第三章 多组分多级分离的过程分析及简捷计算

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C22.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第一节设计变量第二节多组分精馏过程第三节萃取精馏和共沸精馏第四节吸收和蒸出过程第五节萃取过程第一节设计变量3.1.1单元的设计变量3.1.2装置的设计变量返回设计变量：确定设计中已知变量例如二元精馏：可解出：N；…,,,44FWADBFxqPxxR—固有的个变量，，，进料位置—规定个变量对于复杂体系变量如何确定？确定变量数目—设计变量约束条件—系统中的变量数—设：CViCVNNNNNiCVNNN，，如何确定约束条件数：物料平衡式能量平衡式化学平衡式其它相等条件VN如何确定？CVNN,变量数：数出能进数出功进）（换：股物流，且有功、能交若物流数（一股））自由度数（单相）：任意单股物流（一股、)()(2212+++++++CNNNCCfNVVpVN返回3.1.1单元的设计变量将复杂化工装置分解成简单单元，求：42263221216300233++++++++CCCeiNCCxxPPTTCeNCCeNNLiFiFFCV）（）（个个个等量关系：个能量衡算式：个物料衡算式：：）（物流数：eiNeiN例1.分配器FFFPTxF,,,PTxLL,,,11PTxLL,,,2213431211+++++）（）（）（中分配器：例CCexNeiNeaNCCexN设计变量分：●固定设计变量：进料物流变量和系统压力●可调设计变量：除的其他变量eaNexNexN往往对此感兴趣！例2.产物为两相的全凝器1343124)32()73(++++++++）（）（）（其中：CCeaNCCexNCCCNeiLBFLAQ73123)()2(+++++CCCeNV）（数出热进物流数方程数物料衡算C热量衡算1相平衡C二相T，P相等22C+3:eNC可指定为平衡单元温度例3.简单绝热操作理论板05212252)32()84(++++++eaNCCexNCCCNei）（其中：OViVOLiL84)2(4)2(+++CCCeNV物流数方程数物料衡算C热量衡算1相平衡C二相T，P相等22C+3:eNC我把各种单元的设计变量归纳在表3—1中，你可以去查哟！设计变量真难！返回3.1.2装置的设计变量由单元设计变量确定：ucNrNeiNuiN式连接单元间物流产生等重复使用的单元数+uiN重复使用一种为1前面进等于后面出例4.简单吸收塔（N块理论板串级）VN1NLN+1L1V0变量数相等股汽、液流量为多次重复使用理论板：）（：—查表)1(:1)(525213++NNNCNNCNuCreiei∴吸收塔设计变量：指定为理论板数或关键组分吸收率14222)2(52)]2(2)[1(1)52(++++++++++++uxuiuauxNNNNCNCcNNCCNCNuCNrNeiNuiN）（每级压力进料变量数其中：例5.简单精馏塔查表3—1：2MM+1M+2NFDW=L110C+N+27C+4再沸器2C+(M-1)+5(M-1)板平衡串级3C+7进料板2C+(N-M-1)+5N-(M+1)板平衡串级C+4回流分配器C+4全凝器单元eiN9股单元物流数；54229)189()2710(189)2(9++++++++++++uxuiuauxuiuCNNNNCNCNNCCNCNCCN）（其中：故：:uxN进料C+2每级压力（包括再沸器）N全凝器压力1回流分配器压力1合计C+N+45合计11（D/F）1进料位置1理论板数1回流温度）（DLN1+:uaN对精馏塔归纳出简便、可靠的确定设计变量的方法：（1）按每一单相物流有（C+2）个变量，计算由进料物流所确定的固定设计变量数。（2）确定装置中具有不同压力的数目。（3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。（4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单元数目及传热单元数目相加，便是整个装置的可调设计变量，例6.带一个侧线采出口的精馏塔设塔内与进料压力相等进料变量数C+2压力等级数1合计C+3:uxN:uaN串级单元数3分配器的数目1侧线采出单元数目1及传热单元数目2合计7作业：P115：1题P116：4题返回二个极限条件：NRRNNRmm时，时，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）第二节多组分精馏过程第二节多组分精馏过程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、理论板数、进料位置返回3.2.1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：在塔釜回收率—在塔顶回收率—这里：）（）；（；回流温度；进料位置；jFxWxiFxDxxxRFjWjWjFiDiDiWjWjDiDi5uaNi、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：lj：挥发度小的组分，称重关键组分，表示：HK，下标：h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。