多组分精馏各组分浓度沿塔分布教案 (2)
多组分精馏课程设计
多组分精馏课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解多组分精馏的基本原理，掌握其关键过程参数。
2. 学生能够掌握多组分精馏塔的物料平衡和能量平衡计算方法。
3. 学生能够运用所学知识分析多组分精馏过程中各组分的分离效果。
技能目标：1. 学生能够运用多组分精馏的原理，设计简单的多组分精馏流程。
2. 学生能够通过计算软件，完成多组分精馏塔的模拟计算。
3. 学生能够通过实验操作，观察并分析多组分精馏过程，解决实际问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学工程学科的兴趣，激发其探索精神和创新意识。
2. 培养学生严谨的科学态度和良好的团队合作精神，使其在学习过程中形成积极向上的情感态度。
3. 学生能够认识到多组分精馏技术在工业生产中的重要性，增强其社会责任感和环保意识。
本课程针对高中化学选修课程，结合学生已有知识水平和认知特点，注重理论与实践相结合。
通过本课程的学习，使学生能够掌握多组分精馏的基本原理和实际应用，培养其解决复杂化学工程问题的能力。
同时，注重培养学生的科学素养和情感态度，为其未来的学术发展和职业生涯奠定基础。
二、教学内容1. 多组分精馏基本原理：包括多组分混合物的相图、精馏原理、关键参数（如回流比、理论塔板数）的概念和影响因素。
- 教材章节：第二章第四节《多组分精馏》- 内容安排：2课时2. 多组分精馏塔的物料平衡和能量平衡计算：介绍多组分精馏塔的物料平衡和能量平衡方法，以及相应的计算公式。
- 教材章节：第二章第五节《精馏塔的物料平衡与能量平衡》- 内容安排：3课时3. 多组分精馏流程设计：学习多组分精馏流程的设计方法，包括流程选择、设备参数计算和优化。
- 教材章节：第三章第一节《多组分精馏流程与设备》- 内容安排：3课时4. 多组分精馏实验操作与模拟计算：通过实验操作和模拟计算软件，观察和分析多组分精馏过程中各组分的分离效果。
- 教材章节：第四章《精馏实验与模拟》- 内容安排：4课时5. 应用案例分析：分析实际工业生产中的多组分精馏案例，了解多组分精馏技术在工业应用中的关键问题及解决方案。
多组分精馏塔课程设计
多组分精馏塔课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解多组分精馏塔的基本原理，掌握其工艺流程和关键参数计算方法。
2. 学生能够描述多组分精馏塔在化工生产中的应用，并解释其重要性与实际意义。
3. 学生掌握至少两种多组分精馏塔的设计方法，并能够运用相关公式进行简单计算。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，针对特定混合物设计出合理的多组分精馏塔工艺。
2. 学生通过实例分析和问题解决，培养实验操作能力，提高观察、分析和解决实际问题的能力。
3. 学生能够利用计算机软件或手工绘图方式，准确表达多组分精馏塔的结构和工艺流程。
情感态度价值观目标：1. 学生通过本课程的学习，培养对化学工程学科的兴趣，激发探索精神和创新意识。
2. 学生在团队协作中，学会沟通与交流，培养合作精神和集体荣誉感。
3. 学生认识到化学工艺在国民经济发展中的重要作用，增强环保意识和责任感。
课程性质：本课程为化学工程与工艺专业核心课程，以实践性和应用性为主要特点。
学生特点：学生具备基础化学知识和一定的化工原理基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：结合课程特点和学生实际情况，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的实际操作能力和创新能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。
通过课程学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 多组分精馏塔原理：讲解多组分精馏塔的工作原理，包括相平衡、理论塔板、回流比等基本概念，对应教材第三章第一节。
2. 多组分精馏塔工艺流程：分析多组分精馏塔的典型工艺流程，如petrofrac、McCabe-Thiele方法等，结合实例进行讲解，对应教材第三章第二节。
3. 多组分精馏塔关键参数计算：详细介绍关键参数的计算方法，如理论塔板数、塔径、塔内液汽流率等，并通过习题进行巩固，对应教材第三章第三节。
4. 多组分精馏塔设计方法：讲解两种以上的多组分精馏塔设计方法，如简捷法、模拟法等，并指导学生运用相关软件进行模拟计算，对应教材第三章第四节。
多组分精馏-简洁计算PPT课件
W
要求分离度越高，
xl xh
D
xh xl
反之相N 反m 。
W
关键组分挥发度相近，lg lh N反之m 相反。
.
