多组分多级分离过程分析与简捷计算

多组分多级分离过程分析与简捷计算第1页，课件共114页，创作于2023年2月多组分精馏：

1.组分数C>22.求解数目较多方程——变量分析

3.塔内分布复杂——过程分析

4.计算简捷法：Fenske-Undewood-Gilliland法共沸精馏图解法萃取精馏简化法吸收因子法逆流萃取集团法逐板法：严格计算（非本章内容）返回第2页，课件共114页，创作于2023年2月第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第一节多组分精馏过程第二节萃取精馏和共沸精馏第3页，课件共114页，创作于2023年2月二个极限条件：计算：

1.近似（简捷）法

用于：●基础数据不全

●提供电算初值

●比较、选择方案

2.严格计算

电算（下一章）第一节多组分精馏过程第4页，课件共114页，创作于2023年2月第一节多组分精馏过程3.1.1多组分精馏过程分析3.1.2最小回流比3.1.3最少理论塔板数和组分分配3.1.4实际回流比、理论板数、进料位置返回第5页，课件共114页，创作于2023年2月3.1.1多组分精馏过程分析

一、关键组分

1.关键组分的引出一般精馏：对于设计型计算，5个可调设计变量为：

5=uaN第6页，课件共114页，创作于2023年2月

i、j为在精馏中起关键作用的组分，称关键组分。

i：挥发度大的组分，称轻关键组分，表示：LK，下标：lj：挥发度小的组分，称重关键组分，表示：HK，下标：h第7页，课件共114页，创作于2023年2月精馏塔的任务：

LK尽量多的进入塔顶馏出液；

HK尽量多的进入塔釜釜液。第8页，课件共114页，创作于2023年2月对于精馏中的非关键组分：设为非关键组分i对HK的相对挥发度。第9页，课件共114页，创作于2023年2月2.关键组分的特点◆LK和HK形成分离界线，且越小，分离越难。◆◆精馏中：

LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制；

HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制。◆只有无LNK，且较大，塔顶可采出纯LK；只有无HNK，且较大，塔釜可采出纯HK。hlahlahla第10页，课件共114页，创作于2023年2月3.关键组分的指定方法◆指定回收率

◆指定控制量hWlDjj；注意：同一组分，规定了一端的回收率，另一端的量已确定。不能重复！第11页，课件共114页，创作于2023年2月4.关键组分的指定原则

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第12页，课件共114页，创作于2023年2月二、设计计算多组分精馏过程的复杂性1.确定后，顶釜浓度未确定

物料衡算确定顶釜浓度jWDxix,二种方法：

★清晰分割法假设LNK全部从塔顶采出；假设HNK全部从塔釜采出。★非清晰分割法各组分在顶、釜都有可能存在。第13页，课件共114页，创作于2023年2月流量分布、温度分布、浓度分布复杂

★流量分布

分子汽化潜热相近，可视为恒摩尔流

例：苯—甲苯物系（图3—1）苯—甲苯—异丙苯物系（图3—2）

分子汽化潜热不相近，V、L有变化，但V/L变化不大★温度分布

泡点与组成密切相关，温度分布接近组成分布形状。（图3—3）。第14页，课件共114页，创作于2023年2月

★浓度分布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。2.对非关键组分

精馏段：HNK迅速消失；

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，在出料液中达到最高。

提馏段：LNK迅速消失；

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。第15页，课件共114页，创作于2023年2月3.关键组分

变化复杂▼若无LNK时：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现象LNK。（图3—4）▼若无HNK时：LK分别在二段出现两个最高点，HK表现象HNK。（图3—5）▼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，然后降到所规的浓度。（图3—6）返回第16页，课件共114页，创作于2023年2月3.1.2最小回流比1.时，恒浓区出现的情况mR恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域恒浓区二元精馏：恒浓区：一个，出现在进料板第17页，课件共114页，创作于2023年2月多元精馏：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和中间关键组分为分配组分；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，存在上、下恒浓区

