化工分离过程第7讲32多组分精馏过程分析.ppt
化工分离过程 Chemical Separation Processes,第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算,2,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,多组分精馏：组分数 c2求解的变量数目较多变量分析塔内分布复杂过程分析计算 简捷法：芬斯克恩德伍德吉利兰法（FUG）萃取精馏简化法 共沸精馏图解法 吸收因子法 逆流萃取集团法 逐板法：严格计算法（第四章内容）,4,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3.1 设计变量3.2 多组分精馏过程（普通精馏）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3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏）3.4 吸收和蒸出（解吸）过程3.5 萃取过程,5,3.2.1 多组分精馏过程分析,简单蒸馏以及二组分精馏的原理图关键组分(Key Components)清晰分割多组分精馏过程的复杂性 二组分精馏实例：苯甲苯 三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯 四组分精馏实例：苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别,6,3.2.1 多组分精馏过程分析,简单蒸馏只能把双液组分系统中的A和B粗略分开。,1 在A和B的T-x图上，纯A的沸点高于纯B的沸点。,3 一次简单蒸馏，馏出物中B含量会显著增加，剩余液体中A组分会增多。,2 则蒸馏时汽相中B组分的含量较高，液相中A组分的含量较高。,7,3.2.1 多组分精馏过程分析,简单蒸馏的T-x-y图,1 混合物起始组成为x1,2 加热到温度为T1,3 对应汽相组成为y1,4 温度升高到T2,5 对应液相组成为x2汽相组成为y2,一次简单蒸馏,接收在T1到T2间的馏出物，,馏出物组成从y1 到y2，剩余物组成为x2。,8,3.2.1 多组分精馏过程分析,精馏是多次简单蒸馏的组合。,精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。,精馏结果，塔顶冷凝收集的是低沸点组分，高沸点组分则留在塔底。,9,3.2.1 多组分精馏过程分析,二组分精馏原理图,1 从塔的中间O点进料；,2 组分B的液、汽相组成分别为 x3 和 y3；,5 越往塔底温度越高，含高沸点物质递增。,4 越往塔顶温度越低，含低沸点物质递增；,3 每层塔板都经历部分 汽化和部分冷凝过程；,10,3.2.1 多组分精馏过程分析,关键组分(Key Components),精馏装置的设计变量:可调设计变量=串级数(2)+分配器(1)+侧线采出(0)+传热单元(2)=5(无论有多少个组分),已指定可调设计变量: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,剩余的两个可调设计变量：一般用来指定某个组分在馏出液中的浓度和另外一个组分在釜液中的浓度。,11,3.2.1 多组分精馏过程分析,对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是2，所以只能指定两个组分的浓度，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）,设ih为非关键组分i对HK的相对挥发度。,12,3.2.1 多组分精馏过程分析,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,挥发性降低,13,3.2.1 多组分精馏过程分析,关键组分的特点,LK和HK形成分离界限，且lh越小，分离越难。1精馏塔的任务：使LK尽量多地进入馏出液，要严格控制其在釜液中的量；使HK尽量多地进入釜液，要严格控制其在馏出液中的量。只有无LNK，且lh较大，塔顶可采出近于纯LK；只有无HNK，且lh较大，塔釜可采出近于纯HK。,14,3.2.1 多组分精馏过程分析,注意：同一组分规 定了一端回收率，另一端的量已确定。不能重复！,指定回收率,指定控制量,关键组分的指定方法,15,3.2.1 多组分精馏过程分析,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,关键组分的指定原则,16,3.2.1 多组分精馏过程分析,清晰分割馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分；釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。,那么，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。,例：A、B、C、D 挥发性逐渐减小，精馏工艺要求按AB与CD分开。则：B为LK；C为HK；A为LNK；D为HNK。,B和C在塔顶和塔釜均出现，为分配组分；A和D仅在塔顶或塔釜出现，为非分配组分。,17,3.2.1 多组分精馏过程分析,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。,18,3.2.1 多组分精馏过程分析,图3-4 二组分精馏：苯甲苯流率、温度、浓度分布,除进料板处液体流率有突变之外，各段的摩尔流率基本为常数，可视为恒摩尔流。