48
3、Fenske公式计算Nm (2) Fenske公式的适用范围和讨论：
*全回流，恒摩尔流，α在全塔范围内变化不大为基
础。一般取 顶•釜 或 3顶•进•釜
*任意一对组分，适用于二元精馏，也适用于多元精馏。
.
7
一、多组分精馏过程分析
.
8
.
9
• 简单塔
.
10
.
11
二、设计变量（简单塔）
1、独立变量数
Ni= Nv-NC Nv为独立变量数， NC为约束方程式数， Ni为设计变量数
条件：C个组分，N块理论板的精馏塔
.
12
(1)总变量数N0 ： 令下标i---代表i组分
j---代表j第块理论板
变量
F, 进料量
.
5
多组分精馏过程：
• 多次单级分离的串联，简称精馏
• 利用混合物中各组分的相对挥发度不同，采 用液体多次部分汽化，蒸汽多次部分冷凝等 汽液间的传质过程，使汽液相间浓度发生变 化
• 并结合应用回流手段，使各组分分离
.
6
多组分精馏塔：
多次部分冷凝和多次部分汽化的串联设备，与 二元精馏和单级分离过程一样，多组分精馏的 计算的基本方程仍然是物平、相平和焓平三个 方程，计算方法有简捷法、逐板法和矩阵法等。
1
Σ
C+3
还有三个变量
没有给出呢????
.
16
剩下三个变量一般从下列四项中， 根据设计任务的需求进行选择。
多组分精馏简述 2
第三章 多组分精馏在化工原理课程中，对双组分精馏和单组分吸收等简单传质过程进行过较详尽的讨论。
然而，在化工生产实际中，遇到更多的是含有较多组分或复杂物系的分离与提纯问题。
在设计多组分多级分离问题时，必须用联立或迭代法严格地解数目较多的方程，这就是说必须规定足够多的设计变量，使得未知变量的数目正好等于独立方程数，因此在各种设计的分离过程中，首先就涉及过程条件或独立变量的规定问题。
多组分多级分离问题，由于组分数增多而增加了过程的复杂性。
解这类问题，严格的该用精确的计算机算法，但简捷计算常用于过程设计的初始阶段，是对操作进行粗略分析的常用算法。
§3-1分离系统的变量分析设计分离装置就是要求确定各个物理量的数值，但设计的第一步还不是选择变量的具体数值，而是要知道在设计时所需要指定的独立变量的数目，即设计变量。
一、设计变量1.设计变量⎩⎨⎧-=：可调设计变量固定设计变量a x c v i N N N N N :v N ：描述系统所需的独立变量总数。
c N ：各独立变量之间可以列出的方程式数和给定的条件，为约束关系数。
要确定i N ，需正确确定v N 和c N ，一般采用郭慕孙发表在AIchE J （美国化学工程师学会），1956（2）：240-248的方法，该法的特点是简单、方便，不易出错，因而一直沿用至今。
郭氏法的基本原则是将一个装置分解为若干进行简单过程的单元，由每一单元的独立变量数e v N 和约束数e c N 求出每一单元的设计变量数e i N ，然后再由单元的设计变量数计算出装置的设计变量数E i N 。
在设计变量i N 中，又被分为固定设计变量x N 和可调设计变量a N ，x N 是指确定进料物流的那些变量（进料组成和流量）以及系统的压力，这些变量常常是由单元在整个装置中的地位，或装置在整个流程中的地位所决定，也就是说，实际上不要由设计者来指定，而a N 才是真正要由设计者来确定的，因此郭氏法的目的是确定正确的a N 值。
第三章 多组分精馏第二节
19
最少理论级数用Fenske 方程计算
N Tmin
xD 1 xW log( )( xW 1 xD log α
) (α α α ） 顶 底
20
Fenske’s方程的几点说明
•
当挥发度介于LK与HK挥发度之间
时，若按全回流的分配代替最小回 流下的分配，实际上是略微提高了
要求。
26
注意
• 清晰分割假定比较实用的情况：
1、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； 2、对于无中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的
• 液相组成由上而下连续降低，
但精馏段、提馏段的中段温 度变化稍快，对应的温度变 化也如此。
9
二、多组分精馏特性
三元精馏：苯－甲苯－异丙苯精馏塔内汽、液流率分布 、温度分布
(虚线表示按摩尔流假设的模拟结果)
10
图3-5三元精馏：苯（1）-甲苯（2）-异丙苯（3）三组分（甲苯馏出液中回收率99%） 图3-6四元精馏：苯（1）-甲苯（2）-二甲苯（3）-异丙苯（4）四组分（甲苯在馏出液中 的回收率为99%）。 根据给定的要求，甲苯为轻关键组分，二甲苯为重关键组分，苯为 轻组分，异丙苯为重组分。
• 原则：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’s方程分别 计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比
• Kirkbride经验式:
N R xHK , F N S xLK , F
天津大学化工分离工程教案第3章多组分精馏和特殊精馏精品文档
—方程的根。 取LK>>HK的根
19
3.1.3 最少理论板数（Nm）和组分分配
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？
Fenske
Underwood Gilliland
Nm
Rm
R、N
34
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
（Fenske eq.）
no 计算值与估计值是否接近
图3-6 四组分精馏液相组成分布
11
多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：
（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。
