第三章 多组分精馏
第3章多组分精馏
2、溶剂的选择性：当原有两组分 A和B的沸点相近， 非理想性不大，加入溶剂后，溶剂与A形成具有较强 正偏差的非理想溶液，与B 形成负偏差溶液或理想溶 液，从而提高了A对B的相对挥发度。溶剂的作用在 于对不同组分相互作用的强弱有较大差异。
在同样压力下，共沸精馏的操作温度通常比萃取精 馏低，故共沸精馏更适用于分离热敏性物料；
共沸精馏可连续操作，也可间歇操作，萃取精馏一 般只能连续操作。
2021年6月
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二、特殊精馏简介
3、反应精馏
1）加入C物质，使之与原体系中的A发生反应，从 而削弱A与B的结合力。
通过反应强化分离
2）反应与分离在塔内同时进行，生产另一种物质 的过程-耦合技术。如乙醇、乙酸反应生成乙酸乙 酯与水，是可逆反应。在塔内反应的同时，将产物 从塔顶采出，提高了反应转化率。
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一、萃取精馏流程
溶剂的加入位置： 1）若加料混合物是最低 恒沸物，一般在进料口 以上，塔顶几块板下加 入。溶剂进口以上部分 称为溶剂回收段。 2）若进料是最高恒沸物， 溶剂与加料一块加入。
加入位置还与萃取剂的 性质有关。
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二、萃取原理-溶剂的作用
-增大原有组分的相对挥发度
A2s
如果 xs =0
ln(
1 2
)
s
A21 1 2x1
或
ln = ln(
p
s 1
ps2
)T2
A21 1 2x1
忽略温度对蒸汽压比值的影响，在x1 x1时，可得出：
多组分精馏专
3.3 最少理论板数 Nmin
精馏塔在操作过程中，将塔顶蒸气全部冷凝， 精馏塔在操作过程中，将塔顶蒸气全部冷凝，其 凝液全部返回塔顶作为回流，称此操作为全回流， 凝液全部返回塔顶作为回流，称此操作为全回流，回 流比R为无穷大（R=∞）。 此时通常不进料，塔顶、 流比R 为无穷大（ R=∞） 此时通常不进料， 塔顶 、 塔底不采出。故精馏塔内气、液两相流量相等， 塔底不采出 。 故精馏塔内气 、 液两相流量相等 ， L = 两操作线效率均为1 并与对角线重合。 V，两操作线效率均为1，并与对角线重合。由于全回 流操作时，使每块理论板分离能力达到最大， 流操作时，使每块理论板分离能力达到最大，完成相 同的分离要求，所需理论板数最少， 同的分离要求，所需理论板数最少，并称其为最小理 论板数Nmin 。
即
ϕ l＝DxD,l/Fzl
某精馏塔进料中含n-C600.33， n［ 例 ］ ： 某精馏塔进料中含 ， C700.33， n-C800.34。 要求馏出液中 ， 。 要求馏出液中n- C70 含量不大于0.011，釜液中 含量不大于 ，釜液中n-C60含量不大于 0.015(以上均为摩尔分数 。 若进料流率为 以上均为摩尔分数)。 以上均为摩尔分数 100kmol／h，试求馏出液和釜液的流量及 ／ ， 组成。 组成。
W,x W,i ,w i
总物料衡算式： 总物料衡算式： F=D+W 组分物料衡算式： 组分物料衡算式： fi=di+wi 对于轻组分i w =0； 对于轻组分i： i=0；di=fi 对于重组分j：j=0；wj=fj 对于重组分j d =0； 馏出液的流量 D=∑di+dl+dh=∑fi+dl+dh 塔釜液流量 W=∑wj+wl+wh=∑fj+wl+wh 1≤i≤l－ 1≤i≤l－1 h+1≤j≤c
第三章多组分精馏
第三章多组分精馏⼀、填空题1、仅在塔顶或塔釜出现的组分为（）。
2、在多组分精馏过程中，全回流时所需理论板数（），在最⼩回流⽐下所需理论板数（）。
3、萃取精馏塔在萃取剂加⼊⼝以上需设（）。
4、恒沸精馏过程恒沸剂的加⼊不仅影响原溶液组分( )，同时与原溶液中的⼀个或⼏个组分形成恒沸物，当形成最低温度的恒沸物时恒沸剂从塔（）出来。
5、关键组分中，挥发度⼤的组分为（）；挥发度⼩的组分为（）。
6、清晰分隔法的假设为（），（）。
7、在多组分精馏过程中，由芬斯克公式计算的最少理论板数决定于两组分的分离要求和（），与进料组成（）。
8、萃取精馏是指原溶液加⼊新组分后不形成共沸物且S 沸点（），从（）采出。
9、多组分精馏中，关键组分是指（）的组分。
10、常⽤吸附剂有（），（），（），（）。
