化工原理多组分精馏培训课件

Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology,多组,分,分精,馏,馏,知识要求,1,多,多,组,组分,精,精馏,过,过程,分,分析,2,最,最,小,小回,流,流比,3,最,最,少,少理,论,论塔,板,板数,和,和组,分,分分,配,配,4,实,实,际,际回,流,流比,和,和理,论,论板,数,数,5,多,多,组,组分,精,精馏,的,的简,捷,捷计,算,算方,法,法,1,多,多组,分,分精,馏,馏的,特,特点,和,和精,馏,馏方,案,案的,选,选择,一,多,多组,分,分精,馏,馏原,理,理,多组,分,分混,合,合物,精馏过程,ESA,塔釜蒸汽,加热,液体多次,部分汽化,蒸汽多次,部分冷凝,采用,相际,传,传质,传,传热,实现,组,组分,分,分离,轻组分,重组分,富集于塔顶,富集于塔釜,各组,分,分相,对,对挥,发,发度,不,不同,R,1、,多,多组,分,分精,馏,馏设,备,备数,对于n组,分,分系,统,统：,所,所需,设,设备,数,数,塔数,换热器数,泵数,其他,（n-1）,2 （n-1）,3 （n-1）,2、,多,多组,分,分精,馏,馏方,案,案数,精馏方案,顺序分馏,顺序分凝,按挥发度递减,按挥发度递增,按挥发度交错,方案数共,二,多,多组,分,分精,馏,馏方,案,案,举例,：,：四,组,组分,系,系统,分,分离,方,方案,：,：,B.C.D,C.D,C,B,D,A.B.C.D,A,（a）,A.B.C.D,D,A.B.C,A,B,C,A.B,（b）,A.B.C.D,D,A.B.C,A,B.C,B,C,（e）,A.B.C.D,C.D,A.B,C,D,A,B,（c）,A.B.C.D,A,B.C.D,D,B.C,B,C,（d）,图4-2 四组分精馏的五种精馏方案,满足工艺要求,1,产品的质量和纯度要求,2保证安全生产,2,多,多组,分,分精,馏,馏方,案,案的,选,选择,原,原则,能量消耗少,精馏塔的能量用户有：塔顶冷凝器（主要消耗冷量）、塔釜再沸器（主要消耗热量）、泵（主要消耗电能）,设备投资少,设备投资包括设备的购置和维修费、操作费用等。保证设备投资少。,如使,用,用并,联,联流,程,程，,易,易分,解,解、,聚,聚合,的,的物,质,质减,少,少加,热,热次,数,数或,降,降低,操,操作,温,温度,！,！,如易,燃,燃、,易,易爆,、,、腐,蚀,蚀性,介,介质,一,一般,都,都要,先,先行,分,分离,！,需要遵,循,循如下,原,原则：,1）腐,蚀,蚀性介,质,质应先,分,分离,2）量,大,大的组,分,分应先,分,分离,3）相,对,对挥发,度,度接近,者,者或分,离,离要求,高,高者最,后,后分离,。,。,在不同,的,的精馏,方,方案下,其,其能量,消,消耗是,不,不同的,，,，,概述,4.1,图4-11裂解气深冷分离顺序分离流程,1-碱洗塔 2-干燥塔 3-脱甲烷塔 4-脱乙烷塔 5-乙烯塔 6-脱丙烷塔7-脱丁烷塔8-丙烯塔 9-冷箱 10-脱炔反应器 11-绿油塔,2,1,9,3,4,C,1,0,H,2,C,2,0,6,7,8,C,4,C,5,+,C,3,=,C,3,0,5,11,C,1,0,C,2,=,10,10,11,C,1,0,裂解气,案例1,深,深冷,分,分离-,顺,顺序分,离,离流程,案例2,深,深冷,分,分离-,前,前脱乙,烷,烷流程,1-碱洗塔 2-干燥塔 3-脱乙烷塔4-加氢脱炔 5-脱甲烷塔6-冷箱7-乙烯塔 8-脱丙烷塔9-丙烯塔 