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1、 化工分离过程化工分离过程 Chemical Separation Processes第三章第三章 多组分多级分离过程多组分多级分离过程 分析与简捷计算分析与简捷计算1第三章第三章 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2第三章第三章 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多组分精馏：多组分精馏：1.组分数组分数 c22.求解的变量数目较多求解的变量数目较多变量分析变量分析3.塔内分布复杂塔内分布复杂过程分析过程分析4.计算计算 简捷法：简捷法：芬斯克芬斯克恩德伍德恩德伍德吉利兰法（吉利兰法（FUG）萃取精馏简化法萃取精馏简化法 共沸精馏图解
2、法共沸精馏图解法 吸收因子法吸收因子法 逆流萃取集团法逆流萃取集团法 逐板法：严格计算法（第四章内容）逐板法：严格计算法（第四章内容）3第三章第三章 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3.1 设计变量设计变量3.2 多组分精馏过程（普通精馏）多组分精馏过程（普通精馏）3.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 3.2.2 最小回流比最小回流比 3.2.3 最少理论塔板数和组分分配最少理论塔板数和组分分配 3.2.4 实际回流比和理论板数实际回流比和理论板数3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏）萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏）3.4 吸收和蒸出（解吸）过程吸收和
3、蒸出（解吸）过程3.5 萃取过程萃取过程 43.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析v简单蒸馏以及二组分精馏的原理图简单蒸馏以及二组分精馏的原理图v关键组分关键组分(Key Components)v清晰分割清晰分割v多组分精馏过程的复杂性多组分精馏过程的复杂性 二组分精馏实例：苯甲苯二组分精馏实例：苯甲苯 三组分精馏实例：苯三组分精馏实例：苯(LK)甲苯甲苯(HK)异丙苯异丙苯 四组分精馏实例：苯甲苯四组分精馏实例：苯甲苯(LK)二甲苯二甲苯(HK)-异丙苯异丙苯v多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别53.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏
4、过程分析 简单蒸馏简单蒸馏只能把双液组分系统中的只能把双液组分系统中的A和和B粗略分开粗略分开。1 在在A和和B的的T-x图上，纯图上，纯A的沸点高于纯的沸点高于纯B的沸点。的沸点。3 一次简单蒸馏，一次简单蒸馏，馏出物馏出物中中B含量含量会显著增加，会显著增加，剩余液剩余液体中体中A组分组分会增多。会增多。2 则蒸馏时则蒸馏时汽相中汽相中B组分组分的含量较高的含量较高，液相中，液相中A组组分的含量较高。分的含量较高。63.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析简单蒸馏的简单蒸馏的T-x-y图图1 混合物起始组成为混合物起始组成为x12 加热到温度为加热到温度为T13 对应汽相组成为对应
5、汽相组成为y14 温度升高到温度升高到T25 对应液相组成为对应液相组成为x2汽相组成为汽相组成为y2一次简单蒸馏一次简单蒸馏接收在接收在T1到到T2间的馏出物，间的馏出物，馏出物组成从馏出物组成从y1 到到y2，剩余物组成为，剩余物组成为x2。73.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 精馏精馏是多次简单蒸馏的组合。是多次简单蒸馏的组合。精馏塔精馏塔底部是加热区底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，精馏结果，塔顶塔顶冷凝收冷凝收集的是集的是低沸点组分低沸点组分，高沸高沸点组分点组分则留在则留在塔底塔底。83.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分
6、析二组分精馏原理图二组分精馏原理图1 从塔的中间从塔的中间O点进料；点进料；2 组分组分B的液、汽相组的液、汽相组成分别为成分别为 x3 和和 y3；5 越往越往塔底塔底温度越高，温度越高，含含高沸点物质递增高沸点物质递增。4 越往越往塔顶塔顶温度越低，温度越低，含含低沸点物质递增低沸点物质递增；3 每层塔板都经历每层塔板都经历部分部分 汽化汽化和和部分冷凝部分冷凝过程；过程；93.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析关键组分关键组分关键组分关键组分(Key Components)(Key Components)精馏装置的设计变量精馏装置的设计变量:可调设计变量可调设计变量=串级数串级
