天津大学化工传质分离资料第3章气液传质分离过程

传质分离过程第三章气液传质分离过程主要内容及要求：掌握设计变量的确定方法；深入理解多组分精馏过程，会分析；掌握多组分精馏的简捷计算方法；掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析；掌握吸收过程的简捷计算方法。1第三章气液传质分离过程3.1设计变量3.2多组分精馏3.3特殊精馏3.4间歇精馏3.5吸收与解吸√√√√23.1设计变量

IndependentDesignVariables物理量：

流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机械功、传热面积、理论板数等。

设计前需预先给定数值的变量称为设计变量。设计变量的个数称为设计变量数。例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道确定的方法。设计前需给定数值的变量

3TotalcondenserRefluxdrumTopstageBottomstageFeedstageOverheadvapor4FeedstreamflowrateAconcentrationinfeedFeedconditionindistillationpressureAorBconcentrationindistillateAorBrecoveryratioinbottomsRefluxratioNumberoftheoreticalstages(feedstagelocation)Heatduties(totalcondenser&reboiler)calculationKnownvariablesSpecifiedvariables已知变量规定变量5设计变量数ND:independentdesignvariables变量总数NV:allpertinentvariables约束关系数Nc:thetotalnumberofindependentequationsrelatingthevariables强度变量：intensivevariables,suchastemperature,pressure,concentration容度变量：extensivevariables,suchasstreamflowrate,heattransferrate设备参数：equipmentparameters,suchasthenumberofequilibriumstages6确定设计变量数遵循的一般原则：

CVDNNN-=设计变量数

系统的总变量数

变量之间的约束关系数

7VN＝出入物流变量数＋能量交换数（热、功）

(1)物流变量数

任一物流的自由度：2+P-=Cf组分数

相数

对于单相流股：1=P1+=Cf完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。因此对于任一单相流股独立变量数：21)1(+=++=CCNV(2)能量交换数

系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有一股功交换时，应增加两个变量数。

系统的总变量数8CN依据约束关系式(1)物料衡算式

有C个组分的系统，能够建立C个物料衡算式。(2)能量衡算式

(3)相平衡关系式

(4)化学反应平衡式

(5)内在关系式

每个系统只有1个能量衡算式。根据相平衡条件(逸度相等、压力相等、温度相等)能够建立C(-1)+2个相平衡关系式。对于无化学反应的系统，化学平衡关系式数为0。约定的关系，如：物料温度、压力相等。约束关系数93.1.1单元的设计变量3.1.2装置的设计变量103.1.1单元的设计变量

Designvariablesforelements

一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可以分解为多个进行简单过程的单元。确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：单元装置流程eceveDNNN-=11例1.绝热分配器

出入物流变量数：LL1L2（C+2）3能量交换数：0+)Nv=3C+6物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C100L1和L2的T、P、组分浓度相等

2＋C-1Nc=2C+2NDe=Nve－Nce=C+4VNeCNe12设计变量ND可进一步分为：

固定设计变量Nx可调设计变量NaNx

=进料物流变量数＋系统的压力固定设计变量Nx

=进料＋压力＝（C+2）+1LL1L2分配器可调设计变量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1分配比＝ND-Nx13例2.产物为两相的全凝器出入物流变量数：（C+2）3能量交换数：1+)Nv=3C+7物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C(-1)+2=C+200Nc=2C+3NDe=Nve－Nce=C+4VL1L2QVNeCNe14固定设计变量Nx

=进料＋压力＝（C+2）+1可调设计变量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q

产物为两相的全凝器如单元温度或引入的冷量15例3.绝热操作的简单平衡级出入物流变量数：（C+2）4能量交换数：0+)Nv=4C+8物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C(-1)+2=C+200Nc=2C+3NDe=Nve－Nce=2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)16固定设计变量Nx

=进料＋压力＝2（C+2）+1＝2C＋5可调设计变量Na=ND-Nx=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L0绝热操作的简单平衡级

17例4.有侧线采出的平衡级

出入物流变量数：（C+2）5能量交换数：0+)Nv=5C+10物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C(-1)+2=C+20C+1Nc=3C+4NDe=Nve－Nce=2C+6VNeCNe+)V0V1L1L0S18固定设计变量Nx

=进料＋压力＝2（C+2）+1＝2C＋5可调设计变量Na=Ni-Nx=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有侧线采出的平衡级

侧采量19思考题1：混和器的设计变量数F3F1F2思考题2：再沸器的设计变量数LVLQ掌握p58-59表3-1203.1.2设备的设计变量

Designvariablesforunits

uauxuDNNN+==uxN进料物流变量数+压力等级数

=uaN分配器数+侧线采出+传热单元+串级数21例1.简单精馏塔（塔内无压降）进料变量数：C+2压力等级数：1+)C+3分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：00123xNuaNu+)FQ22例2.有侧采的精馏塔进料变量数：C+2压力等级数：1+)C+3分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：11237xNuaNu+)FQWQC全凝器塔内无压降23思考题：计算以下装置的设计变量F1QWQC全凝器塔内无压降F2243.1.3流程的设计变量

