多组分多级分离过程分析与简捷计算

1、多组分多级分离过程分析与简捷计算第1页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二多组分精馏： 1.组分数C2 2.求解数目较多方程 变量分析 3.塔内分布复杂过程分析 4.计算简捷法：Fenske-Undewood-Gilliland法 共沸精馏图解法 萃取精馏简化法 吸收因子法 逆流萃取集团法逐板法：严格计算（非本章内容）返回第2页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算第一节多组分精馏过程第二节萃取精馏和共沸精馏第3页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二二个极限条件：计算： 1.近似（简捷）法

2、用于： 基础数据不全 提供电算初值 比较、选择方案 2.严格计算 电算（下一章）第一节 多组分精馏过程第4页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第一节 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、理论板数、进料位置返回第5页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3.1.1 多组分精馏过程分析 一、关键组分 1.关键组分的引出一般精馏： 对于设计型计算，5个可调设计变量为： 5=uaN第6页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二 i、j为在精馏中起关键

3、作用的组分，称关键组分。 i：挥发度大的组分，称轻关 键组分，表示：LK，下标：l j：挥发度小的组分，称重关 键组分，表示：HK，下标：h第7页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二精馏塔的任务： LK尽量多的进入塔顶馏出液； HK尽量多的进入塔釜釜液。第8页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二对于精馏中的非关键组分： 设 为非关键组分i对HK的相对挥发度。第9页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 关键组分的特点LK和HK形成分离界线，且 越小， 分离越难。精馏中： LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制； HK绝大多数

4、在塔釜出现，在顶中量严格控制。只有无LNK，且 较大，塔顶可采出纯LK； 只有无HNK，且 较大，塔釜可采出纯HK。hlahlahla第10页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3. 关键组分的指定方法 指定回收率 指定控制量hWlDjj；注意：同一组分，规定了一端的回收率，另一端的量已确定。不能重复！第11页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二4. 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 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第12页，共114页，2022年

5、，5月20日，14点13分，星期二二、设计计算多组分精馏过程的复杂性1. 确定后，顶釜浓度未确定 物料衡算确定顶釜浓度jWDxix,二种方法： 清晰分割法 假设LNK全部从塔顶采出； 假设HNK全部从塔釜采出。非清晰分割法 各组分在顶、釜都有可能存在。第13页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二流量分布、温度分布、浓度分布复杂 流量分布 分子汽化潜热相近，可视为恒摩尔流 例：苯甲苯物系（图31） 苯甲苯异丙苯物系（图32） 分子汽化潜热不相近，V、L有变化， 但V/L变化不大温度分布 泡点与组成密切相关，温度分布接近组成分布形状。（图33）。第14页，共114页，2022

6、年，5月20日，14点13分，星期二 浓度分布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.对非关键组分 精馏段：HNK迅速消失； LNK以接近于常数浓度在进料板以上各 板中出现，接近顶部急剧增加，在出料 液中达到最高。 提馏段：LNK迅速消失； 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。第15页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3.关键组分 变化复杂 若无LNK时：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现象LNK。（图34） 若无HNK时：LK分别在二段出现两个最高点， HK表现象HNK。（图35） 有L

7、NK、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，然后降到所规的浓度。 （图36）返回第16页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3.1.2 最小回流比1. 时，恒浓区出现的情况mR恒浓区精馏塔中全部浓度不变的区域恒浓区二元精馏：恒浓区：一个，出现在 进料板第17页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二多元精馏：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和中间关键组分为分配组分； 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

8、组分相互影响，存在上、下恒浓区 所有进料组分中有非分配组分的影响 恒浓区位置不一定在进料板处第18页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二只有HNK为非分配组分只有LNK为非分配组分所有组分为分配组分LNK和HNK都为非分配组分上恒浓区下恒浓区第19页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 的计算mR采用Underwood法计算： 该法假设：1.恒摩尔流 2. 在全塔可看成常数hia依据：恒浓区概念关联式：相平衡、物料平衡第20页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二Underwood公式：式中： i 对基准组分 r 的相对挥发度

