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1、多组分连续精馏,1 流程方案的选择 2 多组分的汽液相平衡 3 关键组分和物料衡算 4 多组分精馏的简捷计算 5 多组分精馏的严格计算简介,主要内容及要求：,1 流程方案的选择,若将n个组分的混合物分离成n个单组分，需要（n-1）个塔，因为一个塔原则上只能分离出一个高纯度的组分，而最后一个塔才能得到两个高纯度的产品。因此，流程方案有多种。 若对A、B、C三个组分的混合液体进行分离，有以下两种方案：,多组分精馏流程方案的选择原则：,总的原则：经济合理、能耗最小。同时要兼顾所分离混合物各组分的性质以及对产品的要求！,（1）一般情况下，按组分挥发度排序，把组分逐一从塔顶分出的顺 序排列流程，也即沸点

2、低的组分优先从塔顶分出。 （2）当进料中各组分的浓度差别较大时，按浓度递减的顺序排列流 程，即浓度高的组分优先从塔顶分出。 （3）热敏性的低沸点组分可以考虑优先从塔顶分出。 （4）沸点高的、易聚合的组分可以考虑优先从塔底分出。 （5）产品纯度要求高的组分留在最后进行分离。 （6）此外，还要考虑热量的集成方案，以达到分离能耗较小的目的。,1 流程方案的选择,2 多组分的汽液相平衡,例 求含正丁烷(1) 0.15、正戊烷(2) 0.4、和正己烷(3) 0.45(均为摩尔分数)之烃类混合物在0.2 MPa（绝）压力下的泡点温度。,解：因各组分都是烷烃，且压力较低，所以气、液相均可看成理想溶液，Ki只

3、取决于温度和压力，可使用烃类的p-T-K图。,假设t=50，P=0 2 MPa，查图求Ki，进而计算Ki xi,组分 xi Ki yi= Ki xi 正丁烷 0.15 2.5 0.375 正戊烷 0.40 0.76 0.304 正己烷 0.45 0.28 0.126,Kixi=0.8051, 说明所设定的温度偏低，重设定T=58.7,组分 xi Ki yi= Ki xi 正丁烷 0.15 3.0 0.450 正戊烷 0.40 0.96 0.384 正己烷 0.45 0.37 0.167,Kixi=1.0011, 故泡点温度为58.7。,2 多组分的汽液相平衡,2.4 混合气体的露点计算 处于相

4、平衡的汽、液两相，若已规定了汽相组成与系统压力，则气体的露点温度以及相应的液相组成就唯一的随之确定。露点温度的计算也通常按归一法条件，用试差法求解。 计算过程：先假定露点温度，查处或计算出各组分的Ki值，再计算出液相组成，判断是否满足归一法条件。,2 多组分的汽液相平衡,例一烃类混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及异丁烷55%，试求混合物在25时的泡点压力和露点压力。,解：因各组分都是烷烃，且压力较低，所以气、液相均可看成理想溶液，Ki只取决于温度和压力，可使用烃类的p-T-K图。,假设P=2.0MPa，t=25 ，查图求Ki，进而计算Ki xi,Kixi=0.9191,说明所

5、设定的压力偏高，重设定P=1.18MPa,Kixi=1.0051 ,故泡点压力为P=1.18MPa,2 多组分的汽液相平衡,假设P=0.6MPa，t=25 ，查图求Ki，进而计算Ki xi,yi/Ki=1.06881,说明所设定的压力偏高，重设定P=0.56MPa,yi/Ki=1.0061,故露点压力为0.56MPa,3 多组分精馏过程分析,3.1 关键组分（Key Components）,Na=串级数(2)分配器(1) 侧线采出(0)传热单元(2) = 5 (可调设计变量）,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。,剩余的2

6、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。,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。,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。,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。,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,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

7、中： (为回收率) LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制； HK绝大多数在塔釜出现，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。,关键组分的指定原则： 由工艺要求决定,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,需要说明的是：关键组分的选取随不同的分离方案而不同。以挥发度递减的A、B、C、D四个组分的分离为例。,方案1中的轻关键组分为C、重关键组分为D 方案2中的轻关键组分为B、重关键组分为C 方案3中的轻关键组分为A、重关键组分为B,当选取的关键组分按挥发度排序是两个相邻的组分

8、时，而且两个关键组分的相对挥发度较大，同时分离要求也较高时，也即塔顶馏出液中重关键组分的含量极低，而塔釜液中轻关键组分的含量也极低，那么可以认为轻组分全部从塔顶蒸出、重组分全部留在塔底。这样的物料分割方法称为清晰分割法。,3.2 清晰分割法,如图所示，A为轻组分、B为轻关键组分、C为重关键组分、D为重组分。按清晰分割法，塔顶不含D、塔底不含A。,什么下可以达到清晰分割？ 两个关键组分的相对挥发度相邻且分离要求严格，或非关键组分的相对挥发度与关键组分相差较大时，可以达到清晰分割。,3.2.1分配与非分配组分,塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分 只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分 关键组分必定是