Designvariablesforprocesses

axDNNN+==xN进料物流变量数+压力等级数

=aN分配器数+侧线采出+传热单元+串级数25例1.吸收-解吸流程进料变量数：C+2+3压力等级数：2+)C+7分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：00325xNaNu+)蒸汽26（C+12）个设计变量的选择情况1：（1）吸收塔和解吸塔的操作压力；2（2）气体原料的流率、组成、进料温度和压力；C+2（3）水蒸气的流率、进料温度和压力；3（4）吸收塔和解吸塔的塔板数；2（5）三个换热器各自的一个出口温度。327情况2：（1）固定设计变量的规定与“情况1”的①②③相同；C+7（2）吸收塔出口气中CO2

的摩尔分数；1（3）解吸塔出口气中CO2

的摩尔分数；1（4）三个换热器的换热面积。3自学p66例3-2双塔共沸精馏流程28例2.双塔共沸精馏流程进料变量数：4+3压力等级数：1+)8分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：00235xNaNu+)蒸汽原料295个可调设计变量的选择情况（1）：

三个串级各自的级数3；再沸器的蒸发速率

1；冷凝器的过冷温度1。情况（2）：异丙醇塔釜液中异丙醇的摩尔分数1；水塔釜液中异丙醇的摩尔分数1；异丙醇塔的最适进料位置1；再沸器的蒸发速率1；冷凝器的过冷温度1。30作业：p141第2题31设计变量数的确定CVDNNN-=VN出入物流变量数CN物料衡算式能量衡算式相平衡关系式化学反应平衡式内在关系式能量交换数（热、功）xN进料物流变量数压力等级数xN分配器数换热单元数侧线采出数串级数32混合器出入物流变量数：（C+2）3能量交换数：0+)3C+6物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1000C+1NDe=Nve－Nce=2C+5VNeCNe+)F3F1F2Nx

=进料＋压力

=2(C+2)+1＝2C＋5Na

=ND-Nx

=(2C+5)-(2C+5)=033再沸器出入物流变量数：（C+2）3能量交换数：1+)3C+7物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C+2002C+3NDe=Nve－Nce=C+4VNeCNe+)Nx

=进料＋压力

=(C+2)+1＝C+3Na

=ND-Nx

=(C+4)-(C+3)=1LVLQ34精馏塔（塔内无压降）进料变量数：2(C+2)压力等级数：1+)2C+5分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：11248xNuaNu+)F1QWQC全凝器塔内无压降F2353.2多组分精馏

MulticomponentDistillation3.2.1多组分精馏过程分析(ProcessAnalysis)3.2.2最小回流比(MinimumRefluxRatio)3.2.3最少理论塔板数和组分分配(MinimumNumberofEquilibriumStagesandComponentDistribution)3.2.4实际回流比和理论板数(ActualRefluxRatioandActualNumberofEquilibriumStagesorTheoreticalStages)3.2.5多组分精馏的简捷计算方法(ApproximateMethodforMulticomponentandMultistageDistillation)36Rectifyingsection精馏段Strippingsection提馏段Countercurrent逆流泡沫373.2.1多组分精馏过程分析

ProcessAnalysisforMulticomponentDistillation一、关键组分（KeyComponents）二、多组分精馏特性分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。38一、关键组分（KeyComponents）FNa=串级数(2)＋分配器(1)

＋侧线采出(0)＋传热单元(2)=5已被指定的可调变量：（1）进料位置feedstagelocation

；（2）回流比refluxratio

；（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。heattransferareaofthecondenserorcondensatetemperature(i.e.,saturatedliquid)余下的2个可调设计变量一般用来指定某个组分在馏出液和另一个组分在釜液中的浓度。（不论有多少个组分）39轻关键组分（Lightkeycomponent,LK),highrelativevolatility重关键组分（Heavykeycomponent,HK),lowrelativevolatility轻非关键组分（light

nonkeycomponent,LNK）轻组分轻关键组分（LK）中间组分(intermediatecomponent,relativevolatilitybetweenthetwokeycomponents)重关键组分（HK）重非关键组分（heavynonkeycomponent,HNK）重组分Concentrationofonecomponentindistillate;Andconcentrationofanothercomponentinbottom两个关键组分TwokeycomponentsRelativevolatilitylowhigh40分配组分(distributingcomponent)

simultaneouslyappearin

bottomsanddistilate

非分配组分(nondistributioncomponent)

heavycomponentonlyappearinbottoms

lightcomponentonlyappearindistilate

清晰分割(sharpsplitorsharpseparation)：

馏出液中除了重关键组分外，没有其它重组分；釜液中除了轻关键组分外，没有其它轻组分。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。41

两个关键组分的相对挥发度相邻且分离要求苛刻，或非关键组分的相对挥发度与关键组分相差较大时，可达到清晰分割。问题：什么情况下可达到清晰分割？42二、多组分精馏特性计算方法上：对于二元精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，作逐板计算，无需试差。对于多元精馏，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。二元精馏vs

