第三章 3.3 多组分精馏1

L3 V2 2 L2 V1 部分 再沸器 QB LB
1.多组分精馏塔的设计变量
QC 全凝器 LC C 分配器D LN+1 N VN-1 LN
可调设计变量：5（p63）
LD
VN
F
NF
L3 V2 2 L2 V1 部分 再沸器 QB LB
2.多组分精馏特性
二元精馏 vs 多元精馏 计算方法上：
对于二元精馏，设计变量被确定后，可从任一 端出发，作逐板计算，无需试差。
Countercurrent 逆流
1.多组分精馏塔的设计变量
QC 全凝器 LC C 分配器D LN+1 N VN-1 LN VN LD
F
NF
L3 V2 2 L2 V1 部分 再沸器 QB LB
1.多组分精馏塔的设计变量
QC 全凝器 LC C 分配器D LN+1 N VN-1 LN VN LD
F
NF
（1）规定关键组分在塔顶和塔釜的摩尔分数。
x LD lg x HD x HB * x LB
Nm
lg L , H
(3-4)
（2）规定关键组分在塔顶和塔釜的流出量。
d d lg / b L b H lg
LH
N
m

(3-7)
34
几点说明 Supplements to Fenske eq.：
5. 分离要求的给出形式： （3）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。
L3 V2 2 L2 V1 部分 再沸器 QB LB
1.多组分精馏塔的设计变量
QC 全凝器 LC C 分配器D LN+1 N VN-1 LN VN LD
F
NF
固定设计变量： 所有进入物流的变量 （每股物流C+2个）： C+2 所有组件和单元的压力：N+2 所有组件和单元的传热流率 （除冷凝器和再沸器外）：0 合计： N+C+4 可调设计变量：5
图3-7 四元精馏液相组成分布
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Summary 3.多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别
（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。各组分的浓度分布 曲线在进料板处不连续。
Relative volatility low
根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分 为 非分配组分：只在塔顶或塔釜出现的组分 分配组分：在塔顶和塔釜均出现的组分
1.关键组分
计算时，如何确定关键组分？ 一般来说，给定了分离要求的组分为关键 组分，如例3-3（p73）/例3-4（p75）



轻关键组分：相对易挥发的关键组分称为轻关键组分 （LNK） 重关键组分：难挥发的关键组分称为重关键组分（HNK） 轻非关键组分：相对挥发度比轻关键组分大的组分（将全 部或接近全部进入馏出液） 重非关键组分：相对挥发度比重关键组分小的组分（将全 部或接近全部进入釜液） 中间组分：
1.关键组分
进料
馏出物
塔底产物
（1）计算TD=49℃时，馏出物的泡点压力 以乙烷为主要成分 查p-T-K图
四、最小理论塔板数及组分分配： Fenske方程
Nm x LD lg x HD x HB * x LB
lg L , H

对于两组分精馏，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，遇到的关键问题是塔顶 和塔底产品的组成和量无法全部预先确定。
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二、一些基本概念
1.关键组分：对多组分精馏来说，通常把指定浓度 的两个组分称为关键组分。
多组分精馏过程分析 一些基本概念 塔压选择、计算 最小理论塔板数及组分分配：Fenske方程 最小回流比：Underwood方程 实际回流比与理论板数：Gilliland图 多组分精馏塔的简捷计算方法
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上节课内容回顾
核实闪蒸问题的判断条件 TB<T<TD K z 1 闪蒸计算重要方程： f
馏出液和塔底产 物已知或估计
计算馏出液温 度为49℃的 泡点压力(pD)
pD<1.48MPa
采用全凝器
(如果pD<0.2MPa，重新 设定pD为0.2MPa)
pD>1.48MPa
计算馏出液温 度为49℃的 露点压力(pD)
pD<2.52MPa
采用分凝器
估算塔 底压力 (pB)
计算pB下塔 底的泡点温 度（TB）

C i i i 1

i 1
C
Βιβλιοθήκη Baidu
zi / K i 1
Rachford-Rice方程

1 (K
i 1
C
( K i 1) z i
i
1)
0
Ki值与组成无关的等温闪蒸计算过程 Ki值与组成相关的等温闪蒸计算框图 绝热闪蒸计算框图
一、多组分精馏过程分析
泡沫
Rectifying section 精馏段 Stripping section 提馏段
high
轻非关键组分（light nonkey component, LNK）轻组分 轻关键组分（LK） 中间组分(intermediate component, relative volatility between the two key components) 重关键组分（HK） 重非关键组分（heavy nonkey component, HNK）重组分
Nm
x LD lg x HD
x HB * x LB

lg L , H
摩尔分率用摩尔数、体积或重量比来代替。
d d lg / b L b H lg L , H
对于多元精馏，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。 在塔内流率，温度和浓度分布上也有不同。
9
benzene-toluene
二组分精馏流率、温度、浓度分布 除进料板处液体流率有突变外，各段的摩尔流率基本上为常数.
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benzene(LK)-toluene(HK)-isopropyl benzene


