化工原理多組分精餾培訓講義

多組分精餾知識要求1多組分精餾過程分析2最小回流比3最少理論塔板數(shù)和組分分配4實際回流比和理論板數(shù)5多組分精餾的簡捷計算方法1多組分精餾的特點和精餾方案的選擇一多組分精餾原理多組分混合物精餾過程ESA塔釜蒸汽加熱液體多次部分汽化蒸汽多次部分冷凝采用相際傳質(zhì)傳熱實現(xiàn)組分分離輕組分重組分富集于塔頂富集于塔釜各組分相對揮發(fā)度不同R1、多組分精餾設備數(shù)對于n組分系統(tǒng)：所需設備數(shù)塔數(shù)換熱器數(shù)泵數(shù)其他（n-1）≥2（n-1）3（n-1）2、多組分精餾方案數(shù)精餾方案順序分餾順序分凝按揮發(fā)度遞減按揮發(fā)度遞增按揮發(fā)度交錯方案數(shù)共二多組分精餾方案舉例：四組分系統(tǒng)分離方案：B.C.DC.DCBDA.B.C.DA（a）A.B.C.DDA.B.CABCA.B（b）A.B.C.DDA.B.CAB.CBC（e）A.B.C.DC.DA.BCDAB（c）A.B.C.DAB.C.DDB.CBC（d）圖4-2四組分精餾的五種精餾方案滿足工藝要求1產(chǎn)品的質(zhì)量和純度要求2保證安全生產(chǎn)2多組分精餾方案的選擇原則能量消耗少

精餾塔的能量用戶有：塔頂冷凝器（主要消耗冷量）、塔釜再沸器（主要消耗熱量）、泵（主要消耗電能）設備投資少

設備投資包括設備的購置和維修費、操作費用等。保證設備投資少。如使用并聯(lián)流程，易分解、聚合的物質(zhì)減少加熱次數(shù)或降低操作溫度！如易燃、易爆、腐蝕性介質(zhì)一般都要先行分離！需要遵循如下原則：1）腐蝕性介質(zhì)應先分離2）量大的組分應先分離3）相對揮發(fā)度接近者或分離要求高者最后分離。在不同的精餾方案下其能量消耗是不同的，

概述4.1圖4-11裂解氣深冷分離順序分離流程1-堿洗塔2-干燥塔3-脫甲烷塔4-脫乙烷塔5-乙烯塔6-脫丙烷塔7-脫丁烷塔8-丙烯塔9-冷箱10-脫炔反應器11-綠油塔21934Ⅰ~ⅢⅣ,ⅤC10H2C20678C4C5+C3=C30511C10C2=101011C10裂解氣案例1深冷分離-順序分離流程案例2深冷分離-前脫乙烷流程1-堿洗塔2-干燥塔3-脫乙烷塔4-加氫脫炔5-脫甲烷塔6-冷箱7-乙烯塔8-脫丙烷塔9-丙烯塔10-脫丁烷塔器圖4-12裂解氣前脫乙烷分離順序分離流程213Ⅰ~ⅢⅣ,Ⅴ8C4C5+C3=C3046C207C10C2=裂解氣5910123過熱水蒸汽48補充過熱水蒸汽5679101112131415圖4-13乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯流程1-乙苯蒸發(fā)器2-乙苯加熱器3-混合器4-脫氫反應器5-廢熱鍋爐6-水冷器7-鹽水冷凝器8-氣液分離器9-油水分離器10-阻聚劑添加槽11-乙苯蒸出塔12-苯-甲苯回收塔13-苯-甲苯分離塔14-苯乙烯粗餾塔15-苯乙烯精餾塔苯甲苯乙苯苯乙烯焦油水相燃料氣乙苯案例3乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯多組分精餾過程典型案例

4.2簡捷法計算流程物料衡算1塔頂溫度和塔釜溫度的確定

2最小回流比和和回流比的計算

3計算最少理論塔板數(shù)

