化工分离工程第三章精馏-杨保俊

第三章精馏(分离工程,叶庆国)

第三章精馏
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

第三章精馏

④清晰与不清晰分割
3.1
多组分精馏
• • • • • • • •
规定分离要求后，塔顶塔釜浓度未确定物料衡算确定塔顶釜浓度清晰分割：轻组分在塔顶产品的收率为1 重组分在塔釜产品的收率为1 轻组分全部从塔顶馏出液中采出重组分全部从塔釜排出非关键组分为非分配组分特点：可以用物料衡算求得塔顶、塔釜物流的量和组成 • 非清晰分割：非关键组分为分配组分 • 特点：不能只用物料衡算求得塔顶、塔釜物流的量和组成，需要估算
①关键组分
塔顶回收率：
3.1
ELD
பைடு நூலகம்
多组分精馏
塔釜回收率：
EHW
DxLD 100% FxLF
Wx HW 100% FxHF
其他组分有回收率吗？
精馏塔的任务： LK尽量多的进入塔顶馏出液 HK尽量多的进入塔釜馏出液
①关键组分
• 关键组分的指定方法和原则 • 由工艺分离要求决定 • 1）指定回收率： LD ; HW 2）指定分离要求（控制量）：x LW ; x HD 如将ABCD（按相对挥发度依次减少排列）混合物进行分离工艺要求先分出A， A为LK，B为HK B为LK，C为HK 工艺要求按AB与CD分开，
• 计算平衡级N、回流比R、进料位置NF 等
将多组分溶液简化为一对关键组分的分离物料衡算按清晰分割计算，求得塔顶和塔釜的流量和组成，然后求温度；用芬斯克公式计算最少理论级数；
用恩德伍德公式计算最小回流比；
用吉利兰关联图求得理论级数N
参考文献
⑴清晰分割的物料衡算
3.1
按工艺要求选好一对关键组分，建立全塔物料衡算式 F D W
多组分精馏
二、多级分离过程的简捷法（群法）计算

第三章精馏3-1多组分精馏

2015-3-23
18
④关键组分的指定方法
3.1
多组分精馏
指定回收率：LK,D；HK,W
指定控制量： xLK , D 或 xHK , D ；xHK ,W 或 xLK ,W 塔顶回收率： LK , D
DxLK , D Fz LK 100%
塔釜回收率： HK ,W
WxHK ,W Fz HK
LK和HK形成分离界线，且 LK HK 越小,分离越难

LK , D 轻, D； HK ,W 重,W
17
2015-3-23
精馏塔的任务：
LK尽量多的进入塔顶馏出液；
3.1
多组分精馏
HK尽量多的进入塔釜釜液。
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 LK-HK 较大, 塔顶可采出纯LK；只有无HNK, 且 LK-HK 较大, 塔釜可采出纯HK。
FUG(Fenske-Underwood-Gilliland)简捷计算法 3.1 给定：进料量F，分离要求xHD、xLW；
多组分精馏
计算：平衡级N、回流比R、进料位置NF 等
将多组分溶液简化为一对关键组分的分离
物料衡算按清晰分割计算，求得塔顶和塔釜的流量和组成；
用芬斯克公式计算最少理论级数；用恩德伍德公式计算最小回流比；用吉利兰关联图求得理论级数N
100%
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！
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#
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关键组分的指定原则：由工艺要求决定
3.1
多组分精馏
例：ABCD（按挥发度依次减少排列）

化工分离过程(第14讲)(3.4吸收和蒸发过程)

用 K i表示 Hi — 亨利常数 H 7i Py PK H K i ix i ix i i P
3.4.1 吸收和蒸出过程流程
④ 流量
液相流量从上向下↑；汽相流量从下向上↓ ——不恒定 ⑤ 每板温度Tn 由于溶解热大， Tn 与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点方程计算Tn，要用热量衡算方程计算Tn。
——复杂性大
——塔中部出现温度极大值
14
3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析
五、吸收剂的选择
1. 对目标组分有足够大的吸收能力，选择性好； 2. 解吸时便于再生； 3. 操作温度下本身的蒸汽压应不大，即不易挥发； 4. 化学性质稳定； 5. 对设备无腐蚀； 6. 传质系数足够大； 7. 价廉易得。
17
3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析
工业气体吸收常用的吸收剂
溶质气体吸收剂
CO2, H2S
物理吸收剂—水、环丁砜、冷甲醇、碳酸丙烯酯化学吸收剂—乙醇胺水溶液、催化热碳酸钾水溶液、氨水溶液、NaOH(或KOH)水溶液物理化学吸收剂—环丁砜-二异丙醇胺溶液水、氨水、二甲基苯胺水溶液、 Ca(OH)2水溶液、浓硫酸、亚硫酸盐水溶液、柠檬酸钠水溶液
化工分离过程
Chemical Separation Processes
第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算
第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算 3.1 设计变量 3.2 多组分精馏过程（普通精馏） 3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏） 3.4 吸收和蒸出（解吸）过程 3.4.1 吸收和蒸出过程流程 3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析 3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法
贫吸收剂原料气压力等级数