▼所有进料组分中有非分配组分的影响

▼恒浓区位置不一定在进料板处第18页，课件共114页，创作于2023年2月只有HNK为非分配组分只有LNK为非分配组分所有组分为分配组分LNK和HNK都为非分配组分——上恒浓区——下恒浓区第19页，课件共114页，创作于2023年2月2.的计算mR采用Underwood法计算：该法假设：1.恒摩尔流

2.在全塔可看成常数hia依据：恒浓区概念关联式：相平衡、物料平衡第20页，课件共114页，创作于2023年2月Underwood公式：式中：

——i对基准组分r的相对挥发度

取基准：①最难挥发的组分（最重的组分）②HKriamDix)(,

——最小回流比操作下，i的摩尔分数，

q——进料状态参数

——方程的根，为多根方程，取qrhrlaqa>>误差：10～20%第21页，课件共114页，创作于2023年2月，最后取平均值。几个，解出之间试差出几个挥发度不相邻，可在、注意：若mrhrlRHKLKqaa,例3—1计算最小回流比已知：解：由（3—1b）试差将代入（3—1a）得306.1=mR325.1=q325.1=q返回第22页，课件共114页，创作于2023年2月3.1.3最少理论板数和组分分配1.最少理论板数特点：★F=D=W=0★L=V；L/V=1★操作线方程：★板效率最高ininxy,,1=+意义：◆操作前的准备工作◆测出mN第23页，课件共114页，创作于2023年2月采用Fenske方程求最少理论板数，推导如下：）（）（）（21+=\nBAnBAyyxx)1((nBAnABnBAxxyy）（）（）a=用（1）、（2）式推导Fenske方程：第24页，课件共114页，创作于2023年2月设塔顶采用全凝器（板序由上向下）：321）（）（）（）（BAABABDBAyyxxaa=\3222）（）（））代入：（又将（BAABBAyyyya=2221）（）（））：（又由（BAABBAxxyya=212）（）（））代入：（将（BAABDBAyyxxa=第25页，课件共114页，创作于2023年2月以次类推：WBANABNABABABDBAxxxx）（）（）（）（）（）（aaaa121-=LWBANABDBANNABNABABABABxxxx）（）（）有：（—代入式中—）（）（）（）（）取（均均aaaaaa==-121L第26页，课件共114页，创作于2023年2月Fenske方程的各种形式：第27页，课件共114页，创作于2023年2月Fenske方程说明：返回第28页，课件共114页，创作于2023年2月2.非关键组分分配第29页，课件共114页，创作于2023年2月解a，清晰分割法物料衡算HKCLKC为；为选=32WD10015015610010520020415-0.025D0.025D153（HK）0.05W35-0.05W352（LK）0551wdf组分例3—2：计算已知：1.

2.分离要求05.0025.0,,==WlDhxx和物料分配mN第30页，课件共114页，创作于2023年2月列方程；将D、W代入表中，完成物料衡算表（略）b求最少理论板数第31页，课件共114页，创作于2023年2月c核实清晰分割的合理性核算式）（hmhiiiwdNfwa+=1第32页，课件共114页，创作于2023年2月核算式）（）（hmhiihmhiiwdNfwdNdaa+=1第33页，课件共114页，创作于2023年2月不成立，须调整清晰分割假设对3C\d调整

以前面结果为初值，进行试差结果：第二次与第一次相近635.0C3=d第34页，课件共114页，创作于2023年2月例3—3：计算已知：1。

2.分离要求解：选甲苯为LK，异丙苯为HK，二甲苯为中间关键组分。物料分配时要对二甲苯试差1.设（依据相对挥发度估计）其他组分按清晰分割法处理，初算结果如下表。第35页，课件共114页，创作于2023年2月49.07150.92910039.9240.074640C（HK）9110X0.14729.85330T（LK）02020Bwdf组分第36页，课件共114页，创作于2023年2月2.

