多组分精馏

湖南大学教案化学工程与工艺夏新年13.2多组分精馏基本要求：掌握多组分精馏与双组分精馏的异同，多组分精馏的简捷算法；了解多组分复杂精馏和多组分精馏的精确算法及AspenPlus软件。重点：多组分精馏简捷算法。难点：多组分精馏精确计算。3.2.1多组分精馏过程分析精馏是化工生产中广泛应用的单元操作之一。它利用液体混合物中各组分挥发度的差异使其得到分离。在《化工原理》课程中对双组分液态混合物的精馏进行了讨论，但是在实际出产中所遇到的待进行精馏分离的液态混合物往往为多组分。【实例】聚苯乙烯原料――苯乙烯的精制聚合反应一般要求单体的纯度很高，这里要求苯乙烯含量大于98％。苯乙烯的制备过程：先由乙烯与苯反应生成乙苯，再由乙苯脱氢得到苯乙烯：CH2=CH2+CH2－CH3(乙苯)－H2CH2－CH3CH＝CH2（苯乙烯）在粗产品中，除主要含有苯乙烯外，还有苯、甲苯、乙苯和焦油等组分，不能满足聚合反应对单体的纯度要求，所以要对多组分的粗苯乙烯进行精馏分离。因此，研究多组分精馏更具有实际意义。多组分精馏就是本节要讨论的内容，是本课程的重点之一。双组分精馏我们已经比较熟悉，为了研究多组分的精馏，我们先比较一下多组分精馏与双组分精馏的异同，以便我们对多组分精馏有个基本的认识。一.多组分精馏与双组分精馏的异同（一）相同点（两者的共性）两者均为精馏，因此有许多共同点。1.分离依据相同——各组分挥发度的差异（沸点的差异、饱和蒸汽压的差异）只有混合物中各组分的挥发度（沸点）不同才能通过精馏来分离。易挥发（沸点低）的组分在塔顶馏出液中含量较高，难挥发（沸点高）的组分在塔釜液中含量较高。2.分离原理相同——多次部分汽化、多次部分冷凝传质分离过程3.2多组分精馏化学工程与工艺夏新年2使汽相中轻组分浓度不断提高、重组分浓度不断降低，液相中重组分浓度不断提高、轻组分浓度不断降低，从而使轻重组分分离。2.设备的基本组成相同——由塔体、再沸器、冷凝器等三个基本部件组成。4.计算的理论依据相同——三大平衡（物料衡算、相平衡和热量平衡）（二）不同点（多组分精馏的特性）多组分精馏由于组分增多，因而具有一些与双组分精馏的不同之处。1.塔的数目（n）多一个塔通常只有塔顶馏出物和塔釜残留液两种产物，即一个塔只能分离两个组分。要分离c个组分，则需要的塔数n=c-1。2.流程方案数（z）多双组分精馏在塔顶得到轻组分，在塔釜得到重组分，只有一个流程方案。即组分数c=2时，塔数n＝1,流程方案数z=1那么，c=3时，n=2,z=?(2)ABA、B、CC（II）间接顺序(按挥发度递增依次从塔顶出产品)CA、B、CAB（I）直接顺序(按挥发度递减依次从塔顶出产品)B、CA、B∴z=2又当c＝4，n=3,z=?(5)（II）间接顺序DDAA、B、C、DCC、DAB（I）直接顺序B、C、DBA、B、C、DA、BA、B、CCA、B、C、DA、BC、DABCDAA、B、C、DB、C、DB、CBCA、B、CB、CBCA、B、C、DDA（IV）（V）∴z=5……湖南大学教案化学工程与工艺夏新年3可以证明：[2(1)]!!(1)!czcc可见，可供选择的流程方案数随组分的增加而迅速增加，即有c↑,z↑↑。如何选择流程方案是多组分精馏不同于双组分精馏的一项重要内容。3.计算繁杂通过设计变量分析可知，普通精馏塔的可调设计变量数5aN。因此，除规定全凝器为饱和液体回流、回流比和适宜进料板位置外，另外两个可调设计变量一般规定馏出液中某一组分的浓度和釜液中另一组分的浓度。双组分精馏中，当馏出液或釜液中一个组分的浓度规定之后，另一组分的浓度随之确定。而在多组分精馏中，虽然实际上也就决定了其他组分的浓度，但需要繁琐的计算才能求出。组分越多，独立变量越多，计算越复杂繁琐。4.不能用图解梯级法求理论板数N在双组分汽液平衡体系中，xA+xB=1,yA+yB=1,xA一定时，xB便确定，yA一定时，yB便确定，因此可在平面坐标系上由平衡线和操作线关系用图解梯级法求N，非常直观。