第三章特殊精馏

通用逆流接触装置的操作型问题指定下列变量为设计变量：
①各级进料量（Fj）、组成（Zij)、进料温度（TFj）和进料压力（PFj）;
i 1
c
④热量衡算式(每一级有一个)
GH j L j 1h j 1 V j 1H j 1 Fj H Fj ( L j U j )h j (V j G j ) H j Q j 0
除MESH方程组外，尚有相平衡常数(Kij),气相摩尔热焓 (Hj)，液相摩尔热焓(hj)的关联式：
①物料衡算式(每一级有c个方程)
i 1,2,, c
②相平衡关系式(每一级有c个方程)
G yi , j Ki, j xi, j 0
E i, j
i 1,2, c
③摩尔分率加和式(每一级上各有一个)
G SY j yi , j 1.0 0
i 1
c
G SX xi , j 1.0 0 j
L j 1
X i, j 1, h j 1, Tj 1, Pj 1
Fj
Zij , H F j , TF j , PF j
Qj
X i, j , h j , Tj , Pj
Uj
yi , j 1, H j 1, Tj 1, Pj 1
V j 1
Lj
假定在各级上达到相平衡且不发生化学反应
数学模型 MESH 方程。
② 化学作用
氢键的影响和形成络和物的作用。
当加入的溶剂能与某一组分形成氢键，则将使形成氢键组分
的活度系数变小；或者破坏原有组分的氢键或组分间的氢键，从而提高了某组分的活度系数;生成络和物，降低其的活度系数，从而改变组分间的相对挥发度。乙醇—水体系中加入乙二醇作为萃取剂时，氢键所起的作用是主要的，对于甲基环己烷—甲苯的体系加入苯酚时，色散力是起主要作用的因素之一。一般情况，物理作用比化学作用要大，但两者是彼此结合的。

精馏ppt

Rm估算式包括如下两式：
iB xFi 1 q i iB iB xDi Rm 1 i iB
式中
（2-20）（2-21）
iB 组分i与某一任选的基础组分B间的相对挥发度
q 进料的热状态参数
式（2-20）的根，其值为 hk , B lk , B
适用于宽沸程的吸收。
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B.全变量迭代法
1.选择的迭代变量为Tj、lij和vij，列出相应的方程组：
16
2.用S方程来求总的摩尔流率，即：
L j lij ,
i
（2-16）
V j vij
i
（2-17）
上列Mij、Qij和Ej将随着迭代计算趋向收敛解而趋于零。
17
3.
18
两种算法对比
（2-26）
塔底产品产量：
（2-27）
28
② 非清晰分割法
假定：部分回流的浓度分布与全回流浓度分布大致相同。将芬斯克方程中的摩尔分率用组分含量代替，并将轻关键组分换成任意组分，则有：
（2-28）
（2-29）
于是：
注意：
29
两种方法的比较 1、当LK与HK的分离要求比较高，同时 L LK , H HK
24
上述式中应用了取常数和恒摩尔流假定
在实际计算中，组分的相对挥发度沿塔总有些变化，若变化不大，按式（2-19）取平均值；如果变化较大，先按下式算出平均温度，再用此温度下的α计算。
DtD BtB t F
（2-22）
式中tD和tB分别代表塔顶和塔底温度
25
3、吉利兰关联 ---计算实际回流比R所需理论板数N
10
4.当解（2-12）得到 lij 后，王-亨利利用硬性归一办法算出xij,，即：

化工分离工程

主要内容
第1章第2章第3章第4章第5章第6章绪论精馏吸收液液萃取分离过程的节能其他分离技术和分离方法的选择
第1章绪论
1.1 概述 1.2 分离因子 1.3 过程开发及方法 1.4 分离方法的选择
第1章绪论
基本要求： 1)了解分离操作在化工生产中的重要性; 2)熟悉分离过程的分类; 3)掌握分离因子的概念及意义; 4)了解分离方法的选择;
结晶
吸附干燥浸取离子交换
液体
气体或液体湿物料固体液体
冷或热
固体吸附剂热溶剂固体树脂
液体+固体
固体+液体或气体固体+蒸汽固体+液体液体+固体
过饱和
吸附力不同湿组分蒸发溶解度不同
离子的可交换性
2）速率控制分离过程
过程名称气体扩散原料气体分离剂压力梯度和膜产品气体分离原理多孔膜中扩散的速率差异热扩散速率差异膜对不同离子的选择性渗透胶质在电场下的迁移速率差异溶质溶解度与溶剂在膜中的扩散速率分子大小差异

精馏中，分离因子又称为相对挥发度，它相对于汽液平衡常数而言，对温度和压力的变化不敏感，可近似看作常数，使计算简化。
（2）分离因子的意义
1）双组分中的相对挥发度已知A、B两组分挥发度为：
A pA / xA B pB / xB
由Dalton分压定律可知：pA+pB=p，而pA=yAp，pB=yBp，所以：
WHY
Why Separate?
WHY
一、分离过程的地位
化工生产
反应（Reactive）分离萃取物（Extractive Natural raw material）配制（Formulation）分离