由初算结果核算1近似为0wwdxx；及是否，核算中间组分：核算LNH组分B：第37页，课件共114页，创作于2023年2月49.55450.44610039.9240.075740C（HK）9.4810.51910X0.14829.85230T（LK）02020Bwdf组分3.将代入，再次清晰分割法计算481.9519.0==xxwd，第38页，课件共114页，创作于2023年2月4.

再次核算wdxx，核算中间组分：5.重复3的计算，完善物料衡算表第39页，课件共114页，创作于2023年2月作业：

P163：6题

认真思考独立完成返回第40页，课件共114页，创作于2023年2月3.1.4实际回流比、理论板数、进料位置一、实际回流比R

由操作费、设备费确定由经验取：

R=（1.1～1.5）Rm二、理论板数1.Gilliand图和拟合形式图3-9第41页，课件共114页，创作于2023年2月用Gilliand图简便、但不准确，回归的经验式为：已知X，由（3—14）或（3—15）解出y2.ErbarandMaddox关联图：比Gilliand图精确，误差4.4%图3—10第42页，课件共114页，创作于2023年2月三、适宜进料位置的确定第43页，课件共114页，创作于2023年2月例3—4分离烃类混合物

例3—1求出Rm=1.306；

例3—2求出Nm=6.805和物料衡算表

本题求N，进料位置解：1.求RR=1.25Rm=1.634第44页，课件共114页，创作于2023年2月3、确定进料位置塔中实际板为18块第45页，课件共114页，创作于2023年2月四、不同回流比下物料分配的比较

不同回流比物料分配如图（3—12）

对于操作情况，R=(1.2～2)Rm,由Fenske方程：

[对全回流情况]结论：可用操作回流比下的物料分配，采用

Fenske方程计算Nm。第46页，课件共114页，创作于2023年2月讨论：

简捷计算法步骤有那些？第47页，课件共114页，创作于2023年2月简捷计算法步骤：1.由工艺要求选LK，HK，物料分配得出第48页，课件共114页，创作于2023年2月作业：

P164：8题

认真思考独立完成返回第49页，课件共114页，创作于2023年2月1.问题的引出分离乙醇～水混合物分离丁烯-2～丁烷问题：如何分离的混合物？第二节萃取精馏和共沸精馏第50页，课件共114页，创作于2023年2月2.特殊精馏

在和的溶液中加入一个新组分S，使它对原溶液中各组分产生不同作用，从而改变原溶液组分之间相对挥发度，使系统变的易于分离。及：特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的精馏。

原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出。

——共沸精馏，S为共沸剂

原溶液加新组分后不形成共沸物且S沸点最高，从塔釜采出

——萃取精馏，S为萃取剂或溶剂第51页，课件共114页，创作于2023年2月第二节萃取精馏和共沸精馏3.2.1萃取精馏

3.2.2共沸精馏返回第52页，课件共114页，创作于2023年2月3.2.1萃取精馏

一、流程ABSA，B特点：1.二塔串联;2.S为难挥发组分，一般在近于塔顶加入.第53页，课件共114页，创作于2023年2月二、萃取精馏原理和溶剂选择1.溶剂的作用问题：如何增加？12a第54页，课件共114页，创作于2023年2月由三元物系Margules方程：(3-19)第55页，课件共114页，创作于2023年2月将上式代入（3—18）：恢复(3-21)(3-23)第56页，课件共114页，创作于2023年2月分析（3—24）：(3-21)(3-23)(3-24)第57页，课件共114页，创作于2023年2月讨论：(3-25)第58页，课件共114页，创作于2023年2月(3—25）成立的必要条件：●●，021>-SSAA,,第59页，课件共114页，创作于2023年2月溶剂的作用：

体现：原溶液沸点差不大（）非理想性不很强时，

★

稀释原溶液：体现：当原溶液沸点差大，非理想性很强时，加S后，浓度下降，而增加，由（3—21）：小，突出了作用。★

对原溶液1、2组分产生不同的作用，提高12a返回第60页，课件共114页，创作于2023年2月补充作业：在萃取精馏中，已知60℃时：第61页，课件共114页，创作于2023年2月2.溶剂的选择考虑分子极性