多元精馏在塔内流率，温度和浓度分布上也有不同。43二元精馏实例：苯－甲苯

benzene-toluene二组分精馏流率、温度、浓度分布除进料板处液体流率有突变外，各段的摩尔流率基本上为常数.44三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯

benzene(LK)-toluene(HK)-isopropylbenzene图3-5三元精馏流量分布图3-6三元精馏温度分布液气比L/V接近常数45四元精馏实例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯

benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropylbenzene图3-7四元精馏液相组成分布Z1=0.125Z2=0.225Z3=0.375Z4=0.27512=2.2522=1.0032=0.3342=0.2146Summary

多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别（1）关键组分含量存在极大值；（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，但进料板含量不等于进料含量。各组分的浓度分布曲线在进料板处不连续。47精馏塔内温度分布和流量分布的规律：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。精馏过程的内在规律，严格计算的基础。48小结：

一、沿塔高方向的温度分布在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成。

沿塔高方向自下而上温度递减49级间流率分布与热量衡算密切相关。影响因素较多，总效应很复杂，难以归纳出一个通用的规律。假设塔内恒摩尔流近似成立。小结：

二、沿塔高方向的汽液流率分布50对于两组分精馏，指定馏出液中一个组分的浓度，就确定了馏出液的全部组成；指定釜液中一个组分的浓度，也就确定了釜液的全部组成。对于多组分精馏，遇到的关键问题是塔顶和塔底产品的组成和量无法全部预先确定。小结：

三、沿塔高方向的浓度分布513.2.2最小回流比（Rm）最小回流比：在无穷多塔板数的条件下达到关键组分预期分离所需要的回流比。523.2.2最小回流比（Rm）二元精馏：最小回流比下，进料板上下出现恒浓区（1个）(constant-compositionzone)或称夹点(pinchpoint)。Foratypicalidealornear-idealsystem,pinchpointatthefeedstage.Forahighlynon-idealsystem,pinchpointmayoccuratastageaboveorbelowthefeedstage.533.2.2最小回流比（Rm）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，恒浓区出现的部位要较二组分精馏复杂。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。恒浓区54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。55（2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区（3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区56（4）轻、重组分均为分配组分：重组分恒浓区轻组分恒浓区57多组分精馏中的夹点位置

Locationofpinch-pointzones（1）轻、重组分均为非分配组分重组分恒浓区轻组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区重组分恒浓区轻组分恒浓区（4）轻、重组分均为分配组分(allcomponentsdistributed)（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,轻组分非为分配组分有两个“夹点”少见58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（infinitestages)。如何计算最小回流比？59Underwood（恩德伍德）equationforRm

假设：

1、各组分相对挥发度是常数

relativevolatilityisconstant2、塔内汽液相流率为恒摩尔流

molaroverflowareconstant60i

—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。

以全回流下的xiD代替

取LK>>HK的根613.2.3最少理论板数（Nm）和组分分配

Minimumtheoreticalstages（Nm）anddistributionofcomponents1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。Numberofminimumtheoreticalstagescorrespondstototalreflux.Attotalreflux,therearenofurtherinputoffeedandwithdrawalofdistillateandbottoms

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。什么时候采用全回流呢？2、在实验室设备中，研究传质影响因素。3、工程设计中，必须知道最少板数。62如何计算最少理论板数？63Fenske（芬斯克）equationforminimumequilibriumstages

(review)前提：1、塔顶采用全凝器（若采用分凝器，则分凝器为第1块板）

2、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：Materialbalanceforstage2:Attotalreflux，D=064两式相除，可得：代入：可得：andForpassingstreams:65Fromphaseequilibrium：Frommaterialbalance：Combiningtheseeq.s：Similarly：66DefiningAB:

relativevolatilitybyageometricmeanofeachstagevaluesFormulticomponentdistillation：

Fenske

equationFenskeequationisextremelyuseful67几点说明SupplementstoFenske

eq.：

1.推导中未作任何假设，因而是严格的。

Fenske

eq.isrigorous,becausetherearenoassumptionsinthederivation.68几点说明SupplementstoFenske

eq.：

2.AboutAB

（1）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。（2）AB

的近似处理：1）geometricmeanoftop-stageandbottom-stagevalues3）2）geometricmeanoftop-stage,feed-stageandbottom-stage两点平均三点平均单点值693.AnotherformofFenskeequationAmoreconvenientformofFenskeequationisobtainedbyreplacingtheproductofthemolar-fractionratiosbytheequivalentproductofmole-distributionratiointheformofcomponentdistillateandbottomsflowrates.摩尔分率用摩尔数、体积或重量比来代替。d/b

