第三章-多组分精馏的课件

3.2多组分精馏过程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3.2.4实际回流比和理论板数3.2.5多组分精馏的简捷计算方法13.2.1多组分精馏过程分析一、关键组分（KeyComponents）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。FNa=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。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。2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，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。由设计者指定分离要求的这2个组分称为关键组分。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）。多组分精馏物系组成：轻非关键组分（LNK），轻组分轻关键组分（LK）中间组分重关键组分（HK）重非关键组分（HNK），重组分3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。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。4二、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，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。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。5二组分精馏实例：苯－甲苯图3-1二组分精馏流率、温度、浓度分布6三组分精馏实例：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7四组分精馏实例：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8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。9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，而总的级间流量分布则主要反映了热衡算的限制。103.2多组分精馏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3.2.4实际回流比和理论板数3.2.5多组分精馏的简捷计算方法113.2.1多组分精馏过程分析

由设计者指定分离要求的这两个组分称为

关键组分。相对易挥发的组分称为轻关键组分（LK），相对难挥发的组分称为重关键组分（HK）。多组分精馏物系组成轻非关键组分（LNK），轻组分轻关键组分（LK）中间组分重关键组分（HK）重非关键组分（HNK），重组分非分配组分：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。123.2.2最小回流比（Rm）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。二组分精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或夹点。恒浓区13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，恒浓区向上推移而出现在精馏段的中部。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图114（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：重组分恒浓区轻组分恒浓区图2重组分恒浓区轻组分恒浓区图315（4）轻、重组分均为分配组分：最小回流比条件下出现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板。如何计算最小回流比？重组分恒浓区轻组分恒浓区图416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：（3-3a）(3-3b)17Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：（3-3a）i

—组分i的相对挥发度；(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—进料液相分率；

—方程的根。

取LK>>HK的根(3-3b)18[例3-3]计算最小回流比

193.2.3最少理论板数（Nm）和组分分配1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。最少理论板数对应全回流操作，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？2、在实验室设备中，研究传质的影响因素。3、工程设计中，必须知道最少理论板数。20计算最少理论板数的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。从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：对第1块板作物料衡算：全回流下，D=0（1）21因此：同理：两式相除，可得：代入（1）式得：22再由相平衡关系可得：

由物料衡算：可得：

依此类推到塔釜：

（2）

23定义AB为相对挥发度的几何平均值：

代入（2）式，可解出最少理论板数Nm：

（3-4）

Fenske方程24几点说明：

3、相对挥发度（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：2）三点平均：3）单点值1、推导中未作任何假设，因而是严格的。2、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。254、方程的变形形式：

摩尔分率可用摩尔数，体积或重量比来代替，得到另一种常用的形式，以含量表示的Fenske方程：(d/b)i

称为组分i分配比（3-7）265、规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率，（3-11）表示轻关键组分在馏出液中的回收率；表示重关键组分在釜液中的回收率。

得出以回收率表示的Fenske方程：276、将Fenske方程变形可得各组分流量分配。i为非关键组分，r为重关键组分或参考组分（1）（2）28设计一个脱乙烷塔，从含有6个轻烃的混合物中回收乙烷，进料组成、各组分的相对挥度和对产物的分离要求见设计条件表。试求所需最少理论板数及在全回流条件下馏出液和釜液的组成。

第三章例题.doc[例3-4]29对于无中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的体系，先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割。清晰分割假定比较适用的情况：轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比LK的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥发度小得多。讨论与分析：对于有中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、E(HNK)组成的体系，则根据C的相对挥发度是靠近B还是靠近D来假定C在塔顶和塔釜的分配。30小结最小回流比Rm——Underwood（恩德伍德）最少理论板数Nm——Fenske方程31习题苯(B)-甲苯(T)-二甲苯(X)-异丙苯（C）混合物送入精馏塔分离，进料组成为：zB=0.2，zT=0.3，zx=0.1，zC=0.4（摩尔分数）。相对挥发度数据：αB=2.25，αT=1.00，αx=0.33，αC=0.21。分离要求：馏出液中异丙苯不大于0.15%；釜液中甲苯不大于0.3%（摩尔）。计算最少理论板数和全回流下的物料分配。323.2.4实际回流比和理论板数有了实际回流比和最少理论板数，求实际理论板数常用的经验方法有：Gilliland图、Erbar-Maddox图。用Underwood方程求出Rm后，实际回流比R一般取作1.30Rm。适用于相对挥发度变化不大的情况适用于非理想性较大的情况33图3-9Gilliland图图3-10Erbar-Mddox34适宜进料板位置的确定原则：(1)在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等与在全回流下用Fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。(2)Kirkbride经验式：

35P79例［3-5］最小回流比和操作回流比下的理论板数的计算:应用例3－4的已知条件和计算结果进行下列计算：(a)使用Underwood法确定最小回流比；(b)使用Erbar-Maddox图求R=1.5Rm的理论板数；(c)使用Kikbride法确定进料位置。363.2.5多组分精馏的简捷计算方法精馏简捷计算——FUG法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N37开始指定进料条件指定两个关键组分的分离程度估计非关键组分的分离情况决定精馏