⼆、单项选择题1、多组分精馏中，若轻重组分均为⾮分配组分，则恒浓区出现在：( )(A) 精馏段和提馏段中部 (B) 精馏段中部和板下紧靠进料板处(C) 板上仅紧进料板处和提馏段中部 (D) 板上、下紧靠进料板处2、对⼆元均相共沸物，s i P 相差增⼤，最低共沸物向哪个区移动：( )(A) ⾼沸点组分多浓度区 (B) 低沸点组分多浓度区(C) ⾼沸点组分低浓度区 (D) 低沸点组分低浓度区3、在均相恒沸物条件下，活度系数和压⼒关系为：( ) (A) 1221γγ=s s p p (B) 2121γγ=s s p p (C) 1221γγ≥s s p p (D) 2 121γγ≤s s p p4、多组分精馏中，若轻重组分均为分配组分，则恒浓区出现在:( )(A) 精馏段和提馏段中部 (B) 精馏段中部和板下紧靠进料板处(C) 板上仅紧进料板处和提馏段中部 (D) 板上、下紧靠进料板处5、萃取精馏塔内⽓液相流率的分布规律为:( )(A) 从上到下⽓液相流率逐渐增⼤，液相流率远⼤于⽓相流率(B) 从上到下⽓液相流率逐渐减⼩，液相流率远⼤于⽓相流率(C) 从上到下液相流率增⼤，⽓相流率减⼩，液相流率⼩于⽓相流率(D) 不确定6、下列不属于以压⼒差为推动⼒的膜分离技术为:( )(A) 微滤 (B) 超滤 (C) 反渗透 (D) 渗析7、液相进料的萃取精馏过程，应该从何处加萃取剂：( )(A) 精馏段 (B) 提馏段 (C) 精馏段和进料处 (D) 提馏段和进料板8、当萃取塔塔顶产品不合格时，可采⽤下列⽅法来调节：( )(A) 加⼤回流⽐ (B) 加⼤萃取剂⽤量(C) 增加进料量 (D) 减⼩萃取剂⽤量9. 吉利兰关联图，关联了四个物理量之间的关系，下列哪个不是其中之⼀:( )(A) 最少理论板书 (B) 最⼩回流⽐(C) 压⼒ (D) 理论板书三、简答题1、试分析多组分精馏在最⼩回流情况下，恒浓区出现的位置。
第三章 精 馏(分离工程,叶庆国)
3.1 多组分精馏
3.1.1 多组分精馏过程分析
3.1.2 多组分精馏的简捷（群法）计算法
精馏：distillation
精馏是多组分分离中最常见的单元操作，它
是利用组分挥发度差异，借助“回流”技术 实现混合液高纯度分离的多级分离操作，即 同时进行多次部分气化和部分冷凝的过程。 实现精馏操作的主体设备是精馏塔。
Nm
L K , D H K ,W lg (1 L K , D )(1 H K , w )
lg L K H K
Fenske公式计算Nm注意事项
• Fenske公式适用于双组份精馏，也适用于多 组分精馏（可以用一对关键组分来求，也可 用任意两组份来求）。 Nm与进料状态、组成的表示方式无关
i ,n i ,n i ,n
Fenske公式计算Nm
对于任意组分
塔顶为全凝器：x i , D 第一个平衡级 平衡关系：y i ,1 K i ,1 x i ,1 操作关系：x i ,1 y i , 2 联立两式：y i ,1
K i ,1 y i , 2
y i ,l
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。
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
分配与非分配组分
根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为分配 组分(distributing component)和非分配组分 (nondistribution component)。 分配组分：塔顶、塔底同时出现 非分配组分：只在塔顶活塔底出现的组分
第三章_多组分精馏
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
设计变量数分为： Nie = NXe － Nae
固定设计变量数NXe 进料物流变量数＋系统压力； 可调设计变量数Nae 除NXe 的其他变量数。
往往对此感兴趣！
例1中分配器： N e = 1 C + 2） 1 = C + 3 （ + x e e N a = N i - N e = C + 4） C + 3） 1 （ = x （
传热单元数目
合计
2
7
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
3.1 多组分精馏过程
3.2.1 多组分精馏过程分析
3.2.2 最小回流比
3.2.3 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 3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法
进料 每级压力（包括再沸器）
全凝器压力 回流分配器压力 合计
C+2 N
1 1 C+N+4
回流温度
理论板数
1
1
进料位置
（D/F）
1
1
（LN+1 D）
合计
1
5
化工分离工程
第三章 多组分精馏和特殊精馏
