1、多組分連續(xù)精餾,1 流程方案的選擇 2 多組分的汽液相平衡 3 關(guān)鍵組分和物料衡算 4 多組分精餾的簡捷計算 5 多組分精餾的嚴(yán)格計算簡介,主要內(nèi)容及要求：,1 流程方案的選擇,若將n個組分的混合物分離成n個單組分，需要（n-1）個塔，因為一個塔原則上只能分離出一個高純度的組分，而最后一個塔才能得到兩個高純度的產(chǎn)品。因此，流程方案有多種。 若對A、B、C三個組分的混合液體進(jìn)行分離，有以下兩種方案：,多組分精餾流程方案的選擇原則：,總的原則：經(jīng)濟(jì)合理、能耗最小。同時要兼顧所分離混合物各組分的性質(zhì)以及對產(chǎn)品的要求！,（1）一般情況下，按組分揮發(fā)度排序，把組分逐一從塔頂分出的順 序排列流程，也即沸點

2、低的組分優(yōu)先從塔頂分出。 （2）當(dāng)進(jìn)料中各組分的濃度差別較大時，按濃度遞減的順序排列流 程，即濃度高的組分優(yōu)先從塔頂分出。 （3）熱敏性的低沸點組分可以考慮優(yōu)先從塔頂分出。 （4）沸點高的、易聚合的組分可以考慮優(yōu)先從塔底分出。 （5）產(chǎn)品純度要求高的組分留在最后進(jìn)行分離。 （6）此外，還要考慮熱量的集成方案，以達(dá)到分離能耗較小的目的。,1 流程方案的選擇,2 多組分的汽液相平衡,例 求含正丁烷(1) 0.15、正戊烷(2) 0.4、和正己烷(3) 0.45(均為摩爾分?jǐn)?shù))之烴類混合物在0.2 MPa（絕）壓力下的泡點溫度。,解：因各組分都是烷烴，且壓力較低，所以氣、液相均可看成理想溶液，Ki只

3、取決于溫度和壓力，可使用烴類的p-T-K圖。,假設(shè)t=50，P=0 2 MPa，查圖求Ki，進(jìn)而計算Ki xi,組分 xi Ki yi= Ki xi 正丁烷 0.15 2.5 0.375 正戊烷 0.40 0.76 0.304 正己烷 0.45 0.28 0.126,Kixi=0.8051, 說明所設(shè)定的溫度偏低，重設(shè)定T=58.7,組分 xi Ki yi= Ki xi 正丁烷 0.15 3.0 0.450 正戊烷 0.40 0.96 0.384 正己烷 0.45 0.37 0.167,Kixi=1.0011, 故泡點溫度為58.7。,2 多組分的汽液相平衡,2.4 混合氣體的露點計算 處于相

4、平衡的汽、液兩相，若已規(guī)定了汽相組成與系統(tǒng)壓力，則氣體的露點溫度以及相應(yīng)的液相組成就唯一的隨之確定。露點溫度的計算也通常按歸一法條件，用試差法求解。 計算過程：先假定露點溫度，查處或計算出各組分的Ki值，再計算出液相組成，判斷是否滿足歸一法條件。,2 多組分的汽液相平衡,例一烴類混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及異丁烷55%，試求混合物在25時的泡點壓力和露點壓力。,解：因各組分都是烷烴，且壓力較低，所以氣、液相均可看成理想溶液，Ki只取決于溫度和壓力，可使用烴類的p-T-K圖。,假設(shè)P=2.0MPa，t=25 ，查圖求Ki，進(jìn)而計算Ki xi,Kixi=0.9191,說明所