:distributionratio分配比;d:componentflowrate(molar)indistillate;b:componentflowrate(molar)inbottoms几点说明SupplementstoFenske

eq.：

704.Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分精馏。

Fenske

eq.canbeusedforcalculatingdistillationofeitherbinaryormulticomponentmixtures.几点说明SupplementstoFenske

eq.：

715.Nm只与分离要求有关，而与进料组成无关。

Theminimumnumberofequilibriumstagesdependsonthedegreeofseparationofthetwokeycomponentsandtheirrelativevolatility,butisindependentoffeed-phasecondition.几点说明SupplementstoFenske

eq.：

726.Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数和组分分配。

Fenskeequationcanbeusedforcalculatingfeed-stagelocation,numberofequilibriumstagesofrectifyingsectionandstrippingsection,andcomponentdistributions.几点说明SupplementstoFenske

eq.：

feed-stagelocation：byreplacingfeedasthecolumntop(orbottom)把进料当作塔顶（或塔釜）737.分离要求的给出形式：（1）规定关键组分在塔顶和塔釜的摩尔分数。（2）规定关键组分在塔顶和塔釜的流出量。(3-7)几点说明SupplementstoFenske

eq.：

(3-4)747.分离要求的给出形式：（3）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。（3-11）几点说明SupplementstoFenske

eq.：

75p73例［3-3］和例［3-4］对于无中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的体系，

先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否符合清晰分割的假设。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LK的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥发度小得多。Notes：对于有中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、E(HNK)组成的体系，则根据C的相对挥发度是靠近B还是靠近D来假定C在塔顶和塔釜的分配。763.2.4实际回流比和理论板数

Actualrefluxratioandtheoreticalstages一、实际回流比塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件。回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的重要因素。回流比是精馏过程设计计算的重要参数。77一、实际回流比Rop=1.05~1.1Rm众多研究发现：

当RRop，总费用随R的减小而急剧增加

当RRop，总费用随R的增大而增加故通常取R=1.2~1.5Rm

一般取R=1.3RmUnderwoodeq.操作费设备费总费用78不同回流比下组分分配比与相对挥发度的关系（相对挥发度与组成关系不大，且不同组分塔板效率相同）

1－全回流；2－高回流比(~5Rm)；3－低回流比(~1.1Rm)；4－最小回流比79Theempiricalmethodforcalculatingofactualtheoreticalstage(求实际理论板数常用的经验方法):GillilandcorrelationandErbar-MaddoxcorrelationForthesystemswithslightchangeinrelativevolatility适用于相对挥发度变化不大的情况Forhighnonidealsystems适用于非理想性较大的情况二、实际理论板数ActualTheoreticalStages80Fig.3-9GillilandcorrelationFig.3-10Erbar-Mddox将操作回流比与使用Underwood法得到的最小回流比，Fenske法得到的最少理论板及操作回流比下的理论板数相关联。81适宜进料板位置的确定：(1)TheoptimumfeedstagecanbelocatedbyassumingthattheratioofstageabovethefeedtostagebelowthefeedisthesameastheratiodeterminedbysimplyapplyingFenskeequationtotheseparatesectionattotalrefluxconditions.在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等于在全回流下用Fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。NR:thenumberoftheoreticalstagesofrectifyingsectionNS:thenumberofthetheoreticalstagesofstrippingsection82(2)Kirkbrideempiricalcorrelation适宜进料板位置的确定：p79例【3-5】833.2.5多组分精馏塔的简捷计算方法

Approximatemethodformulticomponentdistillations简捷法应用场合：初步设计和经验估算。操作参数寻优（适宜操作参数的确定）。合理的分离顺序的确定。严格计算中设计变量数值和迭代变量的初值的提供。当相平衡数据不够充分时，未必比严格计算准确度差。843.2.5多组分精馏塔的简捷计算方法

Approximatemethodformulticomponentdistillations精馏简捷计算——FUG法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N85开始指定进料条件指定两个关键组分的分离程度估计非关键组分的分离情况决定精馏塔操作压力和冷凝器类型在塔压下作闪蒸计算计算最少理论板数和非关键组分的分离程度计算值与估计值是否接近对于指定的实际回流比（R>Rm）计算实际理论板数N计算最小回流比Rmyes计算进料级位置计算热负荷结束no（bubble-pointanddew-pointcalculation）（adiabatiaflashcalculation）（Underwoodeq.）（R=1.1～1.5Rm，Gillandcorrelation）（Kirkbride

eq.）（ethaplybalanceeq.）（Fenske

eq.）多组分精馏的FUG法计算框图86(b.p./d.p.calculations）(R=1.1～1.5Rm，Gilland图)(energy-balanceeq.)StartSpecifiedfeedSpecifysplitsoftwokeycomponentsEstimatesplitsofnonkeycomponentsDeterminecolumnpressureandtypeofcondenserFlashthefeedatcolumnpressureCalculateNmandsplitsofnonkeycomponentsDifferencebetweencalculatedandestimatedresultsissmallenoughCalculateactualtheoreticalstagesforspecifiedreflux(R>Rm)CalculateminimumrefluxratioyesCalculatefeedstagelocationCalculatecondenserandreboilerdutiesExitno(Adiabaticflashprocedure)(Underwoodeq.)(Kirkbride