对精馏塔归纳出简便、可靠的确定设计变量的方法： （1）按每一单相物流有（C+2）个变量，计算由 进料物流所确定的固定设计变量数。 （2）确定装置中具有不同压力的数目。 （3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。
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！
第三章-多组分精馏
3.2.4 实际回流比和理论板数
用Underwood方程求出Rm 后，实际回流比R一般 取作1.30Rm。
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：
Gilliland图、Erbar-Maddox图。
适用于相对挥发度 变化不大的情况
适用于非理想性 较大的情况
32
图3-9 Gilliland图
35
3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法 精馏简捷计算 ——FUG法
Fenske
Underwood Gilliland
Nm
Rm
R、N
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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 （泡、露点计算）
在塔压下作闪蒸计算
（绝热闪蒸计算）
计算最少理论板数和非关键组分的分离程度
多组分精馏 物系组成
轻非关键组分（LNK），轻组分 轻关键组分（LK） 中间组分
重关键组分（HK） 重非关键组分（HNK），重组分
非分配组分：只在塔顶或塔釜出现的组分； 分配组分：在塔顶和塔釜均出现的组分。 11
3.2.2 最小回流比（Rm）
二组分精馏： 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或夹点。
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讨论与分析：
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。
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，再校验是否清晰 分割。
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。
3.1 多组分精馏过程
轻组分恒浓区
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3.1.2 最小回流比（Rm）
（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，轻组分为非分配组分：
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3.1.2 最小回流比（Rm）
（4）轻、重组分均为分配组分：
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。 如何计算最小回流比？
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3.1.2 最小回流比（Rm）
3.1.2 最小回流比（Rm）
为完成某一分离任务，所需的理论塔板数为无穷多
时的回流比称为最小回流比。
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
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。
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3.1.2 最小回流比（Rm）
一、关键组分（Key Components）
串级数(2) 分配器(1) 侧线采出(0) 传热单元(2)
Na=5
F
已被指定的可调变量：
余下的2个可调
（1）进料位置；（2）回流比；
（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。
设计变量往往用来 指定组分在馏出液 和釜液中的浓度。
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3.1.1 多组分精馏过程分析
第三章 多组分精馏和特殊精馏
3.1 多组分精馏过程 ★ 3.2 萃取精馏和共沸精馏 ★ 3.3 反应精馏
3.4 加盐精馏
重点-多组分多级分离过程分析和简捷计算!