5、設(shè)定的壓力偏高，重設(shè)定P=1.18MPa,Kixi=1.0051 ,故泡點壓力為P=1.18MPa,2 多組分的汽液相平衡,假設(shè)P=0.6MPa，t=25 ，查圖求Ki，進(jìn)而計算Ki xi,yi/Ki=1.06881,說明所設(shè)定的壓力偏高，重設(shè)定P=0.56MPa,yi/Ki=1.0061,故露點壓力為0.56MPa,3 多組分精餾過程分析,3.1 關(guān)鍵組分（Key Components）,Na=串級數(shù)(2)分配器(1) 側(cè)線采出(0)傳熱單元(2) = 5 (可調(diào)設(shè)計變量）,已被指定的可調(diào)變量： （1）進(jìn)料位置；（2）回流比；（3）全凝器飽和液體回流或冷凝器的傳熱面積或餾出液溫度。,剩余的2

6、個可調(diào)設(shè)計變量往往用來指定組分在餾出液和釜液中的濃度。,對于兩組分精餾，指定餾出液中一個組分的濃度，就確定了餾出液的全部組成；指定釜液中一個組分的濃度，也就確定了釜液的全部組成。,對于多組分精餾，待定設(shè)計變量數(shù)仍是2，所以只能指定兩個組分的濃度，其他組分的濃度則相應(yīng)確定。,通常，把由設(shè)計者指定分離要求的這2個組分稱為 關(guān)鍵組分。,對于精餾中的非關(guān)鍵組分： 設(shè) 為非關(guān)鍵組分i對HK的相對揮發(fā)度。,多組分精餾物系組成：,輕非關(guān)鍵組分（LNK），輕組分 輕關(guān)鍵組分（LK） 中間組分 重關(guān)鍵組分（HK） 重非關(guān)鍵組分（HNK），重組分,關(guān)鍵組分的特點 LK和HK形成分離界線，且 越小，分離越難。 精餾

7、中： (為回收率) LK絕大多數(shù)在塔頂出現(xiàn)，在釜中量嚴(yán)格控制； HK絕大多數(shù)在塔釜出現(xiàn)，在頂中量嚴(yán)格控制。 只有無LNK，且 較大，塔頂可采出純LK 只有無HNK，且 較大，塔釜可采出純HK。,關(guān)鍵組分的指定原則： 由工藝要求決定,工藝要求按AB與CD分開：,則：B為LK；C為HK,工藝要求先分出A：,則：A為LK；B為HK,需要說明的是：關(guān)鍵組分的選取隨不同的分離方案而不同。以揮發(fā)度遞減的A、B、C、D四個組分的分離為例。,方案1中的輕關(guān)鍵組分為C、重關(guān)鍵組分為D 方案2中的輕關(guān)鍵組分為B、重關(guān)鍵組分為C 方案3中的輕關(guān)鍵組分為A、重關(guān)鍵組分為B,當(dāng)選取的關(guān)鍵組分按揮發(fā)度排序是兩個相鄰的組分

8、時，而且兩個關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度較大，同時分離要求也較高時，也即塔頂餾出液中重關(guān)鍵組分的含量極低，而塔釜液中輕關(guān)鍵組分的含量也極低，那么可以認(rèn)為輕組分全部從塔頂蒸出、重組分全部留在塔底。這樣的物料分割方法稱為清晰分割法。,3.2 清晰分割法,如圖所示，A為輕組分、B為輕關(guān)鍵組分、C為重關(guān)鍵組分、D為重組分。按清晰分割法，塔頂不含D、塔底不含A。,什么下可以達(dá)到清晰分割？ 兩個關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度相鄰且分離要求嚴(yán)格，或非關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度與關(guān)鍵組分相差較大時，可以達(dá)到清晰分割。,3.2.1分配與非分配組分,塔頂、塔釜同時出現(xiàn)的組分為分配組分 只在塔頂或塔釜出現(xiàn)的組分為非分配組分 關(guān)鍵組分必定是