液体组成的变化在塔顶部较缓慢，随后较快，接近于进料板处又较缓慢。进料板下，情况相似。由于泡点和组成密切相关，温度分布图与浓度分布图形状相似。,19,3.2.1 多组分精馏过程分析,分子汽化潜热不相近，V、L有变化，但V/L接近于常数。由于非关键组分的存在，在进料板和塔底温度变化较快，全塔的温度跨度加宽。,三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯,20,3.2.1 多组分精馏过程分析,苯为LK，从塔底到塔顶，LK浓度逐渐升高，在塔顶浓度接近于1。异丙苯为HNK，由于其相对挥发度较其他组分小得多，在进料板以上会迅速消失，最后全部进入塔釜。甲苯为HK，其浓度分布曲线十分复杂，这需要通过分析在每一塔段要分离的是哪两个组分来解释HK浓度变化的行为。,图3-7 苯(LK)甲苯(HK)异丙苯液相浓度分布,21,3.2.1 多组分精馏过程分析,甲苯为LK，二甲苯为HK，两者的浓度分布曲线变化规律相同，方向相反。在塔底处，主要分离HK和HNK，所以此处HK浓度向上增大；同理，在塔顶处，主要分离LK和LNK，所以此处LK浓度向上减小。苯为LNK，在进料板以下浓度快速减小，最终全部进入塔顶；异丙苯为HNK，在进料板以上浓度快速减小，最终全部进入塔釜。,图3-9 苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯液相浓度分布,22,3.2.1 多组分精馏过程分析,2、非关键组分,精馏段：HNK迅速消失；（图3-7、3-9）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，在馏出液中达到最高。（图3-8、3-9）,提馏段：LNK迅速消失；（图3-8、3-9）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。（图3-7、3-9）,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。,多组分精馏浓度分布的特点：,23,3.2.1 多组分精馏过程分析,2、关键组分,若无HNK：LK分别在二段出现两个最高点，HK表现像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，然后降到所规定的浓度。（图3-9）,若无LNK：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现像LNK。（图3-7）,24,3.2.1 多组分精馏过程分析,（2）非关键组分通常是非分配的，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，但进料板浓度不 等于进料浓度。,（1）多组分精馏中，关键组分的浓度分布有极大值。,多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：,25,3.2.2 最小回流比,恒浓区精馏塔中浓度几乎不变的区域,二组分精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区域或称夹点区。,26,3.2.2 最小回流比,多组分精馏的特点,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，最小回流比下，存在上、下恒浓区；所有进料组分受非分配组分的影响，恒浓区位置不一定在进料板处。,27,3.2.2 最小回流比,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，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。,28,3.2.2 最小回流比,图3-10a,图3-11 最小回流比下，沿塔高的汽相浓度分布图,29,3.2.2 最小回流比,（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：,30,3.2.2 最小回流比,（4）轻、重组分均为分配组分：,最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。如何计算最小回流比？,31,3.2.2 最小回流比,计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式：,Underwood（恩德伍德）公式：,（3-3a）,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。,（3-3b）,32,3.2.2 最小回流比,Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：,（3-3a）,（3-3b）,i 组分i 的相对挥发度；(xiD)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 进料热状态参数（进料液相分率）；方程的根，对于c组分系统有c个根，取LKHK的根。,以全回流下的xiD代替,33,3.2.2 最小回流比,最小回流比Rm的解法：,1.在 lr,hr中设 值 试差确定 值；2.将值代入（3-3a）式 Rm。,（3-3b）,参见例3-1,注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在lr,hr之间试差出几个值，解出几个Rm，然后取平均值。,34,阅读课本 巩固知识,