3.1 多组分精馏过程
3.1 多组分精馏过程
3.1.1 多组分精馏过程分析
1 、关键组分 2、 组分在塔顶、塔底产品中的预分配 3 、多组分精馏过程特征
化工分离工程第3章 多组分精馏2
FLGC
3.3.6 共沸与萃取精馏比较
共同点: 加入溶剂S， 萃取精馏的优点：
12 / s
(1) 因萃取精馏溶剂沸点高，溶剂可从塔顶或附近加入，使
全塔的相对挥发度都得到提高。
(2) 萃取精馏溶剂在塔内基本上不挥发，能量消耗少。而共
沸精馏中共沸剂与原料组分同时气化，消耗能量。
(3) 共沸精馏由于必须形成共沸物，因而可供选择的共沸剂
FLGC
特殊精馏
• 普通精馏不适合于以下状况的物料： 1、相对挥发度接近1的组分； 2、待分离组分间形成共沸物； 3、待分离组分是热敏物质； 4、待分离组分是难挥发组分，且含量低。
特殊精馏——利用加入热能和质量分离剂以增加原有组 分间的相对挥发度值的精馏方法。
FLGC
常用的特殊精馏方法
• 共沸精馏——如果加入的第三组分能和被分离物系中一个 或几个组分形成共沸物时，第三组分以共沸物的形式从精 馏塔塔顶蒸出。所加入的新组分称为共沸剂。
方案2：选择丙酮的同系物，则塔顶产物为甲醇，塔釜为丙酮及同
系物
哪个更好？
FLGC
（2）从分子结构相似（或极性相似）的概念选择溶剂 常见有机化合物按极性增加的顺序排列为： 烃→醚→醛→酮→醇→二醇→水 应选择在极性上更类似于重关键组分的化合物为溶剂， 可以有效的减小重关键组分的挥发度！
同样如甲醇（沸点64.7）—丙酮（沸点56.5）体系 选烃为溶剂，烃与丙酮极性相似，塔顶产物为甲醇，塔
FLGC
萃取精馏的注意事项：
（1）由于加入的萃取剂是大量的（一般要求xs>0.6）,因此塔内下 降液量远大于上升蒸汽量，造成汽液接触不佳，故萃取精馏塔 的塔板效率低，大约为普通精馏的一半左右(回收段不包括在 内)。设计时要考虑塔板及流体动力情况。
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一、填空题
1、 仅在塔顶或塔釜出现的组分为（ ）。
2、 在多组分精馏过程中，全回流时所需理论板数（ ），在最小回流比下所需理论板数
（ ）。
3、 萃取精馏塔在萃取剂加入口以上需设（ ）。
4、 恒沸精馏过程恒沸剂的加入不仅影响原溶液组分( )，同时与原溶液中的一个或几
个组分形成恒沸物，当形成最低温度的恒沸物时恒沸剂从塔（ ）出来。
5、 关键组分中，挥发度大的组分为（ ）；挥发度小的组分为（ ）。
6、 清晰分隔法的假设为（ ），（ ）。
7、 在多组分精馏过程中，由芬斯克公式计算的最少理论板数决定于两组分的分离要求和
（ ），与进料组成（ ）。
8、 萃取精馏是指原溶液加入新组分后不形成共沸物且S 沸点（ ），从（ ）
采出。
9、 多组分精馏中，关键组分是指（ ）的组分。
10、 常用吸附剂有（ ），（ ），（ ），（ ）。
二、单项选择题
1、 多组分精馏中，若轻重组分均为非分配组分，则恒浓区出现在：( )
(A) 精馏段和提馏段中部 (B) 精馏段中部和板下紧靠进料板处
(C) 板上仅紧进料板处和提馏段中部 (D) 板上、下紧靠进料板处
2、 对二元均相共沸物，s i P 相差增大，最低共沸物向哪个区移动：( )
(A) 高沸点组分多浓度区 (B) 低沸点组分多浓度区
(C) 高沸点组分低浓度区 (D) 低沸点组分低浓度区
3、 在均相恒沸物条件下，活度系数和压力关系为：( ) (A) 1221γγ=s s p p (B) 2121γγ=s s p p (C) 1221γγ≥s s p p (D) 2