9、分配組分 非關(guān)鍵組分不一定是非分配組分 3.2.2 清晰與不清晰分割 清晰分割：輕組分在塔頂產(chǎn)品的收率為1。重組分在塔釜產(chǎn)品的收率為1 輕組分全部從塔頂餾出液中采出，重組分全部從塔釜排出 非關(guān)鍵組分為非分配組分 非清晰分割：非關(guān)鍵組分為分配組分,3.3 物料衡算,在進(jìn)行全塔物料衡算前，先確定關(guān)鍵組分，然后按清晰分割法進(jìn)行物料衡算。 n個組分精餾的全塔物料衡算式有（n-1）個，即：,定義：,例 某分離烴類的精餾塔，進(jìn)料量為100 molh，70(泡點)進(jìn)料，操作壓力為405.3 kPa。進(jìn)料組成正丁烷 xFA=0.4（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）；正戊烷 xFB=0.25；正己烷 xFC=0.20；正庚烷

10、xFD=0.15。分離要求：正戊烷在餾出液中的回收率為90，正己烷在釜液中的回收率為90。 計算：餾出液和釜液的流率及組成。,解 設(shè)正戊烷為輕關(guān)鍵組分；正己烷為重關(guān)鍵組分。,對組分B：FxFB= DxDB+ WxWB=0.25100=25.0,總物料衡算：F=D+W,對組分C：FxFC= DxDC+ WxWC=0.20100=20.0,組分B的回收率： DxDB / FxFB =0.9025.0=22.5,組分C的回收率： WxWC / FxFC =0.9020.0=18.0,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,根據(jù)清晰分割法，組分A全部在塔頂，組分D全部在塔底，因此有：,（6）,（7）,

11、多組分精餾與二組分精餾在含量分布上的區(qū)別：,（1）關(guān)鍵組分含量存在極大值；,（2）非關(guān)鍵組分通常是非分配的， 即重組分通常僅出現(xiàn)在釜液中， 輕組分僅出現(xiàn)在餾出液中；,（3）重、輕非關(guān)鍵組分分別在進(jìn)料板下、上 形成幾乎恒濃的區(qū)域；,（4）全部組分均存在于進(jìn)料板上，但進(jìn)料板 含量不等于進(jìn)料含量。各組分的濃度分 布曲線在進(jìn)料板處不連續(xù)。,4.2 最小回流比,恒濃區(qū)（夾點）精餾塔中全部濃度不變的區(qū)域。,二元精餾：,恒濃區(qū)：一個，出現(xiàn)在進(jìn)料板,最小回流比時：,多元精餾特點： 各組分相互影響，存在上、下恒濃區(qū)； 所有進(jìn)料組分中有非分配組分的影響； 恒濃區(qū)位置不一定在進(jìn)料板處。,多組分精餾中的恒濃區(qū),（1）

12、輕、重組分均為非分配組分：,進(jìn)料板以上必須緊接著有若干塔板使重組分的濃度降到零，這一段不可能是恒濃區(qū)，恒濃區(qū)向上推移而出現(xiàn)在精餾段的中部。同理，輕組分恒濃區(qū)出現(xiàn)在提餾段中部。,4.3 最少理論板數(shù)和組分分配,1.最少理論板數(shù),1、開車時，先全回流，待操作穩(wěn)定后出料。,全回流對應(yīng)最少理論板數(shù)，但全回流下無產(chǎn)品采出，因此正常生產(chǎn)中不會采用全回流。 什么時候采用全回流呢？,2、在實驗室設(shè)備中，研究傳質(zhì)影響因素。,3、工程設(shè)計中，必須知道最少板數(shù)。,計算最少理論板數(shù)的Fenske（芬斯克）方程：,推導(dǎo)前提： 1、塔頂采用全凝器； （若采用分凝器，則分凝器為第1塊塔板）； 2、所有板都是理論板。,Fen