杨保俊教授简介

1、项目情况2、发表论文情况1. 杨保俊, 于少明, 单承湘, 等. 蛇纹石硫酸浸出过程动力学研究[J]. 硅酸盐学报, 1999,27(1): 65-702. 杨保俊, 于少明, 单承湘, 等. 迭代最小二乘回归方法估算蒙脱石标准生成Gibbs自由能ΔG0f的研究[J]. 硅酸盐学报, 2000, 28(1): 39-433. 杨保俊, 于少明, 侯莉, 等. 硫酸浓度对蛇纹石中氧化镁浸出反应速率的影响[J]. 应用化学, 2001, 18(3): 196-1994. 杨保俊, 于少明, 单承湘, 等. 蛇纹石硫酸浸出过程工艺条件的优化研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2002, 25(4): 501-5045. 杨保俊, 于少明, 单承湘,等. 蛇纹石综合利用新工艺[J]. 矿冶工程, 2003, 23(1):47-49,536. 胡章文, 杨保俊, 单承湘, 等. 由蛇纹石酸浸滤液制备氢氧化镁工艺条件研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版) , 2003, 26(2): 232-2357. 胡章文, 杨保俊, 单承湘, 等. 纳米氢氧化镁的制备与结构表征[J]. 轻金属, 2004, 7: 39-428. 胡章文, 王自友, 杨保俊, 等. 高纯氧化镁制备工艺研究[J]. 安徽工程科技学院学报,2004, 19(4): 18-209. 胡章文, 王理想, 杨保俊, 等. 蛇纹石酸浸滤液提镁制备针状纳米氢氧化镁[J]. 非金属矿,2005, 28(1): 35-36, 3910. 胡章文, 杨保俊, 张雪琴, 等. 阻燃型氢氧化镁制备工艺探讨[J]. 合肥工业大学学报( 自然科学版) 2005, 28(1): 57-5911. 胡章文, 杨保俊, 单承湘, 等. 氢氧化镁阻燃剂研究进展[J]. 轻金属, 2006, 7: 42-46, 5112. 胡章文, 饶丹丹, 杨保俊, 等. 高纯纳米氧化镁制备工艺研究[J]. 矿冶工程, 2006, 26(5): 68-7113. 郝建文, 杨保俊, 宋彬, 等. 阻燃型氢氧化镁制备及其影响因素探讨[J]. 轻金属, 2007, 5:43-4614. 胡章文, 王理想, 杨保俊, 等. 硫酸镁一步法制备氢氧化镁阻燃剂[J]. 过程工程学报, 2007, 7(3): 561-56515. 宋彬, 杨保俊, 郝建文, 等. 蛇纹石尾矿制备高纯氧化镁工艺条件的研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版) , 2008, 31(1): 150-15316. 柴多里, 储志兵, 杨保俊, 张柠. 工业硫酸镁制备高纯氧化镁的合成研究[J]. 广州化工,2009, 37(3): 80-8317. 詹升军, 杨保俊, 刘元声, 柴多里. 由氯化镁一步法制备阻燃氢氧化镁的工艺研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2009, 32(6): 833-836。

分离工程第三章1

6
• 名词解释 • ⑴关键组分 • 轻关键组分，指在塔釜液中该组分的浓轻关键组分，度有严格限制，度有严格限制，并在进料液中比该组分轻的组分及该组分的绝大部分应从塔顶采出。采出。 • 重关键组分，指在塔顶馏出液中该组分重关键组分，的浓度有严格限制，的浓度有严格限制，并在进料液中比该组分重的组分及该组分的绝大部分应在塔釜液中采出。塔釜液中采出。
13
三组分精馏实例： (LK)－甲苯(HK)－三组分精馏实例：苯(LK)－甲苯(HK)－异丙苯 (HK)
图3-5 三组分精馏流量分布
图3-6 三组分精馏温度分布
14
• • • •
• •
摩尔流率多组分精馏，汽流量有一定的变化，多组分精馏，液、汽流量有一定的变化，但液汽比却接近于常数。液汽比却接近于常数。原因是各组分的摩尔汽化潜热相差较大。汽化潜热相差较大。温度分布多组分精馏在接近塔顶和接近塔底处及进料点附近，温度变化最快，这是因为在这些区点附近，温度变化最快，域中组分变化最快，域中组分变化最快，而泡点和组成是密切相关。组成分布（浓度）组成分布（浓度）多组分精馏，多组分精馏，在进料板处各个组分都有显著的数量，而在塔的其余部分由组分性质决定。的数量，而在塔的其余部分由组分性质决定。
4
3.2.1 多组分精馏过程分析
多组分精馏过程分析就是分析精馏塔内的温度、多组分精馏过程分析就是分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。流率和浓度分布。 Components）一、关键组分（Key Components）关键组分（ Na=串级数＋分配器串级数(2)＋分配器(1) 串级数＋侧线采出(0)＋传热单元侧线采出＋传热单元(2) =5 已被指定的可调变量：已被指定的可调变量：（1）进料位置；（2）回流比；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。凝器的传热面积或馏出液温度。余下的2 余下的2个可调设计变量往往用来指定组分在馏出液和釜液中的浓度。浓度。

多组分精馏简述

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。