121γγ≤s s p p 4、 多组分精馏中，若轻重组分均为分配组分，则恒浓区出现在:( )
(A) 精馏段和提馏段中部 (B) 精馏段中部和板下紧靠进料板处
(C) 板上仅紧进料板处和提馏段中部 (D) 板上、下紧靠进料板处
5、 萃取精馏塔内气液相流率的分布规律为:( )
(A) 从上到下气液相流率逐渐增大，液相流率远大于气相流率
(B) 从上到下气液相流率逐渐减小，液相流率远大于气相流率
(C) 从上到下液相流率增大，气相流率减小，液相流率小于气相流率
(D) 不确定
6、 下列不属于以压力差为推动力的膜分离技术为:( )
(A) 微滤 (B) 超滤 (C) 反渗透 (D) 渗析
7、 液相进料的萃取精馏过程，应该从何处加萃取剂：( )
(A) 精馏段 (B) 提馏段 (C) 精馏段和进料处 (D) 提馏段和进料板
8、 当萃取塔塔顶产品不合格时，可采用下列方法来调节：( )
(A) 加大回流比 (B) 加大萃取剂用量
(C) 增加进料量 (D) 减小萃取剂用量
9. 吉利兰关联图，关联了四个物理量之间的关系，下列哪个不是其中之一:( )
(A) 最少理论板书 (B) 最小回流比
(C) 压力 (D) 理论板书
三、简答题
1、 试分析多组分精馏在最小回流情况下，恒浓区出现的位置。
2、描述萃取精馏的原理及萃取剂的作用。
3、描述恒沸精馏的原理。
在 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。
(4分)。
原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出，为共沸精馏(4分)。
4、叙述萃取剂的选取原则。
5、请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。
共同点：分离原理相同，即通过加入第三组分，改变原溶液待分离组分间的相对挥发度。
（2分）
区别：1. 萃取剂比共沸剂易选择，限制小。
（1.5分）
2. 萃取剂在精馏过程中基本不汽化，耗能低，共沸精馏的能耗一般比萃取精馏大。
（1.5
分）
3. 共沸精馏的操作温度较低，适于分离热敏性物质。
（1.5分）
4. 萃取精馏不易采用间歇操作，共沸精馏可以。
（1.5分）
四、计算题
试求氨仿（1）—乙醇（2）在共沸温度为55℃时的共沸组成和总压力。
（下式中t 的单位是℃；P 的单位是kPa ）（10分）
已知：
)66.159.0(ln 1221x x +=γ )66.142.1(ln 2212x x -=γ
t P s +-=2270.116302818.6lg 1 t
P s +-=48.23105.165233827.7lg 2 五、计算题（10分）
1,11212≈=α
α
用图中所示系统冷却反应器出来的物料，并从较重烃中分离轻质气体。
计算离开闪蒸罐的蒸汽组成。
从反应器出来的物料温度811K ，Ψ=0.87。
组成如下表。
闪蒸罐操作条件下各组分的K 值：氢-80；甲烷-10；苯-0.01；甲苯-0.004
以氢为1，甲烷为2，苯为3，甲苯为4。
总进料量为F=460kmol/h
4348.01=z （1分）
，4348.02=z （1分），1087.03=z （1分），0217.04=z （1分）
又K 1=80，K 2=10，K 3=0.01，K 4=0.004 Ψ=0.87，
由式
（2分）
计算得：y 1=0.4988 （1分），y 2=0.4924 （1分），y 3=0.008 （1分），y 4=0.0008 （1分） ⎩⎨⎧-+=)1(1i i i i K Z K y ψ。