4簡捷法計算具體步驟多組分精餾過程典型案例分析

4.33多組分精餾物料衡算多組分精餾不能對所有組分都提出分離要求，而只能對其中一種或兩種組分規(guī)定分離要求。

規(guī)定了分離要求的組分稱為關鍵組分，關鍵組分的分離要求一旦被確定，其它組分的分離程度隨之被規(guī)定。1、關鍵組分選擇：關鍵組分重關鍵組分HK關鍵組分中αi,j較小的組分。輕關鍵組分LK關鍵組分中αi,j較大的組分。LK和HK可以使相鄰的，也可以使不相鄰的。固定條件下各組分的相對揮發(fā)度是一定的。一清晰分割法物料衡算2、清晰分割法規(guī)定：比LK更輕的組分，其塔釜采出量為0，即xw,LNK=0。比HK更重的組分，在塔頂?shù)酿s出量為0，即xD,HNK=0。3、清晰分割法的應用范圍：1）各組分間αi,j較大；2）LK和HK相鄰的物系。4、清晰分割法物料衡算法1）比LK更輕組分的物料衡算式：F1=10F2(lk)=20F,3(hk)=30F4=25F5=15D1=10D2(lk)=xD3(hk)=yD4=0D5=0w1=0w2(lk)=20-xw3(hk)=30-yw4=25w5=152）比HK更重組分的物料衡算式：3）塔頂餾出液D為：4）塔釜采出液W為：F1=10F2(lk)=20F,3(hk)=30F4=25F5=15D1=10D2(lk)=xD3(hk)=yD4=0D5=0w1=0w2(lk)=20-xw3(hk)=30-yw4=25w5=15根據(jù)分離要求，計算D和W。Ⅰ給定餾出液中LK的摩爾分率xD,l和釜液中HK的摩爾分率xW,hLK和HK的物料衡算：全塔的物料衡算為：F=D+W設進料中組分i的摩爾分數(shù)為zi，則fi=Fzi

,于是Ⅱ給定餾出液中HK的摩爾分率xD,h和釜液中LK的摩爾分率xW,lⅢ給定餾出液和釜液中LK的摩爾分率xD,l、xW,l。則餾出液和釜液流量為：F=D+Wfi=FziⅣ給定餾出液中LK的摩爾分率xD,L和LK的回收率ψL根據(jù)回收率的定義：應用舉例例：某精餾塔進料組成如下表所示：組分甲烷乙烷丙烯丙烷異丁烷正丁烷∑組成(mol%)53515201015100分離要求是：餾出液中，釜液中試用清晰分割法確定餾出液和釜液的產(chǎn)物組成。解題步驟：1、設進料基準為100kmol2、以乙烷為LK，丙烯為HK進行物料衡算。3、清晰分割法物料衡算過程表：組分進料量Fi(kmol)餾出液量Di(kmol)釜液量Wi(kmol)甲烷550乙烷3535－0.05W0.05W丙烯150.025D15－0.025D丙烷20020異丁烷10010正丁烷15015∑10040－0.05W+0.025D60+0.05W－0.025D根據(jù)題義：結(jié)合D+W=100得：D=37.84，W=62.160.94614.0543.10831.89262.1637.844、計算結(jié)果列表組分進料量餾出液量釜液量F(kmol)z,i(%)D(kmol)xD,i(%)W(kmol)xw,i(%)甲烷55513.200乙烷353531.89284.33.1085丙烯15150.9462.514.05422.6丙烷2020002032.2異丁烷1010001016.1正丁烷1515001524.1∑10010037.8410062.16100二非清晰分割法物料衡算1、非清晰分割法應用范圍1）LK和HK可以不相鄰，之間有若干種組分。2）LK和HK相鄰，但原料中含有大量與LK、HK相對揮發(fā)度接近的非關鍵組分。2、非清晰分割法的假設1）任意回流比時，各組分在塔頂、塔釜產(chǎn)品中的分配和全回流時相同。2）非關鍵組分的分配規(guī)律與關鍵組分的分配規(guī)律相同。滿足Fenske公式。3、非清晰分割法解法：1）LK、HK在全回流時的分配規(guī)律I、解析法計算步驟或2）以HK為基準組分，任意組分i的分配規(guī)律。結(jié)合解得di、wiII、圖解法計算步驟此式的幾何意義是：直角坐標中過點的一條直線。其斜率為。對關鍵組分對任意組分i此式的幾何意義是：直角坐標中過點的一條直線。其斜率為。若干條直線重合。圖示：結(jié)合式fi=di+wi可以算得di、wi。LKHKi應用舉例某原料液的組成及在平均操作條件下的相平衡常數(shù)如下表：0.710.841.672.174532176組成（mol%）正戊烷4異戊烷3正丁烷2異丁烷1連續(xù)精餾分離該混合物，要求餾出液中回收原料中95%的正丁烷，在釜液中回收95%的異戊烷。試計算:(1)用非清晰分割法確定各組分在餾出液和釜液中的組成。(2)若為泡點進料，確定最小回流比(3)當R=1.3Rm時的理論塔板數(shù)*原料可視為理想體系1）以100kmol進料作為計算基準。2）選定輕重關鍵組分，以正丁烷為LK，異戊烷為HK。3）以異戊烷作為計算相對揮發(fā)度的基準。各組分相對揮發(fā)度如下：解題步驟如下：4）應用解析法進行物料衡算代入芬斯克公式得由回收率的定義可得：