9、 取基准： 最难挥发的组分（最重的组分） HKriamDix)(, 最小回流比操作下，i 的摩尔分数， q进料状态参数 方程的根，为多根方程，取qrhrlaqa误差：1020%第21页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二，最后取平均值。几个，解出之间试差出几个挥发度不相邻，可在、注意：若mrhrlRHKLKqaa,例31 计算最小回流比 已知：解：由（31b）试差 将 代入（31a）得306.1=mR325.1=q325.1=q返回第22页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3.1.3 最少理论板数和组分分配1.最少理论板数特点：F=D=W=0 L=

10、V；L/V=1 操作线方程： 板效率 最高ininxy,1=+意义：操作前的准备工作 测出 mN第23页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二采用Fenske方程求最少理论板数，推导如下：）（）（）（21+=nBAnBAyyxx)1(nBAnABnBAxxyy）（）（）a=用（1）、（2）式推导Fenske方程：第24页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二设塔顶采用全凝器（板序由上向下）：321）（）（）（）（BAABABDBAyyxxaa=3222）（）（）代入：（又将（BAABBAyyyya=2221）（）（）：（又由（BAABBAxxyya=21

11、2）（）（）代入：（将（BAABDBAyyxxa=第25页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二以次类推：WBANABNABABABDBAxxxx）（）（）（）（）（）（aaaa121-=LWBANABDBANNABNABABABABxxxx）（）（）有：（代入式中）（）（）（）（）取（均均aaaaaa=-121L第26页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二Fenske方程的各种形式：第27页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二Fenske方程说明：返回第28页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 非关键

12、组分分配第29页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二解 a ，清晰分割法物料衡算HK CLKC为；为选=32WD10015015610010520020415-0.025D0.025D153（HK）0.05W35-0.05W352（LK）0551wdf组分例32：计算已知：1. 2. 分离要求05.0025.0,=WlDhxx和物料分配mN第30页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二列方程；将D、W代入表中，完成物料衡算表（略）b求最少理论板数第31页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二c 核实清晰分割的合理性核算式）（hmhi

13、iiwdNfwa+=1第32页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二核算式）（）（hmhiihmhiiwdNfwdNdaa+=1第33页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二不成立，须调整清晰分割假设对3Cd调整 以前面结果为初值，进行试差结果：第二次 与第一次相近635.0C3=d第34页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二例33：计算已知：1。 2. 分离要求解：选甲苯为LK，异丙苯为HK，二甲苯为中间关键组分。物料分配时要对二甲苯试差1. 设 （依据相对挥发度估计）其他组分按清晰分割法处理，初算结果如下表。第35页，共114页

14、，2022年，5月20日，14点13分，星期二49.07150.92910039.9240.074640C（HK）9110X0.14729.85330T（LK）02020Bwdf组分第36页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 由初算结果核算1近似为0wwdxx；及是否，核算中间组分：核算LNH组分B：第37页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二49.55450.44610039.9240.075740C（HK）9.4810.51910X0.14829.85230T（LK）02020Bwdf组分3. 将 代入，再次 清晰分割法计算481.9519

15、.0=xxwd，第38页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二4. 再次核算wdxx，核算中间组分：5. 重复3的计算，完善物料衡算表第39页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二作业： P163： 6题 认真思考 独立完成返回第40页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3.1.4 实际回流比、理论板数、进料位置一、实际回流比R 由操作费、设备费确定 由经验取： R=（1.11.5）Rm二、理论板数1. Gilliand图和拟合形式图3-9第41页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二用Gilliand图简便、但

16、不准确，回归的经验式为：已知X，由（314）或（315）解出y2. Erbar and Maddox关联图： 比Gilliand图精确，误差4.4%图310第42页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二三、适宜进料位置的确定第43页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二例34 分离烃类混合物 例31 求出Rm=1.306； 例32求出Nm=6.805和物料衡算表 本题求N，进料位置解：1.求R R=1.25Rm=1.634第44页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3、确定进料位置塔中实际板为18块第45页，共114页，2022年，

17、5月20日，14点13分，星期二四、不同回流比下物料分配的比较 不同回流比物料分配如图（312） 对于操作情况，R=(1.22)Rm,由Fenske方程： 对全回流情况结论：可用操作回流比下的物料分配，采用 Fenske方程计算Nm。第46页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二讨论： 简捷计算法步骤有那些？第47页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二简捷计算法步骤：1.由工艺要求选LK，HK，物料分配得出第48页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二作业： P164： 8题 认真思考 独立完成返回第49页，共114页，2022年，