1234501.0xAyA01.0双组分精馏用图解梯级法求理论板数N但是在多组分，如三组分汽液平衡体系中，xA+xB＋xC=1,yA+yB+yC=1,xA一定时，xB、xC还不能确定，yA一定时，yB、yC还不能确定，因此不能在平面坐标系上用图解梯级法求N。传质分离过程3.2多组分精馏化学工程与工艺夏新年4二.多组分精馏流程方案的选取前面指出，c↑,z↑↑，如何选择流程方案是多组分精馏不同于双组分精馏的一项重要内容。那么，什么流程方案最佳呢？这是一个优化问题，在工程中十分重要。一个好的流程方案，应该符合两条原则：·经济合理，初投资和操作费用低·技术先进，满足工艺要求下面对所涉及到的有关问题予以讨论。（一）从能耗及设备费用考虑（经济问题）就两种极端流程，即直接顺序和间接顺序流程进行对比。1.能耗精馏过程中，外加能量包括：塔釜热量Qw、塔顶冷量QD。直接顺序：每个塔的塔釜，只有一种高挥发度（低沸点）的液相组分需要汽化；每个塔的塔顶，只有一种高挥发度的汽相组分需要冷凝。间接顺序：每个塔的塔釜除了一种低挥发度的液相组分外，其余组分都需要汽化；每个塔的塔顶，所有汽相组分都要冷凝。可见，直接顺序在塔釜需要的外加热量和塔顶需要的外加冷量都比间接顺序的要少。2.设备进行精馏操作的主要设备有塔、再沸器和冷凝器。从上面的讨论已知，直接顺序与间接顺序相比，在塔釜要汽化的组分和在塔顶要冷凝的组分都要少，因此：①直接顺序塔内气体量少，故塔径要小；②直接顺序塔釜再沸器和冷凝器传热面积要小。综合上述从能量和设备两方面考虑，直接顺序比间接顺序优。（二）从工艺要求考虑仅仅从经济方面考虑是不全面的，因为有时按直接顺序达不到工艺要求，得不到所要的产品，因此还需要从工艺方面予以考虑。工艺方面的考虑往往是复杂的，需针对具体的分离体系进行具体分析。下面着重就分离体系的物性进行一般的分析。1.热敏性组分先分离出来2.有毒有腐蚀性的组分先分离出来3.相对挥发度（α）小,即最难分离的组分，放在最后分离。湖南大学教案化学工程与工艺夏新年5这是因为要分离难分离的组分需要塔的理论板数（N）多，如图回流比R↑，会使N↓。所以，先让挥发度大的组分分离后，最后留下挥发度小的组分，增大R，从而减少N。XDR+1回流比R↑，精馏段操作线斜率↑，N↓4.收率要求高的组分放在后面因为回收率高则要求N大，如果在分离该组分时有其它组分存在，则塔径要大。所以，高回收率的塔放在后面。因此，在一系列的精馏塔中，前面的为矮胖型，后面为高瘦型。5.产品质量要求高的组分从塔顶采出因为塔顶为汽相，杂质少；塔釜为液相，杂质较多。6.侧线采出可节省设备对纯度要求高的组分在塔顶采出的同时，对于纯度要求不是很高的组分，可以采用侧线采出，减少设备。以上概述了讨论了多组分精馏的特点及其分离先后顺序的选取原则。下面将学习多组分精馏的计算。传质分离过程3.2多组分精馏化学工程与工艺夏新年63.2.2多组分精馏简捷算法（两式一图法，即FUG法）实质：多个单级分离的串联（多次部分汽化、部分冷凝，即多次汽液平衡）计算内容：设计型——已知进料流率、组成、分离要求，求塔板数、塔径、回流比、进料板位置、传热面积等。额定型——对已经设计好的塔定出Tj、Vj、Lj，以便控制。计算方法：简捷法（FUG法，手算）——Fenske公式求N,Underwood公式求R，Gilliland图求N及进料板位置。严格法（电算，教材第5章）一.关键组分的概念1.定义轻关键组分L:釜液中最轻的组分。在塔釜严格控制其含量（下图中B组分）重关键组分H:馏出液中最重的组分。在塔顶严格控制其含量（图中C组分）组分：ABCD挥发度大小塔顶产ABC塔釜产品BCDA轻组分B轻关（L）C重关(H)D重组分A、B、（C）（B）、C、DA、B、C、D在塔顶严格控制C组分的含量（C为H）在塔釜严格控制B组分的含量（B为L）湖南大学教案化学工程与工艺夏新年72.