9、分配组分 非关键组分不一定是非分配组分 3.2.2 清晰与不清晰分割 清晰分割：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 轻组分全部从塔顶馏出液中采出，重组分全部从塔釜排出 非关键组分为非分配组分 非清晰分割：非关键组分为分配组分,3.3 物料衡算,在进行全塔物料衡算前，先确定关键组分，然后按清晰分割法进行物料衡算。 n个组分精馏的全塔物料衡算式有（n-1）个，即：,定义：,例 某分离烃类的精馏塔，进料量为100 molh，70(泡点)进料，操作压力为405.3 kPa。进料组成正丁烷 xFA=0.4（摩尔分数，下同）；正戊烷 xFB=0.25；正己烷 xFC=0.20；正庚烷

10、xFD=0.15。分离要求：正戊烷在馏出液中的回收率为90，正己烷在釜液中的回收率为90。 计算：馏出液和釜液的流率及组成。,解 设正戊烷为轻关键组分；正己烷为重关键组分。,对组分B：FxFB= DxDB+ WxWB=0.25100=25.0,总物料衡算：F=D+W,对组分C：FxFC= DxDC+ WxWC=0.20100=20.0,组分B的回收率： DxDB / FxFB =0.9025.0=22.5,组分C的回收率： WxWC / FxFC =0.9020.0=18.0,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,根据清晰分割法，组分A全部在塔顶，组分D全部在塔底，因此有：,（6）,（7）,

11、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。各组分的浓度分 布曲线在进料板处不连续。,4.2 最小回流比,恒浓区（夹点）精馏塔中全部浓度不变的区域。,二元精馏：,恒浓区：一个，出现在进料板,最小回流比时：,多元精馏特点： 各组分相互影响，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。,多组分精馏中的恒浓区,（1）

12、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段的中部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。,4.3 最少理论板数和组分分配,1.最少理论板数,1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。,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？,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。,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。,Fen

13、ske方程,几点说明：,2、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。,3、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，因为换算因子可以相互抵消，得到另一种常用的一般形式：,d/w 称为分配比。,4、Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。,5、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组 成无关。,6、Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段 理论板数和组分分配。,解：选组分2为LK，组分3为HK ，则组分1是轻组分 ，组分4、5、6是重组

14、分。根据清晰分割法进行物料衡算，得,将D、W代入表中，完成物料衡算表（略）,4.4 实际回流比、理论板数、进料位置,一、实际回流比R 塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的 必要条件； 回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的 重要因素； 回流比是精馏过程设计计算的重要参数。,由经验取： R =（1.11.5）Rm,当 R ROP ，总费用 随R的增大而急剧增加； 当R ROP ，总费用随 R的减少而急剧增加。,二、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(耳波与马多克斯法) 。,适用于相对挥发度变化不大的情况,适

15、用于非理想性较大的情况,用Gilliand图简便、但不准确，回归的经验式为：,已知X，由以上的方程解出y,Brown和Martin建议，适宜进料位置的确定原则是：在操作回流比下，精馏段与提馏段理论板数之比，等于在全回流下用Fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。,三、适宜进料位置的确定,比Gilliand图精确，误差4.4%。,简捷法计算适宜的进料位置，除了用上述方法外，还可以采用Kirkbride（柯克布来德）提出的一个近似确定适宜进料位置的经验式。,式中：NR精馏段的板数 NS精馏段的板数 N=NS+NR,总结：多组分精馏的简捷计算方法,初步设计和经验估算； 适宜操作方式

16、的确定； 合理分离顺序的确定； 严格计算中设计变量数值和迭代变量初值 的提供； 当相平衡数据不足时，与严格计算方法的 准确度相当。,简捷计算方法适应的场合,简捷计算法步骤： 1. 由工艺要求选LK，HK，由清晰分割法物料分配得出,例 某分离烃类的精馏塔，进料量为100 molh，70(泡点)进料，操作压力为405.3 kPa。进料组成正丁烷(A) xFA=0.4（摩尔分数，下同）；正戊烷(B) xFB=0.25；正己烷(C) xFC=0.20；正庚烷(D) xFD=0.15。分离要求：正戊烷(B)在馏出液中的回收率为90，正己烷(C)在釜液中的回收率为90。根据前例计算得到的结果，计算： 使用Underwood法确定最小回流比； 使用ErbarMaddox图求R=1.5Rm的理论板数； 使用Kikbride法确定进料位置。,解 使用Underwood法确定最小回流比 由前例计算得到的塔顶、塔底组成，在规定操作压力条件下，利用泡、露点方程，试差得到塔顶和塔釜温度分别为67和132，全塔平均温度为99.5，查图得该温度和操作压力下的Ki值，