多组分精馏过程课件

分分 离离 工工 程程第第3 3章章 多组分精馏和特殊精馏多组分精馏和特殊精馏?分离工程第3章多组分精馏和特殊精馏?掌握掌握了解了解重点掌握重点掌握3.1多组分精馏过程多组分精馏过程3.2萃取精馏和共沸精馏萃取精馏和共沸精馏3.3反应精馏反应精馏3.4加盐精馏加盐精馏了解了解本章要求本章要求本章小结本章小结参考文献参考文献思考题思考题 第三章第三章 主要内容主要内容掌握了解重点掌握3.1多组分精馏过程3.2萃取精馏和共沸精馏（1）了解多组分精馏过程与二组分精馏的比较分析，掌握关键组分等概念。（2）掌握清晰分割和不清晰分割物料衡算的计算方法，简捷法求算精馏过程理论板数的步骤。（3）掌握萃取精馏原理和萃取剂选择性的定义和影响因素以及萃取剂的选择。本章要求：本章要求：（1）了解多组分精馏过程与二组分精馏的比较分析，掌握关键组分（4）了解萃取精馏流程和萃取精馏过程的计算。（5）了解共沸物的特性和共沸组成的计算，三元物系组成的表示方法，掌握共沸精馏过程共沸剂的确定。（6）了解简捷计算法计算萃取精馏和共沸精馏过程的理论板数。本章要求：本章要求：（4）了解萃取精馏流程和萃取精馏过程的计算。本章要求：3.1 多组分精馏过程3.1.1 3.1.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析3.1.2 3.1.2 最小回流比最小回流比3.1.3 3.1.3 最少理论塔板数和组分分配最少理论塔板数和组分分配3.1.4 3.1.4 实际回流比和理论板数实际回流比和理论板数3.1.5 3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法多组分精馏的简捷计算方法3.1多组分精馏过程3.1.1多组分精馏过程分析3.1 多组分精馏过程 多次单级分离的串联，简称精馏 利用混合物中各组分的相对挥发度不同，采用液体多次部分汽化，蒸汽多次部分冷凝等汽液间的传质过程，使汽液相间浓度发生变化，并结合应用回流手段，使各组分分离。3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1多组分精馏过程多次单级分离的串联，简称精馏一、精馏操作流程一、精馏操作流程一、精馏操作流程一、精馏操作流程简单塔简单塔一、精馏操作流程简单塔一、精馏操作流程一、精馏操作流程一、精馏操作流程一、精馏操作流程冷凝器冷凝器动画演示动画演示板式精馏塔板式精馏塔动画演示动画演示再沸器再沸器动画演示动画演示一、精馏操作流程冷凝器板式精馏塔再沸器二、关键组分（二、关键组分（Key ComponentsKey Components）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。分布。Na=Na=串级数串级数(2 2)分配器分配器(1 1)侧线采出侧线采出(0 0)传热单元传热单元(2 2)=5 5已被指定的可调变量：已被指定的可调变量：（1 1）进料位置；（）进料位置；（2 2）回流比；（）回流比；（3 3）全凝器饱和液体回流）全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。或冷凝器的传热面积或馏出液温度。二、关键组分（KeyComponents）多组分精馏过程分F余下的余下的2 2个可调设计变量往往用来指定组分在馏出液和釜液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。中的浓度。F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关键组分：在设计或操作控制中，有一定分离要求，且在塔顶、塔釜都有一定数量的组分称为关键组分。轻关键组分（LK），指在塔釜液中该组分的浓度有严格限制，并在进料液中比该组分轻的组分及该组分的绝大部分应从塔顶采出 重关键组分（HK），指在塔顶液中该组分的浓度有严格限制，并在进料液中比该组分重的组分及该组分的绝大部分应从塔釜采出关键组分：塔顶回收率：塔釜回收率：塔釜回收率：非关键组分非关键组分关键组分以外的组分称为非关键组分关键组分以外的组分称为非关键组分 轻非关键组分轻非关键组分（LNKLNK），比），比轻轻关键组分挥发度关键组分挥发度更大更大或或更轻更轻的的组分，简称组分，简称轻轻组分组分 重非关键组分重非关键组分（HNKHNK），比），比重重关键组分挥发度关键组分挥发度更小更小或或更重更重的的组分，简称组分，简称重重组分组分塔顶回收率：塔釜回收率：非关键组分关键组分以外的组 分配与非分配组分 塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分。只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分 关键组分必定是分配组分。非关键组分不一定是非分配组分。分配与非分配组分塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分。？清晰与非清晰分割清晰与非清晰分割 l清晰分割清晰分割：轻组分在塔顶产品的收率为：轻组分在塔顶产品的收率为1 1。重组分在塔釜。重组分在塔釜产品的收率为产品的收率为1 1。l轻组分全部从塔顶馏出液中采出，重组分全部从塔釜排出。轻组分全部从塔顶馏出液中采出，重组分全部从塔釜排出。l非关键组分为非分配组分非关键组分为非分配组分 。l非清晰分割非清晰分割：非关键组分为分配组分。：非关键组分为分配组分。清晰与非清晰分割？