10-脱丁烷塔器,图4-12裂解气前脱乙烷分离顺序分离流程,2,1,3,8,C,4,C,5,+,C,3,=,C,3,0,4,6,C,2,0,7,C,1,0,C,2,=,裂解气,5,9,10,1,2,3,过热水蒸汽,4,8,补充过,热水蒸汽,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15,图4-13 乙苯脱氢生产苯乙烯流程,1-乙苯蒸发器 2-乙苯加热器 3-混合器 4-脱氢反应器 5-废热锅炉 6-水冷器 7-盐水冷凝器8-气液分离器 9-油水分离器10-阻聚剂添加槽 11-乙苯蒸出塔 12-苯-甲苯回收塔 13-苯-甲苯分离塔 14-苯乙烯粗馏塔 15-苯乙烯精馏塔,苯,甲苯,乙苯,苯乙烯,焦油,水相,燃料气,乙苯,案例3,乙,乙苯,脱,脱氢生,产,产苯乙,烯,烯,多组分精馏过程典型案例,4.2,简捷法,计,计算流,程,程,物料衡算,1,塔顶温度和塔釜温度的确定,2,最小回,流,流比和,和,和回流,比,比的计,算,算,3,计算最,少,少理论,塔,塔板数,4,简捷法,计,计算具,体,体步骤,多组分精馏过程典型案例分析,4.3,3 多,组,组分精,馏,馏物料,衡,衡算,多组分,精,精馏不,能,能对所,有,有组分,都,都提出,分,分离要,求,求，而,只,只能对,其,其中一,种,种或两,种,种组分,规,规定分,离,离要求,。,。,规定了,分,分离要,求,求的组,分,分称为,关,关键组,分,分，关键,组,组分的,分,分离要,求,求一旦,被,被确定,，,，其它,组,组分的,分,分离程,度,度随之,被,被规定,。,。,1、关,键,键组分,选,选择：,关键组分,重关键组分HK,关键组分中,i,j,较小的组分。,轻关键组分LK,关键组分中,i,j,较大的组分。,LK和HK可,以,以使相,邻,邻的，,也,也可以,使,使不相,邻,邻的。,固定条,件,件下各,组,组分的,相,相对挥,发,发度是,一,一定的,。,。,一,清,清晰,分,分割法,物,物料衡,算,算,2、清,晰,晰分割,法,法规定,：,：,比LK,更,更轻的,组,组分，,其,其塔釜,采,采出量,为,为0，,即,即x,w,LNK,=0。,比,比HK,更,更重的,组,组分，,在,在塔顶,的,的馏出,量,量为0,，,，即x,D,HNK,=0。,3、清,晰,晰分割,法,法的应,用,用范围,：,：,1）各,组,组分间,i,j,较大；,2）LK和HK相邻,的,的物系,。,。,4、清,晰,晰分割,法,法物料,衡,衡算法,1）比LK更,轻,轻组分,的,的物料,衡,衡算式,：,：,F1=10,F2(lk)=20,F,3(hk)=30,F4=25,F5=15,D1=10,D2(lk)=x,D3(hk)=y,D4=0,D5=0,w1=0,w2(lk)=20-x,w3(hk)=30-y,w4=25,w5=15,2）比HK更重组分的物料衡算式：,3）塔顶馏出液D为：,4）塔釜采出液W为：,F1=10,F2(lk)=20,F,3(hk)=30,F4=25,F5=15,D1=10,D2(lk)=x,D3(hk)=y,D4=0,D5=0,w1=0,w2(lk)=20-x,w3(hk)=30-y,w4=25,w5=15,根据分离,要,要求，计,算,算D和W,。,。,给定馏,出,出液中LK的摩尔,分,分率x,D,l,和釜液中HK的摩,尔,尔分率x,W,h,LK和HK的物料,衡,衡算：,全塔的物,料,料衡算为,：,：F=D+W,设进料中,组,组分i的,摩,摩尔分数,为,为,z,i,，则f,i,=F,z,i,于是, 给定,馏,馏出液中HK的摩,尔,尔分率x,D,h,和釜液中LK的摩,尔,尔分率x,W,l, 给定,馏,馏出液和,釜,釜液中LK的摩尔,分,分率x,D,l,、x,W,l,。