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第三章 多组分多级 分离过程 分析与简捷计算

第三章 多组分多级 分离过程 分析与简捷计算. 多组分精馏： 1. 组分数 C>2 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. 第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算.

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第三章 多组分多级 分离过程 分析与简捷计算

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  1. 第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算

  2. 多组分精馏： 1.组分数C>2 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

  3. 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

  4. 二个极限条件： 计算： 1.近似（简捷）法 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

  5. 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

  6. u = N 5 a 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：

  7. i、j为在精馏中起关键作用的组分，称关键组分。i、j为在精馏中起关键作用的组分，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

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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。 a l h a l h a l h

  11. 3. 关键组分的指定方法 ◆指定回收率 ◆指定控制量 j j ； D l W h 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！

  12. 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

  13. x , x i D W j 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 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。

  14. 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3—1） • 苯—甲苯—异丙苯物系（图3—2） • 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3—3）。

  15. ★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。

  16. 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3—4） ▼ 若无HNK时：LK分别在二段出现两个最高点， HK表现象HNK。（图3—5） ▼有LNK、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3—6） 返回

  17. R m 恒浓区 3.1.2 最小回流比 恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域 1. 时，恒浓区出现的情况 二元精馏： 恒浓区：一个，出现在 进料板

  18. 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

  19. ——上恒浓区 ——下恒浓区 LNK和HNK都为非分配组分 所有组分为分配组分 只有HNK为非分配组分 只有LNK为非分配组分

  20. 2. 的计算 R m 采用Underwood法计算： 该法假设：1.恒摩尔流 2. 在全塔可看成常数 a i h 依据：恒浓区概念 关联式：相平衡、物料平衡

  21. a 式中：—— i 对基准组分 r 的相对挥发度 取基准：① 最难挥发的组分（最重的组分） ② HK i r ——最小回流比操作下，i 的摩尔分数， ( x ) i , D m q ——进料状态参数 a > q > a ——方程的根，为多根方程，取 q l r h r Underwood公式： 误差：10～20%

  22. LK HK 注意：若 、 挥发度不相邻，可在 a a q , 之间试差出几个 ，解出 l r h r R 几个 ，最后取平均值。 m 例3—1 计算最小回流比 已知： 解：由（3—1b）试差 将 代入（3—1a）得 q = 1 . 325 = q = R 1 . 306 1 . 325 m 返回

  23. 意义：◆操作前的准备工作 ◆ 测出 N m 特点：★F=D=W=0 ★ L=V；L/V=1 ★操作线方程： ★板效率 最高 = y x + n 1 , i n , i 3.1.3 最少理论板数和组分分配 1.最少理论板数

  24. = a ( y y x x ( 1 ) ） （ ） （ ） A B n AB n A B n x y A A \ = 2 （ ） （ ） （ ） + n n 1 x y B B 采用Fenske方程求最少理论板数，推导如下： 用（1）、（2）式推导Fenske方程：

  25. x y A A = a 2 将（ ）代入：（ ） （ ） （ ） D AB 1 2 x y B B y x A A = a 1 又由（ ）：（ ） （ ） （ ） 2 AB 2 2 y x B B y y A A = a 2 又将（ ）代入：（ ） （ ） （ ） 2 AB 2 3 y y B B x y A A \ = a a （ ） （ ） （ ） （ ） D AB 1 AB 2 3 x y B B 设塔顶采用全凝器（板序由上向下）：

  26. x x A A = a a a a （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） L - D AB 1 AB 2 AB N 1 AB N W x x B B a = a a a a N 取（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） L - AB AB 1 AB 2 AB N 1 AB N 均 — —代入式中 x x N A A = a 有：（ ） （ ） （ ） D AB W 均 x x B B 以次类推：

  27. Fenske方程的各种形式：

  28. Fenske方程说明： 返回

  29. 2. 非关键组分分配

  30. 例3—2：计算 已知：1. 2. 分离要求 N 和物料分配 m = = x 0 . 025 x 0 . 05 h , D l , W = C LK C HK 选 为 ； 为 2 3 组分 f d w 1 5 5 0 2（LK） 35 35-0.05W 0.05W 3（HK） 15 0.025D 15-0.025D 4 20 0 20 5 10 0 10 6 15 0 15 100 D W 解 a ，清晰分割法物料衡算

  31. 列方程； b求最少理论板数 将D、W代入表中，完成物料衡算表（略）

  32. f i = w 核算式 i d N + a 1 （ ） m i h h w c 核实清晰分割的合理性

  33. d N a f （ ） m i h h i w = d 核算式 i d N + a 1 （ ） m i h h w

  34. \ C 清晰分割假设对 不成立，须调整 3 结果：第二次 与第一次相近 = d 0 . 635 C3 d调整 以前面结果为初值，进行试差

  35. 例3—3：计算 已知：1。 2. 分离要求 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。 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

  36. 组分 f d w B 20 20 0 T（LK） 30 29.853 0.147 X 10 1 9 C（HK） 40 0.0746 39.924 100 50.929 49.071

  37. 2.由初算结果核算 近似为0 d w w ， ；及是否 x x 1 核算中间组分： 核算LNH组分B：

  38. 3. 将 代入，再次 清晰分割法计算 = = d 0 . 519 w 9 . 481 ， x x 组分 f d w B 20 20 0 T（LK） 30 29.852 0.148 X 10 0.519 9.481 C（HK） 40 0.0757 39.924 100 50.446 49.554

  39. 4.再次核算 d w ， x x 核算中间组分： 5. 重复3的计算，完善物料衡算表

  40. 作业： P163： 6题 认真思考 独立完成 返回

  41. 1. Gilliand图和拟合形式 图3-9 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=（1.1～1.5）Rm 二、理论板数

  42. 2. Erbar and Maddox关联图： 比Gilliand图精确，误差4.4% 图3—10 用Gilliand图简便、但不准确，回归的经验式为： 已知X，由（3—14）或（3—15）解出y

  43. 三、适宜进料位置的确定

  44. 例3—4 分离烃类混合物 例3—1 求出Rm=1.306； 例3—2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

  45. 塔中实际板为18块 3、确定进料位置

  46. 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（3—12） 对于操作情况，R=(1.2～2)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。

  47. 讨论： 简捷计算法步骤有那些？

  48. 简捷计算法步骤： 1.由工艺要求选LK，HK，物料分配得出

  49. 作业： P164： 8题 认真思考 独立完成 返回

  50. 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？ 1.问题的引出 第二节 萃取精馏和共沸精馏

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