eq.)(Fenske

eq.)AlgorithmformulticomponentdistillationbyFUGmethod87馏出液和釜液中组分分配的规定方式①给定LK、HK在塔顶和塔釜的回收率，用Fenske

eq.、Underwoodeq.和物料衡算直接计算。②给定LK、HK在塔顶和塔釡的含量，且LK、HK相对挥发度相邻，先按清晰分割进行物料衡算，若校核合理，则得到LK和HK的回收率；若不合理，则试差计算，直至得到合理物料分配。③给定LK、HK在塔顶和塔釡的含量，但LK、HK相对挥发度不相邻，先设定LK、HK的回收率初值，用Fenske

eq.试差计算，得到符合规定的LK、HK在塔顶和塔釡的含量。④给定LK、HK其中之一的回收率，另一个为塔顶或塔釡的含量，先假定比LK轻的组分在塔釡为零，比HK重的组分在塔顶为零，作物料衡算并进行校核。若假定合理，则得到LK和HK的回收率；若假定不合理，则进行试差计算，直至物料分配合理。88已知：精馏塔进料量=100mol/h；70℃(泡点)进料，操作压力=405.3kPa。进料组成（摩尔分数）：

正丁烷xA=0.4；正戊烷xB=0.25；正己烷xC=0.20；正庚烷xD=0.15。分离要求：正戊烷在馏出液中的回收率为90％；正己烷在釡液中的回收率为90％。计算：

(1)馏出液和釡液的流率和组成；

(2)塔顶温度和塔釡温度；

(3)最少理论板数和组分分配；

(4)最小回流比和实际回流比（R=1.5Rm）；

(5)理论板数；

(6)进料位置。89(1)馏出液和釡液的流率和组成假定清晰分割，根据回收率做物料衡算：90(2)塔顶温度和塔釡温度塔顶温度：馏出液露点温度即塔顶温度根据馏出液组成和压力进行露点温度计算塔釜温度：釜液泡点温度即塔釜温度根据釜液组成和压力进行泡点温度计算91(3)最少理论板数（Nm

）和组分分配Nm：组分分配：92(4)最小回流比（Rm）和实际回流比（R=1.5Rm）Rm：Underwoodeq.饱和液体进料，q=1R=1.5Rm93(5)理论板数NErbar-Maddox图94(6)进料位置Kirkbrideempiricalcorrelation95Summaryof3.2MulticomponentDistillation★多组分精馏过程分析（温度、浓度变化）★最小回流比（Underwoodeq.）★最少理论板数（Fenske

eq.）★实际回流比（经验R=1~1.5Rm）★理论板数（Gilliland图、Erbar-Maddox图）★简捷计算（FUG法）96普通精馏操作是分离液体混合物的最常用和有效的方法。应用范围：（1）待分离的两组分的挥发性相差较大，两组分的相对挥发度较大，根据经验相对挥发度最少应大于1.05。（2）待分离的混合物不存在恒沸点。（3）组分间无化学反应，组分不发生分解。（4）混合物各组分在一般（常压，温度不很高）条件下能够汽化和液化。973.3特殊精馏EnhancedDistillationWhentherelativevolatilityarebelow1.10,thedistillationmaybeuneconomic,andifanazeotropeformsevenimpossible,then……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，这类既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏称为特殊精馏或增强精馏。98特殊精馏的分类（1）萃取精馏（ExtractiveDistillation）*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。Thesolventishigherboiling(lessvolatility)thanthecomponentsinthefeed,andthatdoesnotformanazeotropewithanyofthem.加入的质量分离剂称为溶剂(solvent)。（2）共沸精馏（AzeotropicDistillation）*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(entrainer)。Theentraineraddedtothecolumnformsaminimum-ormaximum-boilingazeotropewithoneormorefeedcomponents.Theazeotropeisremovedfromthetoporbottom.99（3）加盐精馏（SaltDistillation）：加盐，利用盐效应使原组分的溶解行为发生变化。Avariationofextractivedistillationinwhichtherelativevolatilityofthekeycomponentsisalteredbydissolvingasoluble,ionicsaltinthetopreflux.（4）吸附精馏（AdsorptionDistillation）：加入吸附剂。Addingadsorbent.利用多孔膜。因为过程需加热，且B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膜工艺的不成熟尚无工业应用。（5）膜精馏（MembraneDistillation）：100加入C，使之与原体系中的A发生反应，从而减弱A与B的结合力。Amethodthataddsaseparatingregent(c)toreactselectivelyandreversiblywithoneormoreoftheconstituentsofthefeed.（6）反应精馏(reactivedistillation)：催化精馏(catalyticdistillation)Reactivedistillationalsoreferstothecasewhereachemicalreactionandmultistagedistillationareconductedsimultaneouslyinthesameapparatustoproduceotherchemicals.1013.3.1萃取精馏（ExtractiveDistillation）3.3.2共沸精馏（AzeotropicDistillation）知识要点：流程简析原理（质量分离剂的作用）过程分析与简捷计算质量分离剂的选择依据1023.3.1萃取精馏（ExtractiveDistillation）内容：萃取精馏的流程溶剂的作用原理和选择萃取精馏过程分析萃取精馏塔的简化计算加入的质量分离剂（溶剂）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。103一、萃取精馏的流程

