第3章多组分精馏1

编号 组分 流量 Kmol/h 1 甲烷 0.038 2(lk) 3(hk) 4 丙烯 0.686 5 丙烷 0.019 合计 190.58 1.000 乙烯 乙烷 167.73 22.107
mol分数 0.0002 0.8801 0.1160 0.0036 0.0001 解：设乙烯为轻关键组分，乙烷为重关键组分；
xDlk＝xD2 0.9990 , xWlk xW2 0.0298 已知分离要求：
z lk x Wlk ＝167.2kmol/ h 由（式12）总物料衡算：D F x Dlk x Wlk
W F D＝23.38kmol / h
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对组分做物料衡算，由清晰分割可知： w1=d4=d5=0； d1=0.038kmol/h；w4=0.686kmol/h；w5=0.019kmol/h d2=DxD2=167.20*0.999=167.033kmol/h w2=W*xw2=23.38*0.0298=0.697kmol/h d3=D-d1-d2-d4-d5=0.129kmol/h； w3=f3-d3=21.978mol/h 物料衡算结果见下表： 编号 组分 di(Kmol/h) 1 甲烷 0.038 2 乙烯 3 乙烷 4 丙烯 0 5 丙烷 0 0 0.019 合计 167.2 1.000 23.38 1.000 26
3.1.1多组分精馏过程分析
三、多组分精馏过程的特性(与二组分精馏比较) 主要从求解方法、塔内流率、温度、组成分布进行 多组分精馏过程的特性分析。 ①求解方法 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。
(式9)
组分i进料衡算式:
lk 1
fi Fzi
DF
z
i 1
i
z hk x Whk
1 x Dlk x Whk
和 W F i hk 1
z
c
i
z lk x Dlk
(式10)
1 x Dlk x Whk
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由式1、2、5、6求得各组分在W、D中流率和组成。
4 F
3.1.1多组分精馏过程分析
二、几个基本概念 1、关键组分（Key Components） 关键组分：由设计者指定分离要求的那两个组分称为 关键组分。
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）。
轻非关键组分（LNK），轻组分 轻关键组分（LK） 多组分精馏物系组成： 中间组分 重关键组分（HK） 重非关键组分（HNK），重组分
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3.1.1多组分精馏过程分析
2、分配组分与非分配组分 ①在塔顶馏出液、塔釜液中同时出现的组分为分配组分。 ②只在塔顶馏出液或塔釜液中出现的组分为非分配组分。 关键组分一定是分配组分。 非关键组分不一定是非分配组分。 3、清晰分割与非清晰分割 ①清晰分割：塔顶馏出液中除重关键组分外，没有其他重 组分，釜液中除轻关键组分外没有其他轻组分。 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。 轻组分全部从塔顶采出，重组分全部从塔釜采出。 非关键组分为非分配组分。 ②非清晰分割：非关键组分为分配组分。 6
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补充：清晰分割的物料衡算
２、物料衡算 设物料组分数为c，轻重关键组分分别用lk和hk 表示。 （１）对于轻组分i的物料衡算式
wi 0 di fi
1 i lk 1
（式1）
式中fi、d i、w i分别表示进料、馏出液 、 釜液中组分 i的摩尔流量。
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补充：清晰分割的物料衡算
167.03 0.129
xdi 0.0002 0.999 0.0008 0 wi(Kmol/h) 0 0.697 21.978 0.686 xwi 0
0.0298 0.9401 0.0293 0.008
内容回顾
(1)了解多组分精馏过程特点
—— 多组分精馏
(2)掌握关键组分、清晰分割和非清晰分割、分配 组分与非分配组分的概念
补充：清晰分割的物料衡算
清晰分割：塔顶馏出液中除重关键组分外，没有其他重 组分，釜液中除轻关键组分外没有其他轻组分。 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。 轻组分全部从塔顶采出，重组分全部从塔釜采出。 非关键组分为非分配组分。 １、可做为清晰分割处理的前提条件 （１）轻重关键组分为相邻组分，且与两个关键组分相 对挥发度相接近的非关键组分的含量不大； （２）轻重关键组分为相邻组分，而非关键组分的相对 挥发度与两个关键组分的相对挥发度相差很大。
i hk 1
f
c
i
w lk w hk
（式4）
根据给定分离要求由式3和式4可求得
20 馏出液和釜液的流量和各组分组成。
补充：清晰分割的物料衡算
（４）分离要求的给定 A、已知： x 、x
Dlk
Whk
轻重关键组分的物料衡算为：
dlk DxDlk dhk fhk WxWhk w lk flk DxDlk w hk WxWhk
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3.1.5多组分精馏的（FUG）简捷计算方法
简捷法计算只解决分离过程中平衡级数、进料与产品 组成间的关系，而不涉及级间的温度与组成的分布。
精馏简捷计算方法 ——FUG法 Fenske Underwood Gilliland R、 N
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Nm
Rm
3.1.5多组分精馏的（FUG）简捷计算方法
一、清晰分割计算过程 (1)根据工艺条件及工艺要求，找出一对关键组分； (2)按清晰分割进行物料衡算，求得塔顶和塔釜的流量 和组成； (3)根据塔顶塔釜组成，计算相应的温度、求出平均相 对挥发度； (4)用Underwood公式计算最小回流比Rm，并选适宜 的操作回流比R； (5)用Fenske方程计算最少理论板数Nmin； (6)用Gilliland或耳波-马多克思关联图，求理论板数N (7)用Kirkbride公式，计算进料位置Nf； (8)用能量平衡计算冷凝器、再沸器的热负荷。 17
（2）对于重组分 i 的物料衡算式
di 0 w i fi
（3）各物流的总流量
lk 1 i 1
hk 1 i c
lk 1 i 1
（式2）
D d i d lk dhk fi d lk dhk W
（式3）
i hk 1
w
c
i
w lk w hk
补充：清晰分割的物料衡算
B、已知：
xDhk 、xWlk
i
DF
Байду номын сангаас
z
i 1
lk
