ②非关键组分
E釜
Dx DL 100% Fx FL
WxWH 100% Fx FH
③分配与非分配组分
• 塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分。 • 只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分 关键组分必定是分配组分。 • 非关键组分不一定是非分配组分。 ④清晰与非清晰分割 • 清晰分割：轻组分在塔顶产品的收率为1。重组分 在塔釜产品的收率为1。 • 轻组分全部从塔顶馏出液中采出，重组分全部从 塔釜排出。 • 非关键组分为非分配组分 。 • 非清晰分割：非关键组分为分配组分 。
—方程的根。 取 LK> >HK的根
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计算最少理论板数的 Fenske（芬斯克）方程： 推导前提： 1、塔顶采用全凝器； （若采用分凝器，则分凝器为第 1块塔板）； 2、所有板都是理论板。 从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：
因此：
y A2 x A1
同理： y B 2 x B1
xA 1 2 x D B
yA 1 2 y 2 B 3
依此类推到塔釜：
xA xA x 1 2 N 1 N x B D B W
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重组分恒浓区 重组分恒浓区 轻组分恒浓区 轻组分恒浓区
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4
（ 4）轻、重组分均为分配组分：
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：
重组分恒浓区 轻组分恒浓区
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？
3.1 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。
3.1.1 多组分精馏过程分析
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1
一、 精馏操作流程
一、精馏操作流程
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一、精馏操作流程
以全回流下的xiD代替

i x iF 1 q i
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。
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）；
对第2块板作物料衡算：
全回流下， D=0
代入：
可得：
V 2 y A2 L1 x A1 Dx AD