三、多组分精馏过程特性对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，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。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。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。行比较。三、多组分精馏过程特性对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从二组分精馏实例：苯甲苯图图3-1 3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布二组分精馏流率、温度、浓度分布二组分精馏实例：苯甲苯图3-1二组分精馏流率、温度、浓度三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯图图3-2 3-2 三组分精馏流量分布三组分精馏流量分布 图图3-3 3-3 三组分精馏温度分布三组分精馏温度分布三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯图3-2三图图3-43-4苯、甲苯、异丙苯苯、甲苯、异丙苯精馏塔内液相浓度分布精馏塔内液相浓度分布图图3-53-5苯、甲苯、异丙苯苯、甲苯、异丙苯精馏塔内液相浓度分布精馏塔内液相浓度分布图3-4苯、甲苯、异丙苯精馏塔内液相浓度分布图3-5苯、甲苯四组分精馏实例：苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯图图3-6 3-6 四组分精馏液相组成分布四组分精馏液相组成分布四组分精馏实例：苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯图3多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：（1 1）关键组分含量存在极大值；）关键组分含量存在极大值；（2 2）非关键组分通常是非分配的，）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，即重组分通常仅出现在釜液中，轻组分仅出现在馏出液中；轻组分仅出现在馏出液中；（3 3）重、轻非关键组分分别在进料板下、上）重、轻非关键组分分别在进料板下、上 形成几乎恒浓的区域；形成几乎恒浓的区域；（4 4）全部组分均存在于进料板上，但进料板）全部组分均存在于进料板上，但进料板 含量不等于进料含量。含量不等于进料含量。多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：（1）关键组分含量精馏过程的内在规律：在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成，而总的在精馏塔中，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。级间流量分布则主要反映了热衡算的限制。精馏过程的内在规律：在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成，3.1.2 最小回流比（Rm）多组分精馏：多组分精馏：最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键组分的存在，最小回流比下，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。恒浓区出现的部位要较二组分精馏复杂。二组分精馏：二组分精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。恒浓区恒浓区3.1.2最小回流比（Rm）多组分精馏：二组分精馏：恒浓区多组分精馏中的恒浓区（1 1）轻、重组分均为非分配组分：）轻、重组分均为非分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻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。部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。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（2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区（3 3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区（2）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（4）轻、重组分均为分配组分：重组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区轻组分恒浓区最小回流比条件下会最小回流比条件下会出现恒浓区，区内无出现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多分离效果，需无穷多理论板。理论板。如何计算最小回流比如何计算最小回流比？（4）轻、重组分均为分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区最小回计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式：假设：假设：1 1、各组分相对挥发度是常数；、各组分相对挥发度是常数；2 2、塔内汽液相流率为恒摩尔流。