[工学]第三章 多组分精馏和特殊精馏化工分离过程
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第三章 多组分精馏和特殊精馏
本章主要内容及要求
1. 深入理解多组分精馏过程，会分析； 2. 掌握多组分精馏的简捷计算方法； 3. 掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析
第三章 多组分精馏和特殊精馏
• 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
以全回流下的xi,D代替
αi —组分i 的相对挥发度；
(xi,D)m —最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数；
xi,F —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）；
θ —方程的根。 取αLK>θ>αHK的根
冷液体进料，q>1 饱和液体进料，q=1 汽液混合进料，0<q<1 饱和蒸汽进料，q=0 过热蒸汽进料，q<0
从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：
多组分精馏 待定设计变量数仍是2，所以只要能指定两个 组分的浓度，其他组分的浓度则相应确定。
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,light key）， 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK,heavy key）。
关键组分的选则是根据塔顶和塔底产品工艺要求的 组成来选择的，通常选择挥发度相邻的两个组分。 它们在塔顶或塔底产品中的回收率或含量通常是给 定的，因此，对于系统的分离起着决定性的作用。
多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别 （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。
精馏过程的内在规律 在精馏塔中： 温度分布主要反映物流的组成， 总的级间流量分布则主要反映了热衡算的限制。
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。
二组分精馏实例：苯－甲苯
图3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布
三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯
图3-2 三组分精馏流量分布 图3-3 三组分精馏温度分布
四组分精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯
图3-6 四组分精馏液相组成分布
轻、重关键组分---分配组分 中间组分---分配组分
αＬNK≈αＬＫ，αＨNK≈αＨＫ，且LK与HK的
分离要求不是很高---可能是分配组分 其他轻、重组分---非分配组分
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。
重组分恒浓区
轻组分恒浓区
（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：
重组分恒浓区 轻组分恒浓区
（4）轻、重组分均为分配组分：
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？
建立计算机严格解法的基础
3.1.2 最小回流比（Rm）
二组分精馏 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。
恒浓区ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Rm 可通过图解法求得
多组分精馏
最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键 组分的存在，恒浓区出现的部位要较二组分精馏 复杂。
概念
根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为: 分配组分------塔顶和塔釜均出现 非分配组分---只在塔顶/塔釜出现
精馏塔中的平衡级就是一简单绝热闪蒸级。
3.1 多组分精馏过程
3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1.2 最小回流比 3.1.3 最少理论塔板数和组分分配 3.1.4 实际回流比和理论板数 3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法
3.1.1 多组分精馏过程分析
分析在平衡级中逐级（精馏塔内）发生的温度、流 率和浓度分布以及造成这些变化的影响因素。
清晰分割： 馏出液中除了重关键组分之外，
没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分之外，没
有其它轻组分。
二、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，用衡算式（物料、汽液以及热量）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。
最小回流比的计算方法
Underwood Method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 =
αi (xi,D )m − 1 αi −θ
∑ α i xi,F = 1 − q
αi −θ
（3-1）
Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义
多组分精馏物系组成
设含有五组分的分离系统，挥发度依次递减：
A，B，E，C，D（αA＞αB ＞αE ＞αC＞αD）
令：B，C为关键组分 则： A－称为非关键组分或轻组分（LNK） B－称为轻关键组分（LK） E－称为非关键组分或中间组分 C－称为重关键组分（HK） D－称为非关键组分或重组分（HNK）
一、关键组分（Key Components）
Na=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线采出
F
(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。
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。
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。 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。
最少理论板数的计算
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。
本章主要内容及要求
1. 深入理解多组分精馏过程，会分析； 2. 掌握多组分精馏的简捷计算方法； 3. 掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析
第三章 多组分精馏和特殊精馏
• 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
以全回流下的xi,D代替
αi —组分i 的相对挥发度；
(xi,D)m —最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数；
xi,F —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）；
θ —方程的根。 取αLK>θ>αHK的根
冷液体进料，q>1 饱和液体进料，q=1 汽液混合进料，0<q<1 饱和蒸汽进料，q=0 过热蒸汽进料，q<0
从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：
多组分精馏 待定设计变量数仍是2，所以只要能指定两个 组分的浓度，其他组分的浓度则相应确定。
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,light key）， 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK,heavy key）。
关键组分的选则是根据塔顶和塔底产品工艺要求的 组成来选择的，通常选择挥发度相邻的两个组分。 它们在塔顶或塔底产品中的回收率或含量通常是给 定的，因此，对于系统的分离起着决定性的作用。
多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别 （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。
精馏过程的内在规律 在精馏塔中： 温度分布主要反映物流的组成， 总的级间流量分布则主要反映了热衡算的限制。
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。
二组分精馏实例：苯－甲苯
图3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布
三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯
图3-2 三组分精馏流量分布 图3-3 三组分精馏温度分布
四组分精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯
图3-6 四组分精馏液相组成分布
轻、重关键组分---分配组分 中间组分---分配组分
αＬNK≈αＬＫ，αＨNK≈αＨＫ，且LK与HK的
分离要求不是很高---可能是分配组分 其他轻、重组分---非分配组分
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。
重组分恒浓区
轻组分恒浓区
（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：
重组分恒浓区 轻组分恒浓区
（4）轻、重组分均为分配组分：
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？
建立计算机严格解法的基础
3.1.2 最小回流比（Rm）
二组分精馏 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。
恒浓区ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Rm 可通过图解法求得
多组分精馏
最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键 组分的存在，恒浓区出现的部位要较二组分精馏 复杂。
概念
根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为: 分配组分------塔顶和塔釜均出现 非分配组分---只在塔顶/塔釜出现
精馏塔中的平衡级就是一简单绝热闪蒸级。
3.1 多组分精馏过程
3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1.2 最小回流比 3.1.3 最少理论塔板数和组分分配 3.1.4 实际回流比和理论板数 3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法
3.1.1 多组分精馏过程分析
分析在平衡级中逐级（精馏塔内）发生的温度、流 率和浓度分布以及造成这些变化的影响因素。
清晰分割： 馏出液中除了重关键组分之外，
没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分之外，没
有其它轻组分。
二、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，用衡算式（物料、汽液以及热量）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。
最小回流比的计算方法
Underwood Method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 =
αi (xi,D )m − 1 αi −θ
∑ α i xi,F = 1 − q
αi −θ
（3-1）
Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义
多组分精馏物系组成
设含有五组分的分离系统，挥发度依次递减：
A，B，E，C，D（αA＞αB ＞αE ＞αC＞αD）
令：B，C为关键组分 则： A－称为非关键组分或轻组分（LNK） B－称为轻关键组分（LK） E－称为非关键组分或中间组分 C－称为重关键组分（HK） D－称为非关键组分或重组分（HNK）
一、关键组分（Key Components）
Na=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线采出
F
(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。
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。
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。 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。
最少理论板数的计算
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。