ExtractiveDistillationConfiguration图3-13萃取精馏流程1--ExtractiveDistillationColumn；2—SolventRecoverycolumnFeedSolventRaffinateExtract104萃取精馏塔萃取剂回收塔补充溶剂新鲜进料循环溶剂重组分轻组分中间采出溶剂的萃取精馏流程105

Extractuvedistillationusedtoseparateazeotropesandothermixturesthathavekeycomponentswitharelativevolatilitybelowabout1.1overanappreciablerangeofconcentration.

Ifthefeedisaminimum-boilingazeotrope,asolvent,withalowervolatilitythanthekeycomponentsofthefeedmixture,isaddedtoatrayabovethefeedstageandafewtraysbelowthetopofthecolumnsothat(1)thesolventispresentinthedown-flowingliquidphasetothebottomofthecolumn,and(2)littlesolventisstrippedandlosttotheoverheadvapor.

Ifthefeedisamaximum-boilingazeotrope,thesolvententersthecolumnwiththefeed.106

Thecomponentsinthefeedmusthavedifferentaffinitiesforthesolventsothatthesolventcausesanincreaseintherelativevolatilityofthekeycomponents,totheextentthatseparationbecomesfeasibleandeconomical.

Thesolventshouldnotformanazeotropewithanycomponentsinthefeed.Generally,amolarratioofsolvent-to-feedontheorderof1isrequiredtoachievethisgoal.Thebottomsfromtheextractivedistillationcolumnisprocessedfurthertorecoverthesolventforrecycleandcompletethefeedseparation.107二、萃取精馏的原理和溶剂的选择

Extractivedistillationprinciplesandchoiceofsolvent（1）原理---溶剂的作用增大原有组分的相对挥发度。当被分离系统的非理想性不强时，溶剂的作用主要是改变原有组分的相互作用；当被分离系统的非理想性较强时，溶剂主要起稀释作用。108二、萃取精馏的原理和溶剂的选择

Extractivedistillationprinciplesandchoiceofsolvent设组分1和组分2组成的混合物，加入溶剂S进行分离。常压下的相对挥发度：液相活度系数可由三组分Margules方程求算：组分1的脱溶剂浓度x1’=x1/(x1+x2)（2）溶剂的选择性109得有溶剂存在下组分1和2间的相对挥发度：三组分物系的泡点温度无溶剂S时，xS＝0，则二组分体系的相对挥发度：二组分物系的泡点温度110若:（p1S/p2S）与温度关系不大，x1=x1’，则：溶剂的作用：改变组分间的相互作用；稀释作用。提高溶剂的选择性可以：1）提高xS，即加大溶剂用量——稀释作用；2）选择适宜溶剂，改变组分相互作用，如使A1S’变大（正偏差），A2S’变小（负偏差）。溶剂的选择性与原溶液的性质和溶剂的性质有关111对于一个具体的萃取精馏过程，溶剂对原溶液关键组分的相互作用和稀释作用是同时存在的，对相对挥发度的提高均有贡献。到底哪个作用是主要的，随溶剂的选择和原溶液的性质不同而异。112改变相互作用实例环己烷-苯共沸体系：

Cyclohexane

b.p.：80.78℃；

benzeneb.p.：80.13℃。

a.p.：77.54℃，xCH＝0.4499。物系的非理想性不大。Solvent：aniline加入苯胺后环己烷对苯的相对挥发度明显提高，特别是在原共沸点处，随溶剂浓度的增加，相对挥发度显著增大。113稀释作用实例THF-H2O共沸体系：

THFb.p.：65.97℃；

H2Ob.p.：100℃。

a.p.：63.43℃xTHF＝0.8287

物系的非理想性较大。溶剂：DMF加入DMF后THF/H2O的相对挥发度在原共沸点处，随溶剂浓度的增加显著增大。114（3）溶剂的选择（ChoiceofSolvent）1）沸点要较组分的高2）与被分离物系有较大的溶解度3）一般溶剂浓度>60%，所以成本要低4）污染小，环境友好5）易与萃取组分分离Extractivedistillationutilizesasolventtoenhancetheseparationamongchemicalspecies.Thissolventmustbecarefullychosensothatit:·hashigherboilingpointthantheothercomponents·ismisciblewiththecomponentsinthemixtures·iscosteffectivetouseinacommercialoperation·isenvironmentalbenigncompound·

iseasilyseparablefromtheextractedcomponents115溶剂的选择---极性因素选择在极性上更类似于重关键组分的化合物作溶剂，可有效减小重关键组分的挥发度。常见的有机化合物按极性增加的顺序排列为：烃→醚→醛→酮→酯→醇→二醇→（水）116塔顶---丙酮甲醇同系物（乙二醇197.2）塔底---甲醇同系物塔顶---甲醇丙酮同系物（甲基异丁基酮