则馏出,液,液和釜液,流,流量为：,F=D+W,f,i,=F zi, 给定,馏,馏出液中LK的摩,尔,尔分率x,D,L,和LK的,回,回收率,L,根据回收率的定义：,应用举例,例：某精,馏,馏塔进料,组,组成如下,表,表所示：,组分,甲烷,乙烷,丙烯,丙烷,异丁烷,正丁烷,组成(mol%),5,35,15,20,10,15,100,分离要求是：馏出液中 ，釜液中,试用清晰,分,分割法确,定,定馏出液,和,和釜液的,产,产物组成,。,。,解题步骤,：,：,1、设进,料,料基准为100kmol,2、以乙,烷,烷为LK,，,，丙烯为HK进行,物,物料衡算,。,。,3、清晰,分,分割法物,料,料衡算过,程,程表：,组分,进料量Fi(kmol),馏出液量Di(kmol),釜液量Wi(kmol),甲烷,5,5,0,乙烷,35,350.05W,0.05W,丙烯,15,0.025D,15 0.025D,丙烷,20,0,20,异丁烷,10,0,10,正丁烷,15,0,15,100,40 0.05W+0.025D,60+0.05W 0.025D,根据题义：,结合D+W=100得：D=37.84，W=62.16,0.946,14.054,3.108,31.892,62.16,37.84,4、计算,结,结果列表,组分,进料量,馏出液量,釜液量,F(kmol),z,i,(%),D(kmol ),x,D,i,(%),W(kmol),x,w,i,(%),甲烷,5,5,5,13.2,0,0,乙烷,35,35,31.892,84.3,3.108,5,丙烯,15,15,0.946,2.5,14.054,22.6,丙烷,20,20,0,0,20,32.2,异丁烷,10,10,0,0,10,16.1,正丁烷,15,15,0,0,15,24.1,100,100,37.84,100,62.16,100,二,非,非清晰分,割,割法物料,衡,衡算,1、非清,晰,晰分割法,应,应用范围,1）LK,和,和HK可,以,以 不相,邻,邻，之间,有,有若干种,组,组分。,2）LK,和,和HK相,邻,邻，但原,料,料中含有,大,大量与LK、HK,相,相对挥发,度,度接近的,非,非关键组,分,分。,2、非清,晰,晰分割法,的,的假设,1）任意回流,比,比时，各组,分,分在塔顶,、,、塔釜产,品,品中的分,配,配和全回流时相同。,2）非关键组,分,分的分配规,律,律与关键组分的分配规,律,律相同。,满,满足Fenske,公,公式。,3、非清,晰,晰分割法,解,解法：,1）LK,、,、HK在,全,全回流时,的,的分配规,律,律,I、解析,法,法,计,计算步骤,或,2）以HK为基准,组,组分，任,意,意组分i,的,的分配规,律,律。,结合 解得 d,i,、w,i,II,、,、,图,图,解,解,法,法,计,计,算,算,步,步,骤,骤,此,式,式,的,的,几,几,何,何,意,意,义,义,是,是,：,：,直角坐标中过点,的一条直线。其斜率为 。,对,关,关,键,键,组,组,分,分,对,任,任,意,意,组,组,分,分i,此,式,式,的,的几,何,何,意,意,义,义是,：,：,直角坐标中过点,的一条直线。其斜率为 。,若,干,干,条,条,直,直,线,线,重,重,合,合,。,。,图,示,示,：,：,结,合,合,式,式f,i,=d,i,+w,i,可,以,以,算,算,得,得d,i,、w,i,。