7、数(2)+分配器分配器(1)+侧线采出侧线采出(0)+传传热单元热单元(2)=5(无论有多少个组分无论有多少个组分)已指定可调设计变量已指定可调设计变量:1 进料位置进料位置2 回流比回流比3 全凝器饱和液体回流或冷凝器全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度的传热面积或馏出液温度剩余的两个可调设计变剩余的两个可调设计变量：一般用来指定某个量：一般用来指定某个组分在馏出液中的浓度组分在馏出液中的浓度和另外一个组分在釜液和另外一个组分在釜液中的浓度。中的浓度。103.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 对于多组分精馏，对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是待定的可调设计变量数
8、仍是2，所以只，所以只能指定能指定两个组分的浓度两个组分的浓度，通常，把由设计者指定分离要求的，通常，把由设计者指定分离要求的这这2个组分称为个组分称为关键组分关键组分。其中其中 相对易挥发的组分称为相对易挥发的组分称为轻关键组分（轻关键组分（LK）相对不易挥发的组分称为相对不易挥发的组分称为重关键组分（重关键组分（HK）设设ih为非关键组分为非关键组分i对对HK的相对挥发度。的相对挥发度。113.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析多多组组分分精精馏馏物物系系组组成成轻非关键组分（轻非关键组分（LNK），轻组分），轻组分轻关键组分（轻关键组分（LK）中间组分中间组分重关键组分（重关键
9、组分（HK）重非关键组分（重非关键组分（HNK），重组分），重组分挥挥发发性性降降低低123.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析关键组分的特点关键组分的特点vLK和和HK形成分离界限，且形成分离界限，且lh越小越小，分离越难分离越难。v1v精馏塔的任务：精馏塔的任务：使使LK尽量多地进入馏出液，要严格控制其在釜液中的量；尽量多地进入馏出液，要严格控制其在釜液中的量；使使HK尽量多地进入釜液，要严格控制其在馏出液中的量。尽量多地进入釜液，要严格控制其在馏出液中的量。只有无只有无LNK，且，且lh较大，塔顶可采出近于纯较大，塔顶可采出近于纯LK；只有无只有无HNK，且，且lh较大，塔釜可
10、采出近于纯较大，塔釜可采出近于纯HK。133.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 注注意意：同同一一组组分分规规 定定了了一一端端回回收收率率，另另一一端端的的量量已已确确定。不能重复！定。不能重复！指定回收率指定回收率 指定控制量指定控制量关键组分的指定方法关键组分的指定方法143.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析v由工艺要求决定由工艺要求决定v例：例：ABCD（按挥发度依次减少排列）（按挥发度依次减少排列）混合物分离混合物分离v工艺要求按工艺要求按AB与与CD分开：分开：则：则：B为为LK；C为为HKv工艺要求先分出工艺要求先分出A：则：则：A为为LK；B为为HK关键
11、组分的指定原则关键组分的指定原则153.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 清晰分割清晰分割馏出液馏出液中除了重关键组分中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分；之外，没有其它重组分；釜液釜液中除了轻关键组分中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。之外，没有其它轻组分。那么，根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为那么，根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为分配组分分配组分和和非分配组分非分配组分。例：例：A、B、C、D 挥发性逐渐减小，挥发性逐渐减小，精馏工艺要求按精馏工艺要求按AB与与CD分开。分开。则：则：B为为LK；C为为HK；A为为LNK；D为为HNK。ABCD
12、BCDABCB和和C在塔顶和塔釜均出现，为分配组分；在塔顶和塔釜均出现，为分配组分；A和和D仅在塔顶或塔釜出现，为非分配组分。仅在塔顶或塔釜出现，为非分配组分。163.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析对于对于二组分精馏二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一端出，设计变量被确定后，可从任一端出发，作发，作逐板计算逐板计算，无需试差无需试差。对于对于多组分精馏多组分精馏，由于不能指定全部组成，所以需先，由于不能指定全部组成，所以需先假设一端的组成假设一端的组成，再通过，再通过反复试差反复试差求解。求解。下面通过实例分别对二组分精馏和多组分精馏过下面通过实例分别对二组分精馏和多组分精馏过