115.9)塔底---丙醇同系物

两种方案比较知，选择甲醇同系物有利。因为如用丙酮的同系物作萃取剂时,该萃取剂要克服原溶液中沸点差异,使低沸点物质与萃取剂一起由塔釜排出。例:甲醇-丙酮(甲醇沸点64.7℃，丙酮沸点56.4℃)溶液具有最低共沸点（55.7℃、x(CH3OH)=0.2）？117溶剂的选择---氢键因素考虑组分间能否生成氢键。根据液体中是否具有活性氢原子和供电子原子，液体可分成五类：Ⅰ---生成三维氢键网络的液体水、乙二醇、甘油、氨基醇、含氧酸、多酚和胺基化合物等。Ⅱ---含有活性氢原子和其它供电子原子的其余液体酸、酚、醇、伯/仲胺、氨、联氨、氟化氢、氢氰酸等。Ⅲ---分子中仅含供电子原子（O，N，F），而不含活性氢原子的液体醚、酮、酚、酯、叔胺。Ⅳ---由仅含有活性氢原子，不含有供电子原子的分子组成的液体

CHC13，CH2C12，CH2Cl—CHCl2等。Ⅴ---其它液体，即不能生成氢键的化合物烃类、二硫化碳、硫醇、非金属元素等。

118溶剂的选择---氢键因素选择某溶剂来分离相对挥发度接近1的二元物系，若溶剂能与组分2生成氢键，从而降低组分2的挥发度，使组分1对组分2的相对挥发度有较大提高，则该溶剂往往是适宜的。

119溶剂的选择方法试验法：汽液平衡数据的测定和气相色谱法快速测定关键组分在溶剂中的无限稀释活度系数和选择性等。计算机辅助分子设计方法(CAMD)：①根据设计任务，设定分子筛选评价指标，即指定设计分子的关键物理性质；②预选一定结构的基团，按某种规律组合成溶剂分子；③用UNIFAC法估算溶剂分子的关键物理性质，并进行初步筛选；④修正初选合格溶剂的关键物理性质的数值，结合工艺过程的特点确定较优溶剂。120Summaryforsolventchoice基本要求：（1）选择极性类似于某一关键组分的物质作溶剂（2）溶剂与某一组分形成氢键如分离甲醇－丙酮物系其它要求：沸点足够高，不形成共沸物；与原液互溶性好，不发生化学反应；加入量不宜过大，热稳定性好，无毒，无腐蚀，价廉，易得。121三、萃取精馏过程分析ProcessAnalysis一般规律：由于溶剂的沸点高，流率大，在下流过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽，导致塔内汽相流率越往上走越小，液相流率越往下走越大。1221、液相浓度分布

2、流量分布

3、塔内溶剂含量分布1231、液相浓度分布124丙酮/甲醇萃取精馏塔内液相浓度分布图溶剂：水AcetoneMethanolH2OSolventinFeedintopbottomStagenumberLiquidmolefraction1252、流量分布精馏段：

总物料衡算：组分物料衡算：或：将上式的浓度改为脱溶剂的相对浓度：（1）FSDWnn+1n-1m-1m+1m（1）液气比126以l代表液相中原溶液组分之流率，以v代表汽相中原溶液组分之流率，即：则：当(xS

)D=0时：（2）FSDWnn+1n-1m-1m+1m127比较（1)式和（2）式：（1）（2）可得：（3）因为S为重组分，(yS)n+1<(xS)n

，所以：①溶剂存在下塔内的液汽比大于脱溶剂情况下的液汽比。FSDWnn+1n-1m-1m+1m128对溶剂作物料衡算：设Sn=Ln(xS)n，即n板下流液体中溶剂的流率：②各板下流之溶剂流率均大于加入的溶剂流率，且溶剂挥发度越大，差值也越大。FSDWnn+1n-1m-1m+1m当（xS)D=0时：可见：Sn>S（2）溶剂流率129萃取精馏中，溶剂沸点高，溶剂量大，下流过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽，使塔内流率发生明显变化。③A液相流率越往下越大。FSDWnn+1n-1m-1m+1m第n板的液相流率为：原有液体流率溶剂量溶剂温升冷凝的蒸汽量同理，可以得到提馏段第m板的液相流率为：（3）气、液相流率130精馏段的汽相流率：③B汽相流率越往下越大，即越往上越小。FSDWnn+1n-1m-1m+1m提馏段的汽相流率：131Summary：（1）溶剂存在下，塔内的液汽比大于脱溶剂情况下的液汽比；（2）各板下流的溶剂流率均大于加入的溶剂流率；（3）汽相流率、液相流率都是越往上越小。1323、塔内溶剂含量分布FSDWnn+1n-1m-1m+1m在萃取精馏塔内，由于溶剂挥发度比原溶液中各组分的挥发度低得多且用量较大，故溶剂在塔内基本维持一固定的浓度值。由于塔中部进料造成溶剂浓度在精馏段与提馏段可能有所不同。1333、塔内溶剂含量分布精馏段物料衡算：假定：1）恒摩尔流；2）（xS)D=0FSDWnn+1n-1m-1m+1m（4）（5）溶剂与原溶液之间的汽液平衡关系：（6）溶剂对非溶剂的相对挥发度