,LK,HK,i,应,用,用,举,举,例,例,某,原,原,料,料,液,液,的,的,组,组,成,成,及,及,在,在,平,平,均,均,操,操,作,作,条,条,件,件,下,下,的,的,相,相,平,平,衡,衡,常,常,数,数,如,如,下,下,表,表,：,：,0.71,0.84,1.67,2.17,45,32,17,6,组成（mol%）,正戊烷4,异戊烷3,正丁烷2,异丁烷1,连,续,续,精,精,馏,馏,分,分,离,离,该,该,混,混,合,合,物,物,，,，,要,要,求,求,馏,馏,出,出,液,液,中,中,回,回,收,收,原,原,料,料,中,中95%,的,的,正,正,丁,丁,烷,烷,，,，,在,在,釜,釜,液,液,中,中,回,回,收,收95%,的,的,异,异,戊,戊,烷,烷,。,。,试,试,计,计,算,算:,(1),用,用,非,非,清,清,晰,晰,分,分,割,割,法,法,确,确,定,定,各,各,组,组,分,分,在,在,馏,馏,出,出,液,液,和,和,釜,釜,液,液,中,中,的,的,组,组,成,成,。,。,(2)若为,泡,泡点进料，,确,确定最小回,流,流比,(3)当R=1.3Rm时的理论,塔,塔板数,*原料可视,为,为理想体系,1）以100,kmol,进料作为计,算,算基准。,2）选定轻,重,重关键组分,，,，以正丁烷,为,为LK，异,戊,戊烷为HK,。,。,3）以异戊,烷,烷作为计算,相,相对挥发度,的,的基准。各,组,组分相对挥,发,发度如下：,解题步骤如,下,下：,4）应用解,析,析法进行物,料,料衡算,代入芬斯克公式得,由回收率的定义可得：,异丁烷1,正丁烷2,异戊烷,(h)3,正戊烷4,Fi（,kmol）,6,17,32,45,Ki,2.17,1.67,0.84,0.71,2.583,1.988,1.000,0.845,h,i,h,i,k,k,=,a,d,异,丁烷,=5.967， w,异丁烷,=0.033,d,正戊烷,=0.554， w,正戊烷,=44.446。,5）计算结,果,果列表（略,）,）,由公式：,f,i,=d,i,+w,i,最小回流比Rm=2.912（=1.60668）,回流比R=1.3Rm=3.878（=1.60668）,塔板数N=15.8（,不,不包括釜）,4、实际回,流,流比下非关,键,键组分的分,配,配,1）在全回,流,流时各组分,在,在馏出液和,釜,釜液中都有,一,一定程度的,分,分配。（线1）,2）,在,在最,小,小回,流,流比,时,时只,有,有少,数,数非,关,关键,组,组分,在,在馏,出,出液,和,和釜,液,液中,分,分配,，,，或,者,者没,有,有非,关,关键,组,组分,分,分配,。,。（,曲,曲线4）,3）在接,近,近最小回,流,流比时，,非,非关键组,分,分的分配,介,介于两个,极,极限之间,。,。（曲线3）,4）在高,回,回流比时,（,（曲线2,）,），非关,键,键组分的,分,分配实际,上,上超出了,极,极限。,3,2,4,1,LK,HK,不同回流,比,比下组分,的,的分配比,1全回,流,流；2,高,高回流比,；,；,3低回,流,流比；4,最小回,流,流比,4.3.2 精馏,段,段、提留,段,段操作线,方,方程,F,zi,V,n-1,n,n+1,m-1,m,m+1,D,x,D i,W,x,W i,普通精馏物料衡算示意图,精馏段的,操,操作线方,程,程为,提馏段的,操,操作线方,程,程为,1、最小,回,回流比的,出,出现原因, 对双,组,组分精馏,来,来说，进,料,料板处出,现,现恒浓区,。,。图a, 多组,分,分精馏比,较,较复杂；,1）若进,料,料中的所,有,有组分在,馏,馏出液和,釜,釜液中均,存,存在（即所有组,分,分都是分,配,配组分），那么,只,只在进料,板,板处出现,一,一个恒浓,区,区。图a,4.3.3,回,回流比,塔顶液,相,相回流,是,是保证,精,精馏塔,连,连续稳,定,定操作,的,的必要,条,条件之,一,一。回流,比,比是指,回,回流流,量,量和馏,出,出液流,量,量之比,。