意义：把多组分精馏当作L,H两个关键组分的二元精馏来处理。通常工艺要求L在塔顶和H在塔釜的的回收率（即已知），回收率定义为：DLFLWHFHDxLFxWxHFx顶釜在塔顶的回收率在塔釜的回收率3.关键组分的选取待分离的各组分按挥发度从大到小排序。一般情况下，选择挥发度或相对挥发度相邻的两组分。但当其中某组分含量很少（这时计算出来的浓度很小，不便处理）时，也可在L与H之间出现中间组分。二.清晰分割的物料衡算（一）清晰分割的含义比轻关键组分L还轻的组分（通常称为轻组分）在塔釜不出现；比重关键组分H还重的组分（通常称为重组分）在塔顶不出现。（二）清晰分割物衡的目的求出塔顶、塔釜物料预分布（,DiWixx）。例：解：根据工艺要求，可知B为塔釜严格可知的组分，T为塔顶严格控制的组分，所以B为L，T为H。求:Dix根据清晰分割，比T还重的组分在塔顶不出现，所以0DMx，110.00500.995DBDTDMxxx求:Wix总物衡FDW①B组分物衡fBDBWBFxDxWx②T组分物衡fTDTWTFxDxWx③由上述三式可解出：60.1,39.90.744,0.251WTWMDWxx进料组分苯（B）甲苯（T）二甲苯（M）进料组成fix0.60.30.1工艺要求0.005,0.005WBDTxx求,DiWixx比L还轻的组分，在塔顶的回收率一定大于L的回收率比H还重的组分，在塔釜的回收率一定大于H的回收率传质分离过程3.2多组分精馏化学工程与工艺夏新年8D,xDiW,xWiF,xfi三、芬斯克（Fenske）公式求最小理论塔板数Nm（一）操作线方程（回顾——由物料衡算求）1、精馏段操作线方程如图，以红框为物衡范围。总物衡：VLDi组分物衡：1,niniDiVyLxDx联立解得精馏段操作线方程：1,niniDiLDyxxLDLDD,XDin+1nn-1Vyn+1,iVyn,iVyn-1,iLxn+1,iLxn,iLxn-1,i令()LRD回流比，代入上式得用回流比表示的精馏段操作线方程：1,111niniDiRyxxRR(A)2、提馏段操作线方程W,XWim-1mm+1V'ym-1,iV'ym,iV'ym+1,iL'xm-1,iL'xm,iL'xm+1,i同理，就上述红框范围物衡得到提馏段操作线方程：湖南大学教案化学工程与工艺夏新年9',1,'',1,BmimiWimimiWiLWyxxLWLWLqFWyxxLqFWLqFW（）注意：其中'LLqF，q为进料状态参数——进料液相分率FHhKmolqKmolHh每进料变成饱和蒸汽所需热量＝每原料的潜热进料状态过冷液体饱和液体（泡点）汽液混合物饱和蒸汽（露点）过热蒸汽q11=1~000*操作线关系表示的是：下一板的汽相组成与上一板的液相组成之间的关系。（二）Nm的概念及假设1、Nm的概念“理论板”——离开该板的蒸汽与液体呈平衡关系。“理论板数N”——达到分离要求所需理论板的数目。“最小理论板数Nm”——R（全回流）时的理论板数2、求Nm的假设（1）恒mol流：即精馏段各板V相同，L相同；提馏段各板V’相同，L’相同。（2）R（全回流），不进料，不出料（F＝W＝D＝0）（3）相对挥发度随T的变化很小，可以忽略。（三）求Nm的公式（Fenske公式）Fenske公式推导：在上述假设条件下，精馏段操作线方程1,111niniDiRyxxRR和提馏段操作线方程,1,mimiWiLqFWyxxLqFWLqFW均变为：1,niniyx①又，取两个组分分别为i和r,有iiirrryxyx，可变为：iiirrryxyx②（上板的液相与下板的汽相之间的关系——操作关系）（同板上汽液相之间的关系——平衡关系）传质分离过程3.2多组分精馏化学工程与工艺夏新年10从塔釜向塔顶交替利用平衡关系和操作关系进行计算：11213