第三章 2 多组分多级分离过程分析与简捷计算

化工分离过程化工分离过程教师：孙章教师：孙章化学工程学院化学工程学院目录目录第一章绪论第二章单级平衡过程第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第四章多组分多级分离的严格计算第五章分离设备的处理能力和效率第六章分离过程的节能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二节第二节多组分精馏过程多组分精馏过程在两组分精馏过程中，若使进料达到一分离要求，存在着Rmin和Nmin两个极限条件:∞→→→∞→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）第二节第二节多组分精馏过程多组分精馏过程3.1.1多组分精馏过程分析3.1.2昀小回流比3.1.3昀少理论塔板数和组分分配3.1.4实际回流比和理论板数3.1.1多组分精馏过程分析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。一、关键组分FNa=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线采出(0)＋传热单元(2)=5一般精馏：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。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。其中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）相对挥发度大于轻关键组分相对挥发度的组分称为轻非关键组分（LNK）或轻组分相对挥发度小于重关键组分相对挥发度的组分称为重非关键组分（HNK）或重组分介于二者之间的称为中间组分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。清晰分割：¾馏出液中除了重关键组分之外，没有其它重组分¾釜液中除了轻关键组分之外，没有其它轻组分能达到清晰分割的两种情况两关键组分的相对挥发度相邻;非关键组分的α与关键组分的α相差较大若轻、重关键组分是昀易挥发的两个组分时：D：纯的轻关键组分；若轻、重关键组分是昀难挥发的两个组分时：W：纯的重关键组分。关键组分的指定方法¾指定回收率：φDl；φWh¾指定控制量：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！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¾工艺要求按AB与CD分开：则：B为LK；C为HK¾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。逐板法（从顶到底）物料衡算汽、液平衡关系热量衡算对于多组分精馏，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。1.沿塔高方向汽、液流率的分布对于多组分的精馏如下：二组分精馏流率三组分精馏流量分布苯—甲苯—异丙苯物系在恒摩尔流假设中，假定各组分ΔH汽化相等。实际上：α高的物质向上，分子量小，ΔH汽化小，蒸汽上升冷凝时，L’大;α低的物质向下，分子量大，ΔH汽化大，液体下降蒸发时，V’小；Ln-1Vn-1Lnv′l′Vnn故沿塔高增加，L和V均减少显然：平衡级间的流量分布（L，V）取决于热量衡算。2.沿塔高方向浓度的分布（塔板由塔釜开始向上数）塔顶变化缓慢之后变化快，接近进料板变化缓慢，到塔底时变化缓慢。二组分精馏浓度分布苯①—甲苯②—异丙苯③苯：轻关键组分（LK）甲苯：重关键组分（HK）异丙苯：重非关键组分（HNK）沿塔高增加苯：增多甲苯：有两个昀大值异丙苯：减少，有一缓慢段三组分精馏浓度分布※甲苯：1—3（再沸器+2板）作用：分离异丙苯和甲苯甲苯是易挥发份，故增大；3—10进料作用：分离甲苯和苯进料—精馏段初：分离异丙苯和甲苯甲苯为易挥发份故增大；精馏段顶部：分离苯和甲苯甲苯为难挥发份，故降低；甲苯为难挥发份，故降低提馏段：进料中有异丙苯，且必须从塔釜排出，再沸器+2板：异丙苯降低※异丙苯：故有恒浓区。精馏段下部2板：异丙苯降低，直到为零苯①—甲苯②—异丙苯③苯：轻非关键组分（LNK）甲苯：轻关键组分（LK）异丙苯：重关键组分（HNK）D：苯（少），甲苯（多）W：异丙苯（多）,甲苯（少）沿塔高增加苯：开始为0，后增大，有恒浓区甲苯：有两个昀大值异丙苯：降低→恒浓→降低苯：轻非关键组分甲苯：轻关键组分二甲苯：重关键组分异丙苯：重非关键组分四组分精馏液相组成分布苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯沿塔高增加苯：增大，有恒浓区甲苯：增大二甲苯：降低异丙苯：降低，有恒浓区多元精馏浓度分布的特点：①关键组分的浓度分布有极大值；②重组分仅出现在釜液中，轻组分仅出现在馏出液中；③重组分在进料板下几乎恒浓，轻组分在进料上几乎恒浓；④进料板上包括了所有组分，但不等于进料浓度。3.沿塔高方向温度的分布二组分精馏温度分布温度分布图的形状很接近于液体组成分布图的形状，因为泡点和组成是密切相关的塔顶、进料、塔底变化大，主要是非关键组分的浓度在三处变化迅速，其泡点自然也受影响。显然：温度分布主要反映物流的组成。三组分精馏温度分布在精馏塔中，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。通过分析得出的重要结论：3.2.23.2.2最小回流比最小回流比((RRmm))塔中出现恒浓区时，∞→→NRRmeeeDmxyyxR−−=恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域eDxWxxy恒浓区二元精馏：昀小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。恒浓区多组分精馏多组分精馏::昀小回流比下，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。分配组分与非分配组分定义：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多组分精馏中的恒浓区多组分精馏中的恒浓区（1）轻、重组分均为非分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区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塔段的中部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。