異丁烷1正丁烷2異戊烷(h)3正戊烷4Fi（kmol）6173245Ki2.171.670.840.71

2.5831.9881.0000.845hihikk=,ad異丁烷=5.967，w異丁烷=0.033d正戊烷=0.554，w正戊烷=44.446。5）計算結(jié)果列表（略）由公式：fi=di+wi最小回流比Rm=2.912（θ=1.60668）回流比R=1.3Rm=3.878（θ=1.60668）塔板數(shù)N=15.8（不包括釜）4、實際回流比下非關鍵組分的分配1）在全回流時各組分在餾出液和釜液中都有一定程度的分配。（線1）2）在最小回流比時只有少數(shù)非關鍵組分在餾出液和釜液中分配，或者沒有非關鍵組分分配。（曲線4）3）在接近最小回流比時，非關鍵組分的分配介于兩個極限之間。（曲線3）4）在高回流比時（曲線2），非關鍵組分的分配實際上超出了極限。3241LKHK不同回流比下組分的分配比1—全回流；2—高回流比；3—低回流比；4—最小回流比4.3.2精餾段、提留段操作線方程F,ziVn-1nn+1m-1mm+1D,xDiW,xWi普通精餾物料衡算示意圖精餾段的操作線方程為提餾段的操作線方程為1、最小回流比的出現(xiàn)原因☆對雙組分精餾來說，進料板處出現(xiàn)恒濃區(qū)。圖a☆多組分精餾比較復雜；1）若進料中的所有組分在餾出液和釜液中均存在（即所有組分都是分配組分），那么只在進料板處出現(xiàn)一個恒濃區(qū)。圖a4.3.3回流比塔頂液相回流是保證精餾塔連續(xù)穩(wěn)定操作的必要條件之一。回流比是指回流流量和餾出液流量之比。當塔板數(shù)一定時，只有選擇合適的回流比才能滿足給定的分離要求。而且，回流比也是影響精餾塔設備投資和運行費用的一個重要因素。a恒濃區(qū)最小回流比是N→∞時精餾塔的一種極限操作狀況。3）若重組分是非分配組分，而輕組分均為分配組分則在精餾段中部出現(xiàn)一恒濃區(qū)使HK在塔頂濃度為0。圖c4）若輕組分是非分配組分，而重組分均為分配組分，則在提餾段中部出現(xiàn)一恒濃區(qū)使LK在塔釜的濃度為0。圖dc2）若輕重關鍵組分都是非分配組分，則在精餾段中部出現(xiàn)一恒濃區(qū)使HK在塔頂濃度為0，在提餾段中部出現(xiàn)一恒濃區(qū)使LK在塔釜濃度為0。圖bdb2、最小回流比的計算——Underwood法☆Underwood法的假設：1）塔內(nèi)汽相和液相均為恒摩爾流率；2）各組分的相對揮發(fā)度為常數(shù)。☆Underwood公式：①進料狀態(tài)的確定②各組分相對揮發(fā)度的求法③θ值和的求法123zi0.3300.3300.340αih2.01.00.83、實際回流比R在一定的平衡級條件下，為了達到輕重關鍵組分一定的分離要求，R必須大于Rmin。確定R的依據(jù)是經(jīng)濟衡算，要求達到操作費用和設備投資費用的總和為最小。Fair和Bolles得研究結(jié)果是：R/Rmin=1.05為最優(yōu)值，經(jīng)驗值取1.20~2.00之間。4.3.4理論塔板數(shù)1最少理論塔板數(shù)在精餾塔中，兩相流體在一塊塔板上經(jīng)常達不到平衡狀態(tài)，而只是實現(xiàn)了從初始狀態(tài)到平衡狀態(tài)的部分變化。最少理論塔板數(shù)是R→∞時精餾塔的一種極限操作狀況。最少理論塔板數(shù)可以用芬斯克公式計算。Fenske公式（推導過程略）如果塔頂是全凝器，塔釜相當于一塊理論板，所以最少理論塔板數(shù)為如果塔頂是分凝器，分凝器相當于一塊理論板，所以最少理論塔板數(shù)為W123…NyxxDxwyzx精餾段操作線方程進料狀態(tài)線方程2理論塔板數(shù)1）Gililand提出了一個經(jīng)驗算法，以Rmin和Nmin為基礎，適用于分離過程中相對揮發(fā)度不大的情況，該經(jīng)驗關系表示成Gililand圖。2）Gililand圖還可擬合成關系式用于計算：3）另外，還有Rrbar和Maddox圖法。吉利蘭圖3進料板位置1）用Gilliland關系圖確定塔板數(shù)要求精餾段和提餾段的塔板級數(shù)有最佳的分配。最佳的進料級位置由Fenske方程確定。精餾段的最少平衡級：提餾段的最少平衡級：Brown和Martin提出：最佳進料級位置可由下式確定，但可靠性較差。2）克爾克勃萊特（Kirkhride)關于進料位置提出如下經(jīng)驗式：對于泡點進料可以采用下列經(jīng)驗式確定進料位置。逐板計算法逐板計算法是交替使用操作線方程、相平衡關系進行計算，即以相平衡關系確定同一塊板上氣液相間濃度關系。以操作線方程表示相鄰兩塊板上氣液相間的濃度關系，最終得理論板數(shù)N。其步驟如下：（1）根據(jù)工藝要求進行物料分布，求得餾出液量D及釜液量W，及xDi及xwi；（2）由恩德伍德公式計算Rm，取R，根據(jù)操作條件(p、T、q)確定精餾段汽液相流量V、L和提餾段的汽液相流量（3）建立操作線方程式