x Wlk
1 x Dhk x Wlk
和 WF
i hk
z
c
i
x Dhk
(式11)
1 x Dhk x Wlk
C、已知： x
Dlk
、x Wlk
和
z lk x Wlk DF x Dlk x Wlk
重点掌握 掌握
了解 了解
思考题
2
3.1多组分精馏过程
（Multicomponent rectification process） 多次单级平衡分离过程的串联，简称精馏。
精馏原理：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，蒸汽多次部分冷凝实现 汽液间的传质过程，使汽液相间浓度发生变化，并结 合回流手段，使各组分到达分离的目的。
图例分析
3
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。 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。 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，其他组分的浓度则相应确定。 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。
(式5)
(式6)
总物料衡算式:
F D W
(式7)
将式5、式6代入式3、式4，联立式7得：
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补充：清晰分割的物料衡算
lk 1
D
f
i 1
i
fhk Fx Whk 和
1 x Dlk x Whk
W
i hk 1
f
c
i
f lk Fx Dlk
(式8)
1 x Dlk x Whk
三组分精馏温度分布 在两段的两端、进料位置变化快，但中间段 变化慢。
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④组成分布（浓度）
苯－甲苯物系 二组分精馏温度分布
二组分精馏组成分布
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图3-4 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布
LK-HK的分离区
(1)进料板处各组分都 有一定的数量 (2)HNK浓度分布：在再 沸器中最高、1区迅速 下降、 2区恒浓至进料 板、3区迅速下降、4区 降为0。 (3)HK浓度分布：1区 上升、2 区下降、3区 上升，4区下降
(3)LK浓度分布：1区迅 速上升、2区下降、3区 上升，4区下降； 有两个极值点存在 (4)HK浓度分布：再沸器 中浓度最大、1区迅速下 降、2区恒浓至进料板、3 区迅速下降、4区降为0 13
LK-LNK的分离区
3.1.1多组分精馏过程分析
多组分精馏特点分析总结
一、多组分精馏含量分布的特点
(1)关键组分的含量存在极大值； (2)非关键组分通常是非分配组分 即重组分只在塔底出现，轻组分只 在塔顶出现； (3)轻、重非关键组分分别在进料 板上、下形成几乎的恒浓区； (4)全部组分均存在进料板上，但不 等于进料含量； (5)塔内各组分的含量分布曲线在进 料板处是不连续的。
分离工程
(Separation Engineering)
3 多组分精馏和特殊精馏
(Chapter3 Multicomponent rectification and special rectification)
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本章主要学习内容
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
x Dlk z lk WF x Dlk x Wlk
(式12)
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补充：清晰分割的物料衡算
x Dlk、 lk D、已知：
d lk 其中： lk＝ f 100% lk
(式13)
z lk DF lk 和 W F－D x Dlk
例题
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某乙烯精馏塔的进料组成见表所示。要求馏出液中乙烯摩尔分 数不小于0.9990，釜液中乙烯摩尔分数不大于0.0298。试用清 晰分割计算馏出液和釜液流量和组成。
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
一定数量的组分称为关键组分。
清晰分割：塔顶馏出液中除重关键组分外，没有其他重组分，釜液中除轻 关键组分外没有其他轻组分。
分配组分：在塔顶馏出液、塔釜液中同时出现的组分。
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②摩尔流率
二组分精馏汽液流率分布 苯-甲苯物系 在进料板处液体组成有突变，其 他各板的摩尔流率基本为常数 三组分精馏汽液流率分布 苯-甲苯-异丙苯物系 液、汽流量有一定的变化， 但液汽比接近于常数。
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③温度分布：从再沸器到冷凝器单调下降
二组分精馏温度分布 在两段的两端、进 料位置变化慢，但 中间段变化快。
1区
2区
3区 4区
有两个极值点存在
(4)LK浓度分布：同二元 精馏的趋势
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HK-HNK的分离区
多组分精馏组成分布（苯-甲苯-异丙苯物系）
图3-4 多组分精馏塔内
图3-3 多组分精馏塔 内温度分布
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液相浓度分布
LK-HK的分离区
图3-5苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布
1区
2区
3区
4区
(1)进料板处各组分都有 一定的数量； (2)LNK浓度分布：1区几 乎为0、 2区上升、3区 恒浓、4区迅速上升、在 塔顶达高；
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3.1.1多组分精馏过程分析
二、多组分精馏流量分布特点 塔内流量的变化与热平衡密切相关。 (1)在精馏过程中，塔内物流的分子量沿塔向上一般 是减小的，而低分子量物料汽化潜热较小,所以沿塔向上 V汽＞L液，即沿塔向上汽相流量有增加的趋势。 (2)沿塔向上温度是逐渐下降的，汽体沿塔向上流动 时被冷却(放热)，导致下降的液体被加热或汽化，若液 体被汽化则向上流量增加；液体沿塔向下流动是被加热 (吸热)，导致上升的气体被冷却或冷凝，若气体被冷凝 则向下的流量增加。如果被分离的物料间沸点差大，即T釜 与T顶 差很大时，温度变化对流量变化影响大。 三、多组分精馏温度分布主要取决于物流的组成分布。