,。当塔,板,板数一,定,定时，,只,只有选,择,择合适,的,的回流,比,比才能,满,满足给,定,定的分,离,离要求,。,。而且,，,，回流,比,比也是,影,影响精,馏,馏塔设,备,备投资,和,和运行,费,费用的,一,一个重,要,要因素,。,。,a,恒浓区,最小回,流,流比是N ,时精,馏,馏塔的,一,一种极,限,限操作,状,状况。,3）若,重,重组分,是,是非分,配,配组分,，,，而轻,组,组分均,为,为分配,组,组分则,在,在精馏,段,段中部,出,出现一,恒,恒浓区,使,使HK,在,在塔顶,浓,浓度为0。图c,4）若,轻,轻组分,是,是非分,配,配组分,，,，而重,组,组分均,为,为分配,组,组分，,则,则在提,馏,馏段中,部,部出现,一,一恒浓,区,区使LK在塔,釜,釜的浓,度,度为0,。,。图d,c,2）若,轻,轻重关,键,键组分,都,都是非,分,分配组,分,分，则,在,在精馏,段,段中部,出,出现一,恒,恒浓区,使,使HK,在,在塔顶,浓,浓度为0，在,提,提馏段,中,中部出,现,现一恒,浓,浓区使LK在,塔,塔釜浓,度,度为0,。,。图b,d,b,2、最,小,小回流,比,比的计,算,算Underwood,法,法, Underwood法,的,的假设,：,：,1）塔,内,内汽相,和,和液相,均,均为恒,摩,摩尔流,率,率；2,）,）各组,分,分的相,对,对挥发,度,度为常,数,数。, Underwood公式：, 进料状,态,态的确定, 各组分,相,相对挥发度,的,的求法, ,值和,的求法,1,2,3,zi,0.330,0.330,0.340,ih,2.0,1.0,0.8,3、实际回,流,流比R,在一定的平,衡,衡级条件下,，,，为了达到,轻,轻重关键组,分,分一定的分,离,离要求，R,必,必须大于R,min,。,确定R的依,据,据是经济衡,算,算，要求达,到,到操作费用,和,和设备投资,费,费用的总和,为,为最小。,Fair和Bolles得研究结,果,果是：R/R,min,=1.05,为,为最优值，,经,经验值取1.202.00之间,。,。,4.3.4,理,理论塔板,数,数,1最少理论,塔,塔板数,在精馏塔中,，,，两相流体,在,在一块塔板,上,上经常达不,到,到平衡状态,，,，而只是实,现,现了从初始,状,状态到平衡,状,状态的部分,变,变化。,最少理论塔,板,板数是R,时精馏,塔,塔的一种极,限,限操作状况,。,。,最少理论塔,板,板数,可以用芬斯,克,克公式计算,。,。,Fenske公式（推,导,导过程略）,如果塔顶是,全,全凝器，塔,釜,釜相当于一,块,块理论板，,所,所以最少理,论,论塔板数为,如果塔顶是,分,分凝器，分,凝,凝器相当于,一,一块理论板,，,，所以最少,理,理论塔板数,为,为,W,1,2,3,N,y,x,x,D,x,w,y,z,x,精馏段操作,线,线方程,进料状态线,方,方程,2 理论塔,板,板数,1）Gililand,提,提出了一个,经,经验算法，,以,以R,min,和N,min,为基础，适,用,用于分离过,程,程中相对挥,发,发度不大的,情,情况，该经,验,验关系表示,成,成Gililand图,。,。,2）Gililand,图,图还可拟合,成,成关系式用,于,于计算：,3）另外，,还,还有Rrbar和Maddox图,法,法。,吉利兰图,3 进料,板,板位置,1）用Gilliland,关,关系图确,定,定塔板数,要,要求精馏,段,段和提馏,段,段的塔板,级,级数有最,佳,佳的分配,。,。最佳的,进,进料级位,置,置由Fenske,方,方程确定,。,。