、塔内汽液相流率为恒摩尔流。UnderwoodUnderwood（恩德伍德）公式（恩德伍德）公式：（3-1）计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式：假设：Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：（3-1）i i 组分组分i i 的相对挥发度；的相对挥发度；(x(xiDiD)m)m 最小回流比下馏出液中组分最小回流比下馏出液中组分i i的摩尔分数；的摩尔分数；x xiFiF 进料中组分进料中组分i i的摩尔分数；的摩尔分数；q q 进料热状态参数（进料液相分率）；进料热状态参数（进料液相分率）；方程的根方程的根。以全回流下的以全回流下的x xiDiD代替代替 取取 LKLK HKHK的根的根Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：（3-1）3.1.3 最少理论板数（Nm）和组分分配1 1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。全回流对应最少理论板数，但全回流下无产品采出，因此正全回流对应最少理论板数，但全回流下无产品采出，因此正常生产中不会采用全回流。常生产中不会采用全回流。什么时候采用全回流呢？什么时候采用全回流呢？2 2、在实验室设备中，研究传质影响因素。、在实验室设备中，研究传质影响因素。3 3、工程设计中，必须知道最少板数。、工程设计中，必须知道最少板数。3.1.3最少理论板数（Nm）和组分分配1、开车时，先全回计算最少理论板数的Fenske（芬斯克）方程：推导前提：推导前提：1 1、塔顶采用全凝器；、塔顶采用全凝器；（若采用分凝器，则分凝器为第（若采用分凝器，则分凝器为第1 1块塔板）；块塔板）；2 2、所有板都是理论板。、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：从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：对第对第2 2块板作物料衡算：块板作物料衡算：全回流下，全回流下，D D=0=0（3-2）计算最少理论板数的Fenske（芬斯克）方程：推导前提：1因此：同理：同理：两式相除，可得：两式相除，可得：代入（代入（3-23-2）式：）式：（3-23-2）可得：可得：因此：同理：两式相除，可得：代入（3-2）式：（3-2）可再由相平衡关系可得：由物料衡算：由物料衡算：可得：可得：依此类推到塔釜：依此类推到塔釜：（3-53-5）再由相平衡关系可得：由物料衡算：可得：依此类推到塔釜：定义AB为相对挥发度的几何平均值：代入（代入（3-73-7）式，可解出最少理论板数）式，可解出最少理论板数NmNm：（3-83-8）Fenske方程方程定义AB为相对挥发度的几何平均值：代入（3-7）式，可解几点说明：2 2、相对挥发度、相对挥发度（1 1）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。（2 2）ABAB的近似处理：的近似处理：1 1）两点平均：）两点平均：2 2）三点平均：）三点平均：3 3）单点值）单点值1 1、推导中未作任何假设，因而是严格的。、推导中未作任何假设，因而是严格的。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3、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：子可以相互抵消，得到另一种常用的一般形式：d/w d/w 称为分配比。称为分配比。（3-93-9）3、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4、Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。5 5、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。6 6、FenskeFenske方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数和方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数和组分分配。组分分配。（1 1）进料板位置：把进料当作塔顶（或塔）进料板位置：把进料当作塔顶（或塔 釜）。釜）。（2 2）各段理论板数：）各段理论板数：4、Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。（3 3）组分分配：将）组分分配：将FenskeFenske方程变形可得各方程变形可得各 组分流量分配。组分流量分配。（3）组分分配：将Fenske方程变形可得各分离要求的给出形式：（1 1）规定关键组分在塔顶和塔釜的百分含量。）规定关键组分在塔顶和塔釜的百分含量。代入以含量表示的代入以含量表示的FenskeFenske方程：方程：（2 2）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。）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代入以回收率表示的FenskeFenske方程：方程：（3-93-9）（3-133-13）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对于无中间组分的体系：对于无中间组分的体系：如如A(LNK)A(LNK)、B(LK)B(LK)、C(HK)C(HK)、D(HNK)D(HNK)组成的体系，先假定清组成的体系，先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割。晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割。清晰分割假定比较适用的情况：清晰分割假定比较适用的情况：轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比LKLK的挥发的挥发度大得多，而重组分的挥发度比度大得多，而重组分的挥发度比HKHK的挥发度小得多。的挥发度小得多。几点注意：几点注意：对于无中间组分的体系：清晰分割假定比较适用的情况：几点注意：对于有中间组分的体系：对于有中间组分的体系：如如A(LNK)A(LNK)、B(LK)B(LK)、C(C(中间组分中间组分)、D(HK)D(HK)、E(HNK)E(HNK)组成的组成的体系，则根据体系，则根据C C的相对挥发度是靠近的相对挥发度是靠近B B还是靠近还是靠近D D来假定来假定C C在在塔顶和塔釜的分配。塔顶和塔釜的分配。对于有中间组分的体系：3.1.4 实际回流比和理论板数有了实际回流比和最少理论板数，求实际理论板数常用的经有了实际回流比和最少理论板数，求实际理论板数常用的经验方法有：验方法有：GillilandGilliland图、图、Erbar-MaddoxErbar-Maddox图图用用UnderwoodUnderwood方程方程求出求出RmRm后，实际回流比后，实际回流比R R一般取作一般取作1.30Rm1.30Rm。适用于相对挥发度适用于相对挥发度变化不大的情况变化不大的情况适用于非理想适用于非理想性较大的情况性较大的情况3.1.4实际回流比和理论板数有了实际回流比和最少理论板数图3-10 Erbar-Mddox图图3-9 Gilliland3-9 Gilliland图图图3-10Erbar-Mddox图3-9Gillilan适宜进料板位置的确定原则：在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等与在全回在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等与在全回流下用流下用FenskeFenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。数之比。适宜进料板位置的确定原则：在操作回流比下精馏段与提馏段理论板3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法精馏简捷计算精馏简捷计算 -FUG-FUG法法法法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N3.1.5多组分精馏的简捷计算方法精馏简捷计算-多组多组分精分精馏的馏的FUGFUG法计法计算框算框图图多组分精馏的FUG法计算框图特殊精馏特殊精馏当待分离组分之间形成共沸物或相对挥发度接近当待分离组分之间形成共沸物或相对挥发度接近1 1时，用普时，用普通精馏是无法实现分离或是经济上不合理的。此时，向体通精馏是无法实现分离或是经济上不合理的。此时，向体系中加入一种适当的新组分，通过与原体系中各组分的不系中加入一种适当的新组分，通过与原体系中各组分的不同作用，改变组分之间的相对挥发度，使系统变得易于分同作用，改变组分之间的相对挥发度，使系统变得易于分离，这类离，这类既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏称为称为特殊精馏特殊精馏或称或称增强精馏增强精馏。特殊精馏当待分离组分之间形成共沸物或相对挥发度接近1时，用普特殊精馏的分类特殊精馏的分类（1 1）萃取精馏（）萃取精馏（Extractive Distillation）：）：加入的质量分离剂不与被分离系统中的任何组分形成共沸加入的质量分离剂不与被分离系统中的任何组分形成共沸物，而其沸点又较原有的任一组分高，从塔釜离开。加入物，而其沸点又较原有的任一组分高，从塔釜离开。加入的质量分离剂称为溶剂。的质量分离剂称为溶剂。特殊精馏的分类（1）萃取精馏（ExtractiveDist（3 3）反应精馏（）反应精馏（Reactive Distillation)：加入加入C C，使之与原体系中的，使之与原体系中的A A发生反应，从而减弱发生反应，从而减弱A A与与B B的的结合力。例如：催化精馏。结合力。例如：催化精馏。（2 2）共沸精馏（）共沸精馏（Peotropic Distillation）：）：加入的质量分离剂与被分离系统中的一个或几个组分形成加入的质量分离剂与被分离系统中的一个或几个组分形成共沸物，从塔顶蒸出。加入的质量分离剂称为共沸剂。共沸物，从塔顶蒸出。加入的质量分离剂称为共沸剂。（3）反应精馏（ReactiveDistillation)（4 4）加盐精馏：）加盐精馏：加盐，利用盐溶和盐析效应使两组分溶解行为发生变化。加盐，利用盐溶和盐析效应使两组分溶解行为发生变化。（5 5）吸附精馏：）吸附精馏：加入吸附剂。加入吸附剂。（6 6）膜精馏：）膜精馏：利用多孔膜。因为过程需加热，且利用多孔膜。因为过程需加热，且B B在另一侧也汽化，所在另一侧也汽化，所以可称为精馏。好处：无需再生，但目前由于膜材料和制以可称为精馏。好处：无需再生，但目前由于膜材料和制膜工艺的不成熟尚无工业应用。膜工艺的不成熟尚无工业应用。（4）加盐精馏：加盐，利用盐溶和盐析效应使两组分溶解行为发生