18、5月20日，14点13分，星期二1.问题的引出分离乙醇水混合物分离丁烯-2丁烷问题：如何分离 的混合物？第二节 萃取精馏和共沸精馏第50页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2.特殊精馏 在 和 的溶液中加入一个新组分S，使它对原溶液中各组分产生不同作用，从而改变原溶液组分之间相对挥发度，使系统变的易于分离。 及：特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的精馏。 原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出。 共沸精馏，S为共沸剂 原溶液加新组分后不形成共沸物且S沸点最高，从塔釜采出 萃取精馏，S为萃取剂或溶剂第51页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第二节

19、萃取精馏和共沸精馏 3.2.1 萃取精馏 3.2.2 共沸精馏返回第52页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二3.2.1 萃取精馏 一、流程ABSA，B特点：1. 二塔串联;2. S为难挥发组分， 一般在近于塔顶 加入.第53页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二二、萃取精馏原理和溶剂选择1.溶剂的作用问题：如何增加 ？12a第54页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二由三元物系Margules方程：(3-19)第55页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二将上式代入（318）：恢复(3-21)(3-23)第

20、56页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二分析（324）：(3-21)(3-23)(3-24)第57页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二讨论：(3-25)第58页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二(325）成立的必要条件：，021-SSAA,第59页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二溶剂的作用： 体现：原溶液沸点差不大（ ）非理想性不很强时， 稀释原溶液：体现：当原溶液沸点差大，非理想性很强时， 加S后，浓度下降，而 增加，由（321）： 小，突出了 作用。 对原溶液1、2组分产生不同的作用，提高12

21、a返回第60页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二补充作业：在萃取精馏中，已知60时：第61页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 溶剂的选择考虑分子极性 选择在极性上更类似于HK的化合物作溶剂，降低HK的挥发度。 例：分离甲醇（沸点64.7），丙酮（沸点65.5）a.选烃作溶剂，丙酮为难挥发组分2；b.选水作溶剂，甲醇为难挥发组分2。极性顺序：由小到大第62页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二考虑能否形成氢键S加入后形成的溶液： 仅有氢键生成，则呈现负偏差； 仅有氢键断裂，则呈现正偏差。（表32）考虑其它因素 1. 沸点

22、高、不与1、2组分共沸，不起化学反应。 2. 溶解度大。 3. 溶剂比（溶剂/进料）不得过大。 4. 无毒、不腐蚀、低廉、易得。第63页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二三、萃取精馏过程分析1.塔内流量分布m-1mm+1n-1nn+1FSDW设S为纯组分，在塔顶采出为0。(3-28)第64页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二(3-31)(3-32)(3-28)(3-32)第65页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第66页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 塔内溶剂浓度分布 由于S量大，挥发性小，

23、可视为S浓度恒定作为简化计算。第67页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二(3-41) (3-42) 第68页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二分析：(3-43)(3-45)第69页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二分析（343）、（345）：第70页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二(3-44)第71页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二(3-16)第72页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二 图解法或解析法设 在全塔恒定，将1、2、S三元看成1、2元处理

24、。四、萃取精馏过程计算SxR=5FSDW例：35 求S/F；N第73页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二图作xy.2要确定温度和浓度。第74页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二浓度和温度的确定:第75页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第76页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二块。求在图中作操作线方程，14=N第77页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二7.2100270=FS(3-43)第78页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二补充作业： 采用溶剂S来

25、萃取精馏组分1、2的混合物，溶剂看成不挥发的纯组分，回流比R=2.25，塔内看成恒摩尔流，露点进料（q=0），已知条件如后页； 求：（1）板上溶剂浓度； （2）最少理论板数； （3）用所给式说明溶剂作用。第79页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二 组成 进料（mol分数）塔顶（mol分数）塔釜（mol分数）10.50.950.00520.50.050.095S0.00.00.9返回第80页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二 3.2.2 共沸精馏共沸物（恒沸物）： 定压下，加热溶液使之蒸发，从始到终x、y、T不变的溶液。共沸点（恒沸点）： 共沸时的