,精馏段的,最,最少平衡,级,级：,提馏段的,最,最少平衡,级,级：,Brown,和,和Martin,提,提,出,出,：,：,最,最,佳,佳,进,进,料,料,级,级,位,位,置,置,可,可,由,由,下,下,式,式,确,确,定,定,，,，,但,但,可,可,靠,靠,性,性,较,较,差,差,。,。,2,）,）,克,克,尔,尔,克,克,勃,勃,莱,莱,特,特,（,（Kirkhride),关,关,于,于,进,进,料,料,位,位,置,置,提,提,出,出,如,如,下,下,经,经,验,验,式,式,：,：,对于泡,点,点进料,可,可以采,用,用下列,经,经验式,确,确定进,料,料位置,。,。,逐板计,算,算法,逐板计,算,算法是,交,交替使,用,用操作,线,线方程,、,、相平,衡,衡关系,进,进行计,算,算，即以相平,衡,衡关系,确,确定同,一,一块板,上,上气液,相,相间浓,度,度关系。以操,作,作线,方,方程,表,表示,相,相邻,两,两块,板,板上,气,气液,相,相间,的,的浓,度,度关,系,系，最,终,终得,理,理论,板,板数N。,其,其步,骤,骤如,下,下：,（1,）,）根,据,据工,艺,艺要,求,求进,行,行物,料,料分,布,布，,求,求得,馏,馏出,液,液量D及,釜,釜液,量,量W,，,，及,x,Di,及,x,wi,；,（2,）,）由,恩,恩德,伍,伍德,公,公式,计,计算Rm,，,，取R，,根,根据,操,操作,条,条件(p,、,、T,、,、q)确,定,定精,馏,馏段,汽,汽液,相,相流,量,量V,、,、L,和,和提,馏,馏段,的,的汽,液,液相,流,流量,（3,）,）,建立,操,操作,线,线方,程,程式,提馏,段,段操,作,作线,方,方程,式,式为,4.3.5逐,板,板计,算,算法,逐板,计,计算,法,法仍,对,对塔,内,内各,段,段简,化,化为,恒,恒摩,尔,尔流,，,，通,过,过逐,板,板进行,物,物料,平,平衡,、,、相,平,平衡,、,、热,平,平衡,计,计算，最,后,后得,到,到所,需,需理,论,论板,数,数N,、,、全,塔,塔的,组,组成,、,、温,度,度、,流,流量,分,分布,。,。,精馏,段,段操,作,作线,方,方程,式,式为,（4,）,）利,用,用泡,、,、露,点,点计,算,算方,法,法找,出,出各,组,组分,的,的相,平,平衡,关,关系,y,i,=k,i,x,i,（5,）,）从,塔,塔顶,逐,逐板,向,向下,计,计算,至,至进,料,料板,，,，,直至,其中,是精,馏,馏段,操,操作,方,方程,线,线和,进,进料,方,方程,线,线的,交,交点,W,1,2,3,N,（6）由,塔,塔釜开始,向,向上进行,逐,逐板计算,至,至进料板,。,。,直至,当进料状,态,态为q0时，m,板,板即为加,料,料板；当q0时,，,，则m-1板为加,料,料板。显,然,然，当q,0时，,在,在精馏段,由,由塔顶向,下,下的第n,块,块板，也,就,就是提馏,段,段从塔釜,向,向上的第m块板，,就,就是适宜,的,的进料位,置,置。,实际塔板,数,数的确定,经验计算公,式,式,图线法,总板效率E,0,图,理论板与实,际,际塔板数的,关,关系,多组分精馏,的,的简捷计算,方,方法,精馏简捷计算,FUG,法,Fenske,N,m,Underwood,R,m,Gilliland,R、N,初步设计和,经,经验估算；,适宜操作方,式,式的确定；,合理分离顺,序,序的确定；,严格计算中,设,设计变量数,值,值和迭代变,量,量初值的提,供,供；,当相平衡数,据,据不足时，,与,与严格计算,方,方法的准确,度,度相当。,简捷计算方,法,法适应的场,合,合,简捷计算法步骤：,1.,由工艺要求选,LK，HK，,物料分配得出,