13、程分析进行比较。程分析进行比较。173.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析图图3-4 二组分精馏：苯甲苯二组分精馏：苯甲苯流率、温度、浓度分布流率、温度、浓度分布v除除进料板进料板处液体流率有突变处液体流率有突变之外，各段的摩尔流率基本之外，各段的摩尔流率基本为常数，可视为为常数，可视为恒摩尔流恒摩尔流。v液体组成液体组成的变化在塔顶部较的变化在塔顶部较缓慢，随后较快，接近于进缓慢，随后较快，接近于进料板处又较缓慢。进料板下，料板处又较缓慢。进料板下，情况相似。情况相似。v由于泡点和组成密切相关，由于泡点和组成密切相关，温度分布图温度分布图与与浓度分布图浓度分布图形形状相似。状相似。
14、183.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 图图3-5 三组分精馏流量分布三组分精馏流量分布 图图3-6三组分精馏温度分布三组分精馏温度分布v分子汽化潜热不相近，分子汽化潜热不相近，V、L有变化，但有变化，但V/L接近于常数。接近于常数。v由于非关键组分的存在，在进料板和塔底温度变化较快，由于非关键组分的存在，在进料板和塔底温度变化较快，全塔的温度跨度加宽。全塔的温度跨度加宽。三组分精馏实例：苯三组分精馏实例：苯三组分精馏实例：苯三组分精馏实例：苯(LK)(LK)甲苯甲苯甲苯甲苯(HK)(HK)异丙苯异丙苯异丙苯异丙苯193.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析v苯苯为为LK
15、，从从塔塔底底到到塔塔顶顶，LK浓浓度度逐逐渐渐升升高高，在在塔塔顶顶浓浓度度接接近于近于1。v异异丙丙苯苯为为HNK，由由于于其其相相对对挥挥发发度度较较其其他他组组分分小小得得多多，在在进进料料板板以以上上会会迅迅速速消消失失，最最后后全全部进入塔釜。部进入塔釜。v甲甲苯苯为为HK，其其浓浓度度分分布布曲曲线线十十分分复复杂杂，这这需需要要通通过过分分析析在在每每一一塔塔段段要要分分离离的的是是哪哪两两个个组组分分来解释来解释HK浓度变化的行为。浓度变化的行为。图图3-7 苯苯苯苯(LK)(LK)甲苯甲苯甲苯甲苯(HK)(HK)异丙苯异丙苯异丙苯异丙苯液相浓度分布液相浓度分布液相浓度分布液
16、相浓度分布203.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析v甲甲苯苯为为LK，二二甲甲苯苯为为HK，两两者者的的浓浓度度分分布布曲曲线线变变化化规规律律相相同，方向相反。同，方向相反。v在在塔塔底底处处，主主要要分分离离HK和和HNK，所所以以此此处处HK浓浓度度向向上上增增大大；同同理理，在在塔塔顶顶处处，主主要要分分离离LK和和LNK，所所以以此此处处LK浓度向上减小。浓度向上减小。v苯苯为为LNK，在在进进料料板板以以下下浓浓度度快快速速减减小小，最最终终全全部部进进入入塔塔顶顶；异异丙丙苯苯为为HNK，在在进进料料板板以以上上浓浓度度快快速速减减小小，最最终终全全部部进进入入塔釜。
17、塔釜。图图3-9 苯甲苯苯甲苯苯甲苯苯甲苯(LK)(LK)二甲苯二甲苯二甲苯二甲苯(HK)-(HK)-异丙异丙异丙异丙苯液相浓度分布苯液相浓度分布苯液相浓度分布苯液相浓度分布213.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析2、非关键组分非关键组分精馏段：精馏段：HNK迅速消失；迅速消失；（图（图3-7、3-9）LNK以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现，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，在馏出液中达到最高。接近顶部急剧增加，在馏出液中达到最高。（图（图3-8、3-9）提馏段：提馏段：LNK迅速消失；迅速消失；（图（图3-8、3-9）HNK在再沸器中浓度最高，从釜向
18、上几板下降较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。大，然后变化不大，一直延伸到进料板。（图（图3-7、3-9）1、进料板进料板附近各组分浓度变化较大，原因是引入的组分包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。含全部组成。多组分精馏浓度分布的特点：多组分精馏浓度分布的特点：多组分精馏浓度分布的特点：多组分精馏浓度分布的特点：223.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析2、关键组分关键组分 若若无无HNK：LK分别在二段出现两个最高点，分别在二段出现两个最高点，HK表现像表现像HNK。（图（图3-8）有有LNK、HNK，且都不同时出现在顶、
