4 1多组分精馏
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第四章 多组分精馏与特殊精馏
（一）
2020/9/18
1
精馏特点：
直接获得产品 → 不像吸收、萃取 → 操作流程通常较为简单
适用范围广 → 液体混合物分离 → 气态或固态的混合物，如空分、脂肪酸的分离。
→ 对挥发度相等或相近的混合物，还可采用特殊精馏方法 分离。
耗能 → 冷、热介质 → 加压或减压精馏，消耗额外的能量 → 重视节能
3
4Leabharlann Baidu1 简单塔
特点：
一股进料
无侧线出料
无中间换热设备
图 4.1
部
分
冷
凝
器
的
简
单
塔
表4.1 简单塔的变量数
表4.2 简单塔的独立方程数
变量名称
进料量 进料组成 进料温度 进料位置 进料焓 各板温度 各板压力 各板汽、液相流率 各板汽、液相组成 再沸器和冷凝器负荷 理论板数
∑
变量数 方程类别
方程数
例4.1 丙烯精馏塔的原料是由乙烷、乙烯、丙烷(-42.17℃) 、丙
烯(-47.7℃) 、C4和C5组成的混合物，其分离要求为：塔顶产 品馏出液中丙烯含量不小于99.6%，塔底产品釜液中丙烯含 量不大于15%。试确定该塔的关键组分。
解： 在馏出液和釜液中均规定了丙烯的浓度，显然，丙烯是关
键组分。又因丙烯在馏出液中的浓度高于它在釜液中的浓度， 所以丙烯是轻关键组分。重关键组分比轻关键组分难挥发，而 作为关键组分，它在原料中的浓度不应太低，另外，为方便设 计计算与控制，常采用清晰分割法，即两个关键组分的沸点总 是相邻的，因此，选取丙烷为重关键组分。
精馏塔内的流量、温度及浓度分布，对双组分或多组分精馏， 共同点在在进料板处，各分布曲线都有一个突变，且所有组分 都存在于该板上（教材图3-1～3-6）。
精馏塔内的流量分布，在进料板及在精馏段和提馏段的两相流 量变化主要取决于进料状态。不能从图3-1～3-2得出液相流量 变化一定大于汽相流量变化的结论。
4.2.2 多组分精馏过程特性
精馏的基础是组分具有不同的挥发度，在能量分离剂 作用下，使混合物经多次部分冷凝和部分汽化，在塔 的每一块塔板上同时进行热、质传递，最终达到分离 目标。
由于传热传质的进行，塔内的流量、温度及组成将沿 塔形成一定的分布。
分布随着组分数的变化将产生什么变化？这些变化呈 现何种特点？
1 C 1 1 1 N N 2N 2CN 2 1 2CN+C+ 4N+7
组分的物料平衡 总物料平衡 各板热平衡
∑xi=1 ∑yi=1 ∑zi=1 相平衡方程 进料的焓方程 各板压降计算方程
∑
(C-1)N N N N N 1 CN 1 N 2CN+4N+1
简单塔的独立变量数为：
Ni C 6
表4.1中所列变量数还可增可减，表4.2中的独立方程数也要 随之变化，独立变量的数目是不变的，始终为（C＋6）个。 独立变量也可任意指定，表4.3是常用方案之一。
2020/9/18
∑
C＋6
6
设计型问题，分离过程由两个分离变量所规定，第三个变 量通常是某点的流量，往往是回流比，第四个变量通常是 进料位置：
φA；
φB； 回流比(回流量被馏出物流量除)； 进料级位置。
操作型问题，即塔已建成，用于新的分离任务，可用以下 四个变量赋值来描述：
进料以上的级数n； 进料以下的级数m； A在塔顶产品中的回收率φA； A在塔顶产品中的浓度xA,D。
对多组分精馏而言，可调变量不会因组分数增加而增 加，仍然为4，指定了回流比和适宜进料位置，只能再 指定两个组分的浓度（最被关心的两个变量），其它 组分的浓度都不能由设计者来指定，须通过计算来获 得。
由于指定的浓度（如xA,D和xB,W）实际上确定了其它组 分的浓度，通常把被指定浓度的两个组分，称为关键 组分（或规定了分离要求的组分称为关键组分），其 中沸点较低的组分称为轻关键组分，沸点较高的组分 称为重关键组分。
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2
与两组分精馏的计算比较
基本原理一样，计算工具仍是物料平衡、热平衡和相平 衡关系
双组分计算中成功使用的图解法，在多组分计算中却不 便使用
多组分计算中常常使用简捷法（Fenske-Gilliland Method），节省时间和人力