2
xA xB
2
由物料衡算：
yA yB
3
xA xB
2
可得： x xB AD12x xB A212y yB A3
依此类推到塔釜：
xxB AD12N1NxxB AW （3-5）
（1）萃取精馏（Extractive Distillation）： 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。加入的质量分离剂称为溶剂。
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。
化工原理多组分精馏讲解
组分 组成(mol%)
甲烷 5
乙烷 丙烯 丙烷 异丁烷 正丁烷 35
3
∑ 100
15
20
10
0 2
15
分离要求是：馏出液中
xD,C 2.5% ，釜液中 x w ,C 5.0%
试用清晰分割法确定馏出液和釜液的产物组成。 解题步骤： 1、设进料基准为100kmol 2、以乙烷为LK，丙烯为HK进行物料衡算。
A.B.C
A
B
A.B.C.D
A.B.C.D
B.C.D
D （d）
C
D （e）
B.C
C
图4-2 四组分精馏的五种精馏方案
Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology
4.1 2 多组分精馏方案的选择原则
如使用并联 流程，易分 解、聚合的 物质减少加 热次数或降 低操作温度！
D1=10 D2(lk)=x
3、清晰分割法的应用范围：
1）各组分间αi,j 较大； 2）LK和HK相邻的物系。
F1=10 F2(lk)=20 F,3(hk)=30 F4=25 F5=15
D3(hk)=y D4=0 D5=0
4、清晰分割法物料衡算法
1）比LK更轻组分的物料衡算式：
wi 0 d i f i (1 i L 1)
Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology
简捷法计算流程
开始 规定进料 规定两个关键组分的分配 估计非关键组分的分配
确定塔压和冷凝器的类型
在塔的操作压力下对进料作闪蒸计算
计算最少理论塔板数 计算非关键组分的分配
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多组分精馏各组分沿塔浓度分布规律
提馏段的操作线方程：
''''m m W L W y
x x L W L W
+=---1
q 线方程（精馏段和提馏段交点的轨迹方程）：F q y x x q q =
---1
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**逐板计算法和图解法求解** （三）多组份精馏的一些基本概念 关键组分
1、精馏装置的设计变量: 可调设计变量=串级数(2)+分配器(1)+侧线采出(0)+传热单元(2)=5 (无论有多少个组分)
2、已指定可调设计变量: 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
因此：对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是2，所以只能指定两个组分的浓度，通常，把由设计者指定分离要求的这2个组分称为关键组分（一般用来指定某个组分在馏出液中的浓度和另外一个组分在釜液中的浓度）。
其中：相对易挥发的组分称为轻关键组分（LK ） 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK ）
3、确定关键组分后可将多组分精馏物系组成按相对挥发性分成如下部分： 轻非关键组分（LNK ） 轻关键组分（LK ） 中间组分 重关键组分（HK ） 重非关键组分（HNK ）
4、精馏塔的任务：
使LK 尽量多地进入馏出液，要严格控制其在釜液中的量； 使HK 尽量多地进入釜液，要严格控制其在馏出液中的量。
只有无LNK ，且αlh 较大，塔顶可采出近于纯LK ；
只有无HNK ，且αlh 较大，塔釜可采出近于纯HK 。
5、关键组分的指定原则：先确定混合分离次序再指定关键组分。
例：ABCD （按挥发度依次减少排列）混合物分离次序 假如：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 2、清晰分割：
馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。
那么，根据组分是否在精馏塔的塔底和塔顶都出现，可分为分配组分和非分配组分。
（四）多组分精馏各组分沿塔浓度分布规律
1、苯-甲苯
2、苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯体系（HNK）3.苯（LNK）－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-异丙苯体系（HNK）
多组分精馏浓度分布的特点：
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、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，在馏出液中达到最高。
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。
3、①若无LNK：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现像LNK。
②若无HNK：LK分别在二段出现两个最高点，HK表现像HNK。
③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，然后降到所规定的浓度。