19、釜时：，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；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，然后降到所规定的浓度。在提馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度。（图（图3-9）若若无无LNK：HK分别在二段出现两个最高点，分别在二段出现两个最高点，LK表现像表现像LNK。（图（图3-7）233.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析（2）非关键组分非关键组分通常是通常是非分配的非分配的，即重组分通常仅，即重组分通常仅 出现在釜液中，轻组分仅出现在馏出液中；出现在釜液中，轻组分仅出现在馏出液中；（3）重、轻非关键组分重、轻非
20、关键组分分别在进料板下、上形成几分别在进料板下、上形成几 乎乎恒浓的区域恒浓的区域；（4）全部组分均存在于进料板上，但）全部组分均存在于进料板上，但进料板浓度进料板浓度不不 等于等于进料浓度进料浓度。（1）多组分精馏多组分精馏中，中，关键组分关键组分的的浓度浓度分布有分布有极大值极大值。多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别：243.2.2 最小回流比最小回流比恒浓区恒浓区精馏塔中浓度几乎不变的区域精馏塔中浓度几乎不变的区域二组分精馏：二组分精馏：最小回流比下，最小回
21、流比下，进料板上下进料板上下出现恒浓区域或出现恒浓区域或称夹点区。称夹点区。253.2.2 最小回流比最小回流比多组分精馏的特点多组分精馏的特点v定义：定义：顶釜同时出现顶釜同时出现的组分的组分分配分配组分组分 只在顶或釜出现只在顶或釜出现的组分的组分非分配非分配组分组分v一般：一般：LK、HK和中间组分和中间组分为分配组分；为分配组分；v非关键组分非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。可以是分配组分，也可以是非分配组分。v多元精馏特点：多元精馏特点：各组分相互影响，最小回流比下，存在上、下恒浓区；各组分相互影响，最小回流比下，存在上、下恒浓区；所有进料组分受非分配组分的影响，所有进料
22、组分受非分配组分的影响，恒浓区位置不一定在进料板处。恒浓区位置不一定在进料板处。263.2.2 最小回流比最小回流比多组分精馏中的恒浓区多组分精馏中的恒浓区（1）轻、重组分均为非分配组分：）轻、重组分均为非分配组分：进料板以上必须紧接着有若干塔板使重组分的浓度降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。精馏塔段的中部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。273.2.2 最小回流比最小回流比图图3-10a图图3-11 最小回流比下，沿塔高的最
23、小回流比下，沿塔高的汽相浓度分布图汽相浓度分布图283.2.2 最小回流比最小回流比（2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：）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，轻组分为非分配组分：）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：293.2.2 最小回流比最小回流比（4）轻、重组分均为分配组分：）轻、重组分均为分配组分：最小回流比条件下会出最小回流比条件下会出现恒浓区，区内无分离现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板。效果，需无穷多理论板。如何计算最小回流比？如何计算最小回流比？303.2.2 最小回流比最小回流比计算最小回流比的计算最小回流比的Underwood（恩德
24、伍德）（恩德伍德）公式：公式：Underwood（恩德伍德）（恩德伍德）公式：公式：（3-3a）假设：假设：1、各组分相对挥发度是常数；、各组分相对挥发度是常数；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。（3-3b）313.2.2 最小回流比最小回流比Underwood（恩德伍德）（恩德伍德）公式中参数的含义：公式中参数的含义：（3-3a）（3-3b）i 组分组分i 的相对挥发度；的相对挥发度；(xiD)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的摩尔分数；的摩尔分数；xiF 进料中组分进料中组分i的摩尔分数；的摩尔分数；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，对于方程的根，对于c组分系统有组分系统有c个根，个根，取取 LK HK的根的根。以全回流下的以全回流下的xiD代替代替323.2.2 最小回流比最小回流比最小回流比最小回流比Rm的解法：的解法：1.在在 lr,hr中设中设 值值 试差确定试差确定 值；值；2.将将 值代入（值代入（3-3a）式）式 Rm。（3-3b）参见例参见例3-1注意：若注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在挥发度不相邻，可在 lr,hr之间试差之间试差出几个出几个 值，解出几个值，解出几个Rm，然后取平均值。，然后取平均值。33阅读课本阅读课本 巩固知识巩固知识34