（（22）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区（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（（44）轻、重组分均为分配组分：）轻、重组分均为分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区昀小回流比条件下会出现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板。如何计算昀小回流比？最小回流比的求法由于实际中不能构成一个无穷多塔板的精馏塔，故无法严格估计昀小回流比，尽管很多研究者提出了预测昀小回流比的各种近似估算法，但都或多或少做了某些假设，而且应用起来过于繁琐，而恩德伍德法是相对是简便可行的。UnderwoodUnderwood（（恩德伍德）法计算昀小回流比恩德伍德）法计算昀小回流比假设：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：∑−=−qxiiFi1θαα∑−−=1)(θααimiDimxR（3-3a）UnderwoodUnderwood（（恩德伍德）公式中参数的含义：恩德伍德）公式中参数的含义：∑−=−qxiiFi1θαα∑−−=1)(θααimiDimxR（3-3a）αi—组分i的相对挥发度；(xiD)m—昀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—进料热状态参数（进料液相分率）；θ—方程的根。以全回流下的xiD代替取αLKθαHK的根（3-3b）mbrhrlmRaR→⎯→⎯式代入将试差确定中设在解法：式θθθαα.2],[.1，昀后取平均值。几个，解出之间试差出几个挥发度不相邻，可在、注意：若mrhrlRHKLKθaa,例3—1计算昀小回流比已知：解：由（3—3b）试差将代入（3—3a）得306.1=mR325.1=θ0.1,,,,=qxxDiFi325.1=θ3.2.33.2.3最少理论板数最少理论板数((NNmm))和组分分配和组分分配1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。全回流对应昀少理论板数，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，必须知道昀少板数。计算昀少理论板数的计算昀少理论板数的FenskeFenske（（芬斯克）方程：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）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2块板作物料衡算：ADAADxxLyV+=1122全回流下，D=0DBABABAxxxxyy⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛111α（3-4）因此：因此：12AAxy=同理：12BBxy=两式相除，可得：12⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛BABAxxyy代入（3-4）式：DBABABAxxxxyy⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛111α可得：2111⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛BABADBAyyxxxxαα再由相平衡关系可得：再由相平衡关系可得：222⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛BABAxxyyα由物料衡算：23⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛BABAxxyy可得：321221⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛BABADBAyyxxxxαααα依此类推到塔釜：WBANNDBAxxxx⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⋅⋅=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−αααα121（3-7）定义定义ααABAB为相对挥发度的几何平均值：为相对挥发度的几何平均值：代入（3-7）式，可解出昀少理论板数Nm：NNNAB1121)(ααααα−⋅⋅⋅=ABWBADBAmxxxxNαlg/lg⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=（3-8）Fenske方程几点说明几点说明：：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）αAB的近似处理：i）两点平均：WABDABAB,,ααα=ii）三点平均：3,,,FABWABDABABαααα=iii）单点值1、推导中未作任何假设，因而是严格的。33、方程的变形形式、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，即组分i在馏出液的摩尔数与釜液中的摩尔数之比。（3-11）ABBAmwdwdNαlg/lg⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛=44、、FenskeFenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。分精馏。5、昀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。（1）进料板位置：把进料当作塔顶（或塔）。（2）各段理论板：（3）组分分配：将Fenske方程变形可得各组分流量分配。()mNirrriiwdwdα⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=分离要求的给出形式：分离要求的给出形式：（1）规定关键组分在塔顶和塔釜的百分含量。代入以含量表示的Fenske方程：（2）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。代入以回收率表示的Fenske方程：（3-11）ABBAmwdwdNαlg/lg⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛=()()HKLKWHKDLKWHK