选择在极性上更类似于HK的化合物作溶剂，降低HK的挥发度。

例：分离甲醇（沸点64.7℃），丙酮（沸点65.5℃）a.选烃作溶剂，丙酮为难挥发组分2；b.选水作溶剂，甲醇为难挥发组分2。极性顺序：[由小到大]第62页，课件共114页，创作于2023年2月考虑能否形成氢键S加入后形成的溶液：仅有氢键生成，则呈现负偏差；仅有氢键断裂，则呈现正偏差。（表3—2）考虑其它因素

1.沸点高、不与1、2组分共沸，不起化学反应。

2.溶解度大。

3.溶剂比（溶剂/进料）不得过大。

4.无毒、不腐蚀、低廉、易得。第63页，课件共114页，创作于2023年2月三、萃取精馏过程分析1.塔内流量分布m-1mm+1n-1nn+1FSDW设S为纯组分，在塔顶采出为0。(3-28)第64页，课件共114页，创作于2023年2月(3-31)(3-32)(3-28)(3-32)第65页，课件共114页，创作于2023年2月第66页，课件共114页，创作于2023年2月2.塔内溶剂浓度分布由于S量大，挥发性小，可视为S浓度恒定作为简化计算。第67页，课件共114页，创作于2023年2月(3-41)

(3-42)

第68页，课件共114页，创作于2023年2月分析：(3-43)(3-45)第69页，课件共114页，创作于2023年2月分析（3—43）、（3—45）：第70页，课件共114页，创作于2023年2月(3--44)第71页，课件共114页，创作于2023年2月(3-16)第72页，课件共114页，创作于2023年2月

图解法或解析法设在全塔恒定，将1、2、S三元看成1、2元处理。四、萃取精馏过程计算SxR=5FSDW例：3—5求S/F；N第73页，课件共114页，创作于2023年2月图—作xy.2要确定温度和浓度。第74页，课件共114页，创作于2023年2月浓度和温度的确定:第75页，课件共114页，创作于2023年2月第76页，课件共114页，创作于2023年2月块。求在图中作操作线方程，14=N第77页，课件共114页，创作于2023年2月7.2100270==\FS(3-43)第78页，课件共114页，创作于2023年2月补充作业：

采用溶剂S来萃取精馏组分1、2的混合物，溶剂看成不挥发的纯组分，回流比R=2.25，塔内看成恒摩尔流，露点进料（q=0），已知条件如后页；求：（1）板上溶剂浓度；（2）最少理论板数；（3）用所给式说明溶剂作用。第79页，课件共114页，创作于2023年2月

组成进料（mol分数）塔顶（mol分数）塔釜（mol分数）10.50.950.00520.50.050.095S0.00.00.9返回第80页，课件共114页，创作于2023年2月

3.2.2共沸精馏共沸物（恒沸物）：

定压下，加热溶液使之蒸发，从始到终x、y、T不变的溶液。共沸点（恒沸点）：

共沸时的温度。

对共沸物：一个汽相，一个液相，—均相一个汽相，多个液相，—非均相第81页，课件共114页，创作于2023年2月一、共沸物的特性和共沸组成的计算

科诺瓦洛夫定律指出：[适用于二元和多元]

P～x曲线极值点，相当于汽液平衡相组成相等。第82页，课件共114页，创作于2023年2月★★★第83页，课件共114页，创作于2023年2月共沸参数（x、T、P）预测：已知

x、T、P任一个参数，可求出另外二个。第84页，课件共114页，创作于2023年2月例3—6已知P=86.659kPa，求共沸时x、T。。否则重设，比较：计TPPe-≤第85页，课件共114页，创作于2023年2月另外：★★不用试差呀！第86页，课件共114页，创作于2023年2月B：二元非均相共沸物（都为正偏差共沸物）

