化工分离过程第7讲32多组分精馏过程分析

x2 x1
接收在T1到T2间的馏出物，
0 A
xB
馏出物组成从y1 到y2，剩余物组成为x2。
定压
g
d
b
l
T
*
B
y2 y1
1 .0
B7
3.2.1 多组分精馏过程分析
精馏是多次简单蒸馏的组合。
精馏塔底部是加热区， 温度最高；塔顶温度最低。
精馏结果，塔顶冷凝收 集的是低沸点组分，高沸 点组分则留在塔底。
3.2.4 实际回流比和理论板数
3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏）
3.4 吸收和蒸出（解吸）过程
3.5 萃取过程
4
3.2.1 多组分精馏过程分析
❖ 简单蒸馏以及二组分精馏的原理图 ❖ 关键组分(Key Components) ❖ 清晰分割 ❖ 多组分精馏过程的复杂性
二组分精馏实例：苯－甲苯 三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯 四组分精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯
❖ 工艺要求按AB与CD分开：
则：B为LK；C为HK
❖ 工艺要求先分出A：
则：A为LK；B为HK
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3.2.1 多组分精馏过程分析
清晰分割
馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。
那么，根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为
分配组分和非分配组分。
简捷法：芬斯克—恩德伍德—吉利兰法（FUG）
萃取精馏简化法
共沸精馏图解法
吸收因子法
逆流萃取集团法
逐板法：严格计算法（第四章内容）
3
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算
3.1 设计变量
3.2 多组分精馏过程（普通精馏）
3.2.1 多组分精馏过程分析
3.2.2 最小回流比
3.2.3 最少理论塔板数和组分分配
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3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分的指定方法
◆指定回收率
D； l W h
注意：同一组分 规 定了一端 回收率，另一 端的量已确定。 不能重复！
◆指定控制量
xDl或 xDh； xWh或 xWl
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3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分的指定原则
❖ 由工艺要求决定
❖ 例：ABCD（按挥发度依次减少排列） 混合物分离
液相浓度分布
20
3.2.1 多组分精馏过程分析
❖ 甲苯为LK，二甲苯为HK，两 者的浓度分布曲线变化规律相 同，方向相反。
❖ 在 塔 底 处 ， 主 要 分 离 HK 和 HNK ， 所 以 此 处 HK 浓 度 向 上 增大；同理，在塔顶处，主要 分离LK和LNK，所以此处LK 浓度向上减小。
图3-9 苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙 苯液相浓度分布
y5
O x2
T1
x
0
A
xB
g
定压
y4 y3
x1 l
y2
y1
T
*
B
1 .0
B9
3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分(Key Components)
精馏装置的设计变量: 可调设计变量 =串级数(2)+分配器(1)+侧线采出(0)+传
热单元(2)=5 (无论有多少个组分)
已指定可调设计变量: 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
❖ 苯为LNK，在进料板以下浓度
快速减小，最终全部进入塔顶；
异丙苯为HNK，在进料板以上
浓度快速减小，最终全部进入
塔釜。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
多组分精馏浓度分布的特点： 1、进料板附近各组分浓度变化较大，原因是引入的组分包
含全部组成。
2、非关键组分
精馏段：HNK迅速消失； （图3-7、3-9） LNK以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现，
②若无HNK：LK分别在二段出现两个最高点，HK 表现像HNK。 （图3-8）
③有LNK、HNK，且都不同时出现在顶、釜时： LK在精馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度； HK在提馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度。
（图3-9）
23
3.2.1 多组分精馏过程分析
多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：
i
（3-3b）
以全回流下的
i —组分i 的相对挥发度；
xiD代替
(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）；
—方程的根，对于c组分系统有c个根，取LK>>HK的根。32
3.2.2 最小回流比
最小回流比Rm的解法：
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。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
❖ 除进料板处液体流率有突变 之外，各段的摩尔流率基本 为常数，可视为恒摩尔流。
❖ 液体组成的变化在塔顶部较 缓慢，随后较快，接近于进 料板处又较缓慢。进料板下， 情况相似。
图3-4 二组分精馏：苯－甲苯 流率、温度、浓度分布
❖ 由于泡点和组成密切相关， 温度分布图与浓度分布图形 状相似。
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3.2.1 多组分精馏过程分析
三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯
图3-5 三组分精馏流量分布
图3-6三组分精馏温度分布
❖ 分子汽化潜热不相近，V、L有变化，但V/L接近于常数。
❖ 由于非关键组分的存在，在进料板和塔底温度变化较快， 19 全塔的温度跨度加宽。
接近顶部急剧增加，在馏出液中达到最高。 （图3-8、3-9）
提馏段：LNK迅速消失； （图3-8、3-9） HNK在再沸器中浓度最高，从釜向上几板下降较
大，然后变化不大，一直延伸到进料板。 （图3-7、3-9） 22
3.2.1 多组分精馏过程分析
2、关键组分
①若无LNK：HK分别在二段出现两个最高点，LK 表现像LNK。 （图3-7）
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3.2.2 最小回流比