13、ske方程,幾點說明：,2、相對揮發(fā)度,（1）方程的精度取決于相對揮發(fā)度數(shù)據(jù)的可靠性。,（2）AB 的近似處理：,1）兩點平均：,2）三點平均：,3）單點值,1、推導(dǎo)中未作任何假設(shè)，因而是嚴(yán)格的。,3、方程的變形形式：,摩爾分率可用摩爾數(shù)，體積或重量比來代替，因為換算因子可以相互抵消，得到另一種常用的一般形式：,d/w 稱為分配比。,4、Fenske方程既可用于二組分精餾，也可用于多組分精餾。,5、最少理論板數(shù)只與分離要求有關(guān)，與進(jìn)料組 成無關(guān)。,6、Fenske方程可以用來計算進(jìn)料板位置、各段 理論板數(shù)和組分分配。,解：選組分2為LK，組分3為HK ，則組分1是輕組分 ，組分4、5、6是重組

14、分。根據(jù)清晰分割法進(jìn)行物料衡算，得,將D、W代入表中，完成物料衡算表（略）,4.4 實際回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料位置,一、實際回流比R 塔頂液相回流是保證精餾塔連續(xù)穩(wěn)定操作的 必要條件； 回流比是影響精餾塔設(shè)備投資和操作費用的 重要因素； 回流比是精餾過程設(shè)計計算的重要參數(shù)。,由經(jīng)驗取： R =（1.11.5）Rm,當(dāng) R ROP ，總費用 隨R的增大而急劇增加； 當(dāng)R ROP ，總費用隨 R的減少而急劇增加。,二、理論板數(shù),有了實際回流比和最少理論板數(shù)，求實際理論板數(shù)常用的經(jīng)驗方法有： Gilliland圖、Erbar-Maddox圖(耳波與馬多克斯法) 。,適用于相對揮發(fā)度變化不大的情況,適

15、用于非理想性較大的情況,用Gilliand圖簡便、但不準(zhǔn)確，回歸的經(jīng)驗式為：,已知X，由以上的方程解出y,Brown和Martin建議，適宜進(jìn)料位置的確定原則是：在操作回流比下，精餾段與提餾段理論板數(shù)之比，等于在全回流下用Fenske方程分別計算得到的精餾段與提餾段理論板數(shù)之比。,三、適宜進(jìn)料位置的確定,比Gilliand圖精確，誤差4.4%。,簡捷法計算適宜的進(jìn)料位置，除了用上述方法外，還可以采用Kirkbride（柯克布來德）提出的一個近似確定適宜進(jìn)料位置的經(jīng)驗式。,式中：NR精餾段的板數(shù) NS精餾段的板數(shù) N=NS+NR,總結(jié)：多組分精餾的簡捷計算方法,初步設(shè)計和經(jīng)驗估算； 適宜操作方式

16、的確定； 合理分離順序的確定； 嚴(yán)格計算中設(shè)計變量數(shù)值和迭代變量初值 的提供； 當(dāng)相平衡數(shù)據(jù)不足時，與嚴(yán)格計算方法的 準(zhǔn)確度相當(dāng)。,簡捷計算方法適應(yīng)的場合,簡捷計算法步驟： 1. 由工藝要求選LK，HK，由清晰分割法物料分配得出,例 某分離烴類的精餾塔，進(jìn)料量為100 molh，70(泡點)進(jìn)料，操作壓力為405.3 kPa。進(jìn)料組成正丁烷(A) xFA=0.4（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）；正戊烷(B) xFB=0.25；正己烷(C) xFC=0.20；正庚烷(D) xFD=0.15。分離要求：正戊烷(B)在餾出液中的回收率為90，正己烷(C)在釜液中的回收率為90。根據(jù)前例計算得到的結(jié)果，計算： 使用Underwood法確定最小回流比； 使用ErbarMaddox圖求R=1.5Rm的理論板數(shù)； 使用Kikbride法確定進(jìn)料位置。,解 使用Underwood法確定最小回流比 由前例計算得到的塔頂、塔底組成，在規(guī)定操作壓力條件下，利用泡、露點方程，試差得到塔頂和塔釜溫度分別為67和132，全塔平均溫度為99.5，查圖得該溫度和操作壓力下的Ki值，