26、温度。 对共沸物： 一个汽相，一个液相， 均相 一个汽相，多个液相， 非均相第81页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二一、共沸物的特性和共沸组成的计算 科诺瓦洛夫定律指出：适用于二元和多元 Px曲线极值点，相当于汽液平衡相组成相等。第82页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第83页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二共沸参数（x、T、P）预测：已知 x、T、P 任一个参数，可求出另外二个。第84页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二例36 已知P=86.659kPa，求共沸时x、T。否则重设，比较：计T

27、PPe-第85页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二另外：不用试差呀！第86页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二B：二元非均相共沸物（都为正偏差共沸物） 系统正偏差较大时： 形成二个液相，一个汽相共沸物。1形成非均相共沸物。3不形成共沸物。2形成均相共沸物。第87页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二适用情况：第88页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二若互溶度很小：第89页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二平衡计算：同时考虑：1.汽液平衡；2.液液平衡No(3-54)(3-55)

28、第90页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二2. 三元系科诺瓦洛夫定律也能应用A：相图（立体图） Px图：1.三侧面表示三个二元系P(T)-x图。2.理想系，压力面是平面； 正偏差物系，压力面位于平面之上； 负偏差物系，压力面位于平面之下。3.三元共沸点对应压力极值点。4.用平行于底面的平面切割压力（温度）面。得到一系列等压（等温）曲线。第91页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二第92页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二B；脊、谷、鞍点设 m正偏差共沸物，（或最低共沸物） M负偏差共沸物，（或最高共沸物）对于压力面： 三个二

29、元m(或M),有三元共沸物存在. (图319) 二个m，或一个m与一个低沸点组分，使压力面产生脊； 二个M，或一个M与一个高沸点组分，使压力面产生谷。 （图320） 有脊又有谷，会出现鞍点，为鞍点共沸物.(图321)第93页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二C：三元均相共沸组成的计算(3-56)(3-57)(3-58)第94页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二二、共沸剂的选择一般原则:1.分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物 a.共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物。 b.分别与两组分形成二元正偏差共沸物，且共沸点有明显差别。 c.与两组分形成三

30、元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。2.分离二元正偏差共沸物 a.共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物，共沸温度明显低。 b.形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。第95页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二例1.分离环己烷(1)苯(2),共沸剂的选取。 沸点：T1=80.8 T2= 80.2 特点：1、2形成正偏差（或最低）共沸物 （共沸点：T=77.4 X2=0.54）方法： 1.找出与1、2形成共沸物的物质。 2.筛选 在所有能形成共沸物的物质中选出共沸点低于77.4 的物质。（丙酮、甲醇） 3.相图分析确定：第96页，共114页，2022年，5月20日，14点13

31、分，星期二分离情况： 丙酮作共沸剂，塔顶分出环己烷与丙酮； 甲醇作共沸剂，塔顶分出三元共沸物。结论：选丙酮为共沸剂。第97页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二例2.分离氯仿(沸点61.2) 丙酮(沸点56.4 ),共沸剂的选取。特点：形成负偏差共沸物。选二硫化碳为共沸剂：塔顶：二硫化碳丙酮 共沸点；39.3 塔釜： 较纯的氯仿。第98页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二例3.分离乙醇水,共沸剂的选取。特点：形成一个三元共沸物，三个二元共沸物。选苯为共沸剂：苯、醇、水三元共沸物纯乙醇水+乙醇水+乙醇共沸物水+乙醇主塔苯回收塔乙醇回收塔纯水第99页，

32、共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二总之： 1. 显著影响1、2组分平衡关系 2. S易回收、分离 3. 量少、汽化潜热小 4. 溶解度大、不起化学反应 5. 无腐蚀、无毒 6. 价廉、易得。第100页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二相图：101.3kPa0.7MPa三、分离共沸物的双压精馏过程 利用不同压力下，共沸组成不同分离。例：分离甲乙酮水共沸物共沸物1常压2加压F水MEK工艺流程图：第101页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二物料衡算：二个塔作一个整体用高。（循环量）大，操作费小，式中：2,1,121DxxDD-第102页，共114页，2022年，5月20日，14点13分，星期二四、二元非均相共沸物的精馏 系统本身形成非均相共沸物流程例：分离正丁醇（1）水（2）X1