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。
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3.2.2 最小回流比
图3-10a
图3-11 最小回流比下，沿塔高的 汽相浓度分布图
A
例：A、B、C、D 挥发性逐渐减小，
A
B
精馏工艺要求按AB与CD分开。
B
C
则：B为LK；C为HK；
C
B
A为LNK；D为HNK。
D
C
B和C在塔顶和塔釜均出现，为分配组分； A和D仅在塔顶或塔釜出现，为非分配组分。
D 16
3.2.1 多组分精馏过程分析
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。
化工分离过程
Chemical Separation Processes
第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算
2
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算
多组分精馏：
1. 组分数 c>2
2. 求解的变量数目较多——变量分析
3. 塔内分布复杂——过程分析
4. 计算
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3.2.2 最小回流比
（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：
29
3.2.2 最小回流比
（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？
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3.2.2 最小回流比
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：
Rm
i(xiD)m 1 i
（3-3a）
ixiF 1q
i
（3-3b）
31
3.2.2 最小回流比
Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：
Rm
i(xiD)m 1 i
（3-3a）
ixiF 1q
恒浓区——精馏塔中浓度几乎不变的区域
二组分精馏： 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区域或
称夹点区。
e y
xW x xD
Rm
xD ye
ye xe
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3.2.2 最小回流比
多组分精馏的特点
❖ 定义：顶釜同时出现的组分——分配组分 只在顶或釜出现的组分——非分配组分
❖ 一般：LK、HK和中间组分为分配组分； ❖ 非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。 ❖ 多元精馏特点： ▼各组分相互影响，最小回流比下，存在上、下恒浓区； ▼所有进料组分受非分配组分的影响， ▼恒浓区位置不一定在进料板处。
❖ 多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别
5
3.2.1 多组分精馏过程分析
简单蒸馏只能把双液组分系统中的A和B粗略分开。
1 在A和B的T-x图上，纯 A的沸点高于纯B的沸点。
T
*
A
定压
g
2 则蒸馏时汽相中B组分
的含量较高，液相中A组 分的含量较高。
T
T2 T1
3 一次简单蒸馏，馏出物中
B含量会显著增加，剩余液 0
8
3.2.1 多组分精馏过程分析
1 从塔的中间O点进料；
二组分精馏原理图
2 组分B的液、汽相组 成分别为 x3 和 y3；
3 每层塔板都经历部分
汽化和部分冷凝过程； T
4 越往塔顶温度越低， 含低沸点物质递增；
5 越往塔底温度越高， 含高沸点物质递增。
T
*
A
T6
T5
T4 T3 T2
x6 x5
y6
x4 x3
3.2.1 多组分精馏过程分析
❖ 苯为LK，从塔底到塔顶，LK 浓度逐渐升高，在塔顶浓度接 近于1。
❖ 异丙苯为HNK，由于其相对挥 发度较其他组分小得多，在进 料板以上会迅速消失，最后全 部进入塔釜。
❖ 甲苯为HK，其浓度分布曲线 十分复杂，这需要通过分析在 每一塔段要分离的是哪两个组
图3-7 苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯 分来解释HK浓度变化的行为。
剩余的两个可调设计变 量：一般用来指定某个 组分在馏出液中的浓度 和另外一个组分在釜液 中的浓度。
10
3.2.1 多组分精馏过程分析
对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是2，所以只 能指定两个组分的浓度，通常，把由设计者指定分离要求的 这2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）
（1）多组分精馏中，关键组分的浓度分布有极大值。
（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，但进料板浓度不
等于进料浓度。
24
3.2.2 最小回流比
R Rm 时N ， 塔中出现恒
体中A组分会增多。
A
c g-l
a
x2 x1 xB
d
b
l
T
*
B
y2 y1
1 .0
B6
3.2.1 多组分精馏过程分析
1 混合物起始组成为x1
简单蒸馏的T-x-y图
2 加热到温度为T1
T
*
A
3 对应汽相组成为y1
4 温度升高到T2 5 对应液相组成为x2
T T2 T1
c
g-l
a
汽相组成为y2
一次简单蒸馏
发 性
物
降
系 重关键组分（HK）
低
组
成 重非关键组分（HNK），重组分
12
3.2.1 多组分精馏过程分析
关键组分的特点
❖ LK和HK形成分离界限，且αlh越小，分离越难。
❖ 1 D l D 轻 ； W h W 重
❖ 精馏塔的任务：
使LK尽量多地进入馏出液，要严格控制其在釜液中的量； 使HK尽量多地进入釜液，要严格控制其在馏出液中的量。 只有无LNK，且αlh较大，塔顶可采出近于纯LK； 只有无HNK，且αlh较大，塔釜可采出近于纯HK。
（3-3b）
1. 在 [lr, hr]中设 值
试差确定 值；
2. 将值代入（3-3a）式
Rm。
注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在lr, hr之间试差 出几个值，解出几个Rm，然后取平均值。
参见例［3-1］ 33
阅读课本 巩固知识
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相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK）
设αih为非关键组分i对HK的相对挥发度。
若：i h l h :
— i为轻组分，表示：LNK
i h hh :
— i为重组分，表示：HNK
l h ih hh :
11
— i为中间关键组分
3.2.1 多组分精馏过程分析
多 轻非关键组分（LNK），轻组分
组
挥
分 轻关键组分（LK） 精 馏 中间组分