将（4）式和（5）式代入（6）消去V和yS：134表示了溶剂含量与溶剂加入量、溶剂对非溶剂的相对挥发度以及塔板间液相流率的关系。溶剂对非溶剂的相对挥发度一般很小，当≈0时：

FSDWnn+1n-1m-1m+1m（7）类似地，提馏段溶剂浓度：

（8）当≈0时：

135分析：将塔分为四部分

精馏段：FSDWnn+1n-1m-1m+1m提馏段：塔釜：溶剂回收段：当进料为饱和蒸汽时，；当进料为液相或汽液混合物时，。溶剂在塔釜中浓度有明显跃升。136四、萃取精馏过程的简化计算

Approximatecalculationforextractivedistillation

137萃取精馏过程特点：

FSDWnn+1n-1m-1m+1m（1）物系非理想性强；（2）塔内汽液相流率变化大；（3）相平衡和热量衡算关系复杂。适于用严格计算法（见第5章）。有些情况下，特别是当原溶液组分性质相近时，可按二元精馏方法，用图解法或解析法处理，使计算得以简化。138FSDWnn+1n-1m-1m+1m萃取精馏简捷计算的出发点：精馏塔内溶剂浓度保持恒定。在考虑溶剂对组分相对挥发度影响的基础上，各组分浓度为脱溶剂浓度，从而将三元精馏视为拟二元精馏过程，按二元精馏计算方法（解析法或图解法）处理，简化计算。139萃取精馏过程的简化计算FSDWnn+1n-1m-1m+1m假设：①恒摩尔流；②塔顶无溶剂馏出；③除溶剂外仅有两个待分离组分，脱溶剂物系按二元物系处理；④进塔溶剂中不含待分离组分。140萃取精馏过程的简化计算（1）操作线方程operatingline；（2）平衡关系equilibriumcurve；（3）操作回流比、理论板数、进料位置；

refluxratio,theoreticalstages,feed-stagelocation

（4）溶剂进料量solventflowrate。141精馏段：

总物料衡算：组分物料衡算：或：将上式的浓度改为脱溶剂的相对浓度：（1）FSDWnn+1n-1m-1m+1m（1）操作线方程142以l代表液相中原溶液组分之流率，以v代表汽相中原溶液组分之流率，即：则：当(xS

)D=0时：（3-20）FSDWnn+1n-1m-1m+1m精馏段操作线方程143（2）平衡关系1)计算溶剂存在下组分1对组分2的全塔平均相对挥发度(α12)S;2)绘制y’~x’平衡曲线;气液平衡曲线144（3）操作回流比、理论板数、进料位置假设进料为饱和蒸汽，在y’~x’

图上图解Rm：145（4）溶剂进料量FSDWnn+1n-1m-1m+1m溶剂对非溶剂的相对挥发度：将精馏段物料衡算式：代入溶剂与原溶液之间的汽液平衡关系：消去V和yS：146表示了溶剂含量与溶剂加入量、溶剂对非溶剂的相对挥发度以及塔板间液相流率的关系。由溶剂浓度、塔顶馏出液流率、液相流率可计算溶剂加入量。p89例3-7147五、萃取精馏实例环乙烷对苯的相对挥发度环己烷－苯的萃取精馏分离

萃取剂：糠醛糠醛组成，x00.20.60.7环乙烷／苯0.981.382.352.7148由于萃取精馏中加入了大量的萃取剂，因此有与一般精馏不同的特点。

(1)由于加入的萃取剂量很大(一般xS>0.6)，因此塔内下降的液量远远大于上升的蒸汽量，从而造成汽液接触效果不佳，故萃取精馏塔的塔板效率较低，大约为普通精馏塔的一半左右(回收段不包括在内)。在设计时应注意塔板结构及流体动力情况，避免效率过低。六、萃取精馏的几点注意事项149(2)组分间相对挥发度是借助萃取剂的加入量来调节的，随萃取剂在液相中浓度的增加，组分的相对挥发度增大。因而，当塔顶产品不合格时，不能采用加大回流比的方法来调节，因为这样会使萃取剂在塔内的浓度降低，反而易使情况更加恶化。一般的调节方法包括：①加大萃取剂用量；②减少进料量，同时减少塔顶产品的采出量。实质上是在不改变下降液量的前提下加大了回流比。六、萃取精馏的几点注意事项150(3)由于萃取剂用量较大，塔内液体的显热在全塔的热负荷中占较大比例，所以，在萃取剂加入时