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1、1,3.2 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,2,3.2.1 多组分精馏过程分析,一、关键组分（Key Components）,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。,Na=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。,3,对于两组分精馏，
2、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,4,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
3、液中除了轻关键组分之外，没有其它轻组分。,5,二、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。,6,二组分精馏实例：苯甲苯,图3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布,7,三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯,8,四组分精馏实例：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,9,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
4、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。,10,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。,11,3.2 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,12,3.2.1 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
5、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。,13,3.2.2 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。,14,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
6、，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。,15,（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：,16,（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？,17,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),18,Underwood（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)
7、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LKHK的根,(3-3b),19,例3-3 计算最小回流比,20,3.2.3 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。,21,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
8、。,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：,（1）,22,因此：,同理：,两式相除，可得：,代入（1）式得：,23,再由相平衡关系可得：,由物料衡算：,可得：,依此类推到塔釜：,（2）,24,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,25,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。,26,4、方程的变形形式：,摩尔分
9、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）,27,5、 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：,28,6、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）,29,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
10、题.doc,例3-4,30,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。,31,小 结,最小回流比RmUnderwood（恩德伍德） 最少理论板数NmFenske方程,32,习 题,
11、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：B=2.25，T=1.00，x=0.33，C=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。,33,3.2.4 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
12、况,适用于非理想性较大的情况,34,图3-9 Gilliland图 图3-10 Erbar-Mddox,35,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：,36,P79 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 34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。,37,3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法,精馏简捷计算,FUG法,Fenske,Nm,Underwood,Rm,Gilliland,R、N,38,多组分精馏的FUG法计算框图,