严格算法，计算机 简捷法讨论
2020/9/18
时存在有其它非关键组分
组分分配 分配组分，同时出现在馏出液和釜液中的组分 非分配组分，比LK轻、比HK重之组分 在非清晰分割中，分配组分中就有非关键组分存在。
选择 在进行精馏塔设计或操作过程中，为方便计算或控制，常
采用清晰分割法，即关键组分总是选择沸点相邻的两个组 分，使分配组分的数量最少。
4.2.1 关键组分
精馏塔可将物料分离成两股产品，产品的浓度就是所关心 的。
对于简单精馏塔，可调设计变量数为4（采用部分冷凝 器），除了指定回流比和适宜进料位置外，仅余两个可调 变量，可用来指定馏出液中某一组分的浓度（如xA,D）， 以及釜液中某一组分的浓度(譬如xB,W)。
对二组分精馏，指定了xA,D和xB,W，两股产品的组成也就 完全被确定了。
表4.3
变量（C＋6） → 固定变量（C＋2），进
料参数和操作压力 → 余下4个可调设计变量。 → 针对设计型计算或操作
型计算，需指定不同的4 个变量。
简单塔独立变量指定方案之一
独立变量
理论板数 进料量 进料组成 进料温度 进料位置 塔顶压力 回流比 馏出物流率
变量数
1 1 C－1 1 1 1 1 1
4.2 多组分精馏过程的分析
双组分精馏，要使物料达到一定的分离要求，存在最小 回流比和最少理论板数两个极限条件。若采用的条件小 于最小回流比和少于最少理论板数，就不可能达到要求 的分离纯度。
对多组分精馏，这两个极限条件同样重要，常被用来关 联操作回流比和所需理论板数，是简捷算法（FUG， Fenske-Underwoow-Gilliland Method）的基础。此外， 也可用它来估算各组分的分离程度。
对多组分精馏，由于非关键组分的存在，难以得到较 纯的产品。比轻关键组分更易挥发的组分（轻组分） 将全部进入馏出液，比重关键组分更难挥发的组分 （重组分）将全部进入釜液。
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10
组分分割 清晰分割，在馏出液和釜液中同时存在的组分只有两个关
键组分的精馏 非清晰分割，除两个关键组分外，在馏出液和釜液中还同
（一）
2020/9/18
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精馏特点：
直接获得产品 → 不像吸收、萃取 → 操作流程通常较为简单
适用范围广 → 液体混合物分离 → 气态或固态的混合物，如空分、脂肪酸的分离。
→ 对挥发度相等或相近的混合物，还可采用特殊精馏方法 分离。
耗能 → 冷、热介质 → 加压或减压精馏，消耗额外的能量 → 重视节能
3
4Leabharlann Baidu1 简单塔
特点：
一股进料
无侧线出料
无中间换热设备
图 4.1
部
分
冷
凝
器
的
简
单
塔
表4.1 简单塔的变量数
表4.2 简单塔的独立方程数
变量名称
进料量 进料组成 进料温度 进料位置 进料焓 各板温度 各板压力 各板汽、液相流率 各板汽、液相组成 再沸器和冷凝器负荷 理论板数
∑
变量数 方程类别
方程数
例4.1 丙烯精馏塔的原料是由乙烷、乙烯、丙烷(-42.17℃) 、丙
烯(-47.7℃) 、C4和C5组成的混合物，其分离要求为：塔顶产 品馏出液中丙烯含量不小于99.6%，塔底产品釜液中丙烯含 量不大于15%。试确定该塔的关键组分。
解： 在馏出液和釜液中均规定了丙烯的浓度，显然，丙烯是关
键组分。又因丙烯在馏出液中的浓度高于它在釜液中的浓度， 所以丙烯是轻关键组分。重关键组分比轻关键组分难挥发，而 作为关键组分，它在原料中的浓度不应太低，另外，为方便设 计计算与控制，常采用清晰分割法，即两个关键组分的沸点总 是相邻的，因此，选取丙烷为重关键组分。
精馏塔内的流量、温度及浓度分布，对双组分或多组分精馏， 共同点在在进料板处，各分布曲线都有一个突变，且所有组分 都存在于该板上（教材图3-1～3-6）。
精馏塔内的流量分布，在进料板及在精馏段和提馏段的两相流 量变化主要取决于进料状态。不能从图3-1～3-2得出液相流量 变化一定大于汽相流量变化的结论。
4.2.2 多组分精馏过程特性
精馏的基础是组分具有不同的挥发度，在能量分离剂 作用下，使混合物经多次部分冷凝和部分汽化，在塔 的每一块塔板上同时进行热、质传递，最终达到分离 目标。