只给定了一个组分的分离要求，而其他组 分不作任何要求时，一般选择相邻组分作 为关键组分
二、一些基本概念

2.清晰分割：馏出液中除了重关键组分外，没有 其它重组分；釜液中除了轻关键组分外，没有其 它轻组分。 3.最小回流比：在无穷多塔板数的条件下达到关 键组分预期分离所需要的回流比。 4.最小理论板数：全回流操作下达到关键组分预 期分离所需要的理论板数。
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4.小结： （一）沿塔高方向的温度分布

在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成。 沿塔高方向自下而上温度递减
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小结： （二）沿塔高方向的汽液流率分布

级间流率分布与热量衡算密切相关。 影响因素较多，总效应很复杂，难以归 纳出一个通用的规律。
假设塔内恒摩尔流近似成立。
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小结： （三）沿塔高方向的浓度分布
2.经验常数
如果可能，按最低温度49℃（对应于用水 作为冷却介质）计算获得在0~2.86MPa之 间的回流罐压力pD pD<1.48MPa时，推荐使用全凝器 pD<2.52MPa时，推荐使用分凝器 pD>2.52MPa时，推荐使用冷冻剂， 以使pD<2.86MPa

3.例：计算下图塔的操作压力和冷凝器类型
课内作业
名词解释：关键组分、非分配组分、清晰分 割、最小回流比、最小理论板数 写出塔压估算中使用的几个经验常数 精馏塔计算中，一般规定哪些变量为固定设 计变量？ 写出Fenske方程的几种形式，并说明分别用 于计算哪些值？

第三章 气液传质分离过程
3.2 多组分精馏


图3-5 三元精馏流量分布
图3-6 三元精馏温度分布
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液气比L/V接近常数
benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropyl benzene
Z1=0.125 Z2=0.225 Z3=0.375
Z4=0.275
12=2.25 22=1.00 32=0.33 42=0.21
lg L , H
几点说明 Supplements to Fenske eq.：
1. AB
（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
L ,H
AB
D B
D B F
2>三点平均
3
3>单点值
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几点说明 Supplements to Fenske eq.： 2. 另一种形式
TD<塔底分解或 临界温度
pD>2.52MPa
TD>塔底分解或 临界温度
选择冷冻剂， 以便分凝器在 2.86MPa下操作
适当降低pB 并重新计算 pD和TB
2.经验常数
可假定 冷凝器的压降：0~14 kPa 塔的总压降：35 kPa 或者轻烃 3.5mmHg左右， 或 即400～500Pa 单板压降：0.7 kPa（常压或高压塔） 0.35 kPa（负压操作的塔）


最少理论板数（Nm）和全回流
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。 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。
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三、塔压选 择、计算
参考书 p402

1.确定精馏塔压力和冷凝器类型的算法
4. Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段理
论板数和组分分配。 d i d r N b ir b r Fenske equation cani be used for calculating feed-stage location, number d equilibrium stages f i of b i i of rectifying section and stripping section, and component distributions.
m
3. Nm只与分离要求有关，而与进料组成无关。
The minimum number of equilibrium stages
depends on the degree of separation of the two key components and their relative volatility, but is independent of feed-phase condition.
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几点说明 Supplements to Fenske eq.：
d lg b L lg d / b H
L ,H
N
m

feed-stage location：by replacing feed as the column top (or bottom) 把进料当作塔顶（或塔釜）
Nm
x D ,i lg x D , j
xB, j * x B ,i

lg i , j
Nm
x LD lg x HD
x HB * x LB

Nm
d/b : 分配比; d: 馏出物中组分的流率（摩尔或质量）; b: 塔底产物中组分的流率（摩尔或质量）
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几点说明 Supplements to Fenske eq.：
N d lg b L lg d / b H
L ,H
m
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用Fenske方程计算组分分配
di
dr b ir bi r

Nm
f i d i bi

为精确计算，上两个式子应用于计算bi和di 中较小的那个，另一个最好用总物料衡算 求得。
几点说明 Supplements to Fenske eq.：
5. 分离要求的给出形式：