为中间关键组分—为重组分，表示：—为轻组分，表示：—若：ihhhihlHNKihhhiLNKihlhi:::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。ih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。重轻；WhWDlDhlhlhl3.关键组分的指定方法◆指定回收率◆指定控制量hWlD；lWhWhDlDxxxx或；或注意：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！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。2.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—4）苯—甲苯—异丙苯物系（图3—5）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—4），（图3—6）。★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。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—7）▼若无HNK时：LK分别在二段出现两个最高点，HK表现象HNK。（图3—8）▼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—9）返回3.2.2最小回流比1.时，恒浓区出现的情况塔中出现恒浓区时，NRRmeeeDmxyyxRmR恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域eDxWxxy恒浓区二元精馏：恒浓区：一个，出现在进料板多元精馏：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hi依据：恒浓区概念关联式：相平衡、物料平衡)33(1)33(1)(,,bqxaRxriFirimrimDiri+Underwood公式：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）②HKrimDix)(,——最小回流比操作下，i的摩尔分数，DimDixx,,)(q——进料状态参数——方程的根，为多根方程，取rhrl误差：10～20%mbrhrlmRaR式代入将试差确定中设在解法：式.2],[.1，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mrhrlRHKLK,例3—1计算最小回流比已知：解：由（3—3b）试差将代入（3—3a）得306.1mR325.10.1,,,,qxxDiFi325.1返回3.2.3最少理论板数和组分分配mNNR时，1.最少理论板数特点：★F=D=W=0★L=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采用Fenske方程求最少理论板数，推导如下：）（）（）（）（，板序由上向下分别表示二个不同组分、设BABABBAAABxxyyxyxyBA）（）（）（21+nBAnBAyyxx全回流）又(,,1,,1BnBnAnAnxyxy++)1((nBAnABnBAxxyy）（）（）块板：对于第n用（1）、（2）式推导Fenske方程：设塔顶采用全凝器（板序由上向下）：DBABAABBAxxxxyyn）（）（）（））：（由（开始：从11111321）（）（）（）（BAABABDBAyyxx3222）（）（））代入：（又将（BAABBAyyyy2221）（）（））：（又由（BAABBAxxyy212）（）（））代入：（将（BAABDBAyyxx以次类推：WBANABNABABABDBAxxxx）（）（）（）（）（）（121L方程——）（）（）（，省去“均”：表示由于全回流，用FenskexxxxNNNABWBADBAmm83lg]lg[WBANABDBANNABNABABABABxxxx）（）（）有：（—代入式中—）（）（）（）（）取（均均121L）—（）（）（用摩尔浓度表示：83lg]lg[ABWBADBAmxxxxNFenske方程的各种形式：）—（）（）（不用对数表示：123BmABAwdNwd）—（）（）（量表示：用摩尔量、体积量、重113lg]lg[ABBAmwdwdNFenske方程说明：为其汽相产品浓度比。）分凝器，为其液相产品浓度比；）全凝器，DBADBAxxxx((.1.(.5mWABDBANxxxx，）、），式中（若分离要求34.ABABABABABABABAB均釜顶釜进顶（）的一般计算（）（）或；（）（）（）HKBLKABABA为为多元：；为挥发性小的组分为挥发性大的组分二元：元导出，可用于二元和多、公式由.3二级。数，包括塔釜、分凝器求出的mN.2返回2.非关键组分分配iiihmhiiwdfiwdNwd+组分物料衡算：）—（）（）（123WiDiiiwdf