由于传热传质的进行，塔内的流量、温度及组成将沿 塔形成一定的分布。
分布随着组分数的变化将产生什么变化？这些变化呈 现何种特点？
1 C 1 1 1 N N 2N 2CN 2 1 2CN+C+ 4N+7
组分的物料平衡 总物料平衡 各板热平衡
∑xi=1 ∑yi=1 ∑zi=1 相平衡方程 进料的焓方程 各板压降计算方程
∑
(C-1)N N N N N 1 CN 1 N 2CN+4N+1
简单塔的独立变量数为：
Ni C 6
表4.1中所列变量数还可增可减，表4.2中的独立方程数也要 随之变化，独立变量的数目是不变的，始终为（C＋6）个。 独立变量也可任意指定，表4.3是常用方案之一。
2020/9/18
∑
C＋6
6
设计型问题，分离过程由两个分离变量所规定，第三个变 量通常是某点的流量，往往是回流比，第四个变量通常是 进料位置：
φA；
φB； 回流比(回流量被馏出物流量除)； 进料级位置。
操作型问题，即塔已建成，用于新的分离任务，可用以下 四个变量赋值来描述：
进料以上的级数n； 进料以下的级数m； A在塔顶产品中的回收率φA； A在塔顶产品中的浓度xA,D。
对多组分精馏而言，可调变量不会因组分数增加而增 加，仍然为4，指定了回流比和适宜进料位置，只能再 指定两个组分的浓度（最被关心的两个变量），其它 组分的浓度都不能由设计者来指定，须通过计算来获 得。
由于指定的浓度（如xA,D和xB,W）实际上确定了其它组 分的浓度，通常把被指定浓度的两个组分，称为关键 组分（或规定了分离要求的组分称为关键组分），其 中沸点较低的组分称为轻关键组分，沸点较高的组分 称为重关键组分。
2020/9/18
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与两组分精馏的计算比较
基本原理一样，计算工具仍是物料平衡、热平衡和相平 衡关系
双组分计算中成功使用的图解法，在多组分计算中却不 便使用
多组分计算中常常使用简捷法（Fenske-Gilliland Method），节省时间和人力
严格算法，计算机 简捷法讨论
2020/9/18
时存在有其它非关键组分
组分分配 分配组分，同时出现在馏出液和釜液中的组分 非分配组分，比LK轻、比HK重之组分 在非清晰分割中，分配组分中就有非关键组分存在。
选择 在进行精馏塔设计或操作过程中，为方便计算或控制，常
采用清晰分割法，即关键组分总是选择沸点相邻的两个组 分，使分配组分的数量最少。
4.2.1 关键组分
精馏塔可将物料分离成两股产品，产品的浓度就是所关心 的。
对于简单精馏塔，可调设计变量数为4（采用部分冷凝 器），除了指定回流比和适宜进料位置外，仅余两个可调 变量，可用来指定馏出液中某一组分的浓度（如xA,D）， 以及釜液中某一组分的浓度(譬如xB,W)。
对二组分精馏，指定了xA,D和xB,W，两股产品的组成也就 完全被确定了。
表4.3
变量（C＋6） → 固定变量（C＋2），进
料参数和操作压力 → 余下4个可调设计变量。 → 针对设计型计算或操作
型计算，需指定不同的4 个变量。
简单塔独立变量指定方案之一
独立变量
理论板数 进料量 进料组成 进料温度 进料位置 塔顶压力 回流比 馏出物流率
变量数
1 1 C－1 1 1 1 1 1
4.2 多组分精馏过程的分析
双组分精馏，要使物料达到一定的分离要求，存在最小 回流比和最少理论板数两个极限条件。若采用的条件小 于最小回流比和少于最少理论板数，就不可能达到要求 的分离纯度。
对多组分精馏，这两个极限条件同样重要，常被用来关 联操作回流比和所需理论板数，是简捷算法（FUG， Fenske-Underwoow-Gilliland Method）的基础。此外， 也可用它来估算各组分的分离程度。
对多组分精馏，由于非关键组分的存在，难以得到较 纯的产品。比轻关键组分更易挥发的组分（轻组分） 将全部进入馏出液，比重关键组分更难挥发的组分 （重组分）将全部进入釜液。
2020/9/18
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组分分割 清晰分割，在馏出液和釜液中同时存在的组分只有两个关
键组分的精馏 非清晰分割，除两个关键组分外，在馏出液和釜液中还同