系统正偏差较大时：形成二个液相，一个汽相共沸物。1——形成非均相共沸物。3——不形成共沸物。2——形成均相共沸物。第87页，课件共114页，创作于2023年2月适用情况：第88页，课件共114页，创作于2023年2月若互溶度很小：★★第89页，课件共114页，创作于2023年2月平衡计算：同时考虑：1.汽液平衡；2.液液平衡No(3-54)(3-55)第90页，课件共114页，创作于2023年2月2.三元系科诺瓦洛夫定律也能应用A：相图（立体图）

P—x图：1.三侧面表示三个二元系P(T)-x图。2.理想系，压力面是平面；正偏差物系，压力面位于平面之上；负偏差物系，压力面位于平面之下。3.三元共沸点对应压力极值点。4.用平行于底面的平面切割压力（温度）面。得到一系列等压（等温）曲线。第91页，课件共114页，创作于2023年2月第92页，课件共114页，创作于2023年2月B；脊、谷、鞍点设m—正偏差共沸物，（或最低共沸物）

M—负偏差共沸物，（或最高共沸物）对于压力面：

★三个二元m(或M),有三元共沸物存在.(图3—19)

★二个m，或一个m与一个低沸点组分，使压力面产生脊；二个M，或一个M与一个高沸点组分，使压力面产生谷。（图3—20）★有脊又有谷，会出现鞍点，为鞍点共沸物.(图3—21)第93页，课件共114页，创作于2023年2月C：三元均相共沸组成的计算(3-56)(3-57)(3-58)第94页，课件共114页，创作于2023年2月二、共沸剂的选择一般原则:1.分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物

a.共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物。

b.分别与两组分形成二元正偏差共沸物，且共沸点有明显差别。

c.与两组分形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。2.分离二元正偏差共沸物

a.共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物，共沸温度明显低。

b.形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。第95页，课件共114页，创作于2023年2月例1.分离环己烷(1)—苯(2),共沸剂的选取。

沸点：T1=80.8℃T2=80.2℃

特点：1、2形成正偏差（或最低）共沸物

（共沸点：T=77.4℃X2=0.54）方法：

1.找出与1、2形成共沸物的物质。

2.筛选在所有能形成共沸物的物质中选出共沸点低于77.4℃的物质。（丙酮、甲醇）

3.相图分析确定：第96页，课件共114页，创作于2023年2月分离情况：丙酮作共沸剂，塔顶分出环己烷与丙酮；甲醇作共沸剂，塔顶分出三元共沸物。结论：选丙酮为共沸剂。第97页，课件共114页，创作于2023年2月例2.分离氯仿(沸点61.2℃)

丙酮(沸点56.4℃),共沸剂的选取。特点：形成负偏差共沸物。选二硫化碳为共沸剂：塔顶：二硫化碳—丙酮共沸点；39.3℃塔釜：

较纯的氯仿。第98页，课件共114页，创作于2023年2月例3.分离乙醇—水,共沸剂的选取。特点：形成一个三元共沸物，三个二元共沸物。选苯为共沸剂：苯、醇、水三元共沸物纯乙醇水+乙醇水+乙醇共沸物水+乙醇主塔苯回收塔乙醇回收塔纯水第99页，课件共114页，创作于2023年2月总之：

1.显著影响1、2组分平衡关系

2.S易回收、分离

3.量少、汽化潜热小

4.溶解度大、不起化学反应

5.无腐蚀、无毒

6.价廉、易得。第100页，课件共114页，创作于2023年2月相图：101.3kPa0.7MPa三、分离共沸物的双压精馏过程

利用不同压力下，共沸组成不同分离。例：分离甲乙酮—水共沸物共沸物1常压2加压F水MEK工艺流程图：第101页，课件共114页，创作于2023年2月物料衡算：二个塔作一个整体用高。（循环量）大，操作费小，式中：2,1,121DxxDD-第102页，课件共114页，创作于2023年2月四、二元非均相共