提餾段操作線方程式為4.3.5逐板計算法逐板計算法仍對塔內(nèi)各段簡化為恒摩爾流，通過逐板進行物料平衡、相平衡、熱平衡計算，最后得到所需理論板數(shù)N、全塔的組成、溫度、流量分布。精餾段操作線方程式為（4）利用泡、露點計算方法找出各組分的相平衡關系yi=kixi（5）從塔頂逐板向下計算至進料板，

直至其中是精餾段操作方程線和進料方程線的交點

W123…N（6）由塔釜開始向上進行逐板計算至進料板。直至當進料狀態(tài)為q≥0時，m板即為加料板；當q＜0時，則m-1板為加料板。顯然，當q≥0時，在精餾段由塔頂向下的第n塊板，也就是提餾段從塔釜向上的第m塊板，就是適宜的進料位置。實際塔板數(shù)的確定

經(jīng)驗計算公式

圖線法總板效率E0圖理論板與實際塔板數(shù)的關系

多組分精餾的簡捷計算方法精餾簡捷計算——FUG法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N初步設計和經(jīng)驗估算；適宜操作方式的確定；合理分離順序的確定；嚴格計算中設計變量數(shù)值和迭代變量初值的提供；當相平衡數(shù)據(jù)不足時，與嚴格計算方法的準確度相當。簡捷計算方法適應的場合簡捷計算法步驟：1.由工藝要求選LK，HK，物料分配得出《化妝品術語》起草情況匯報中國疾病預防控制中心環(huán)境與健康相關產(chǎn)品安全所一、標準的立項和下達時間2006年衛(wèi)生部政法司要求各標委會都要建立自己的術語標準。1ONE二、標準經(jīng)費標準研制經(jīng)費：3.8萬三、標準的立項意義術語標準有利于行業(yè)間技術交流、提高標準一致性、消除貿(mào)易誤差，作為標準體系中的基礎標準，術語標準在各個領域的標準體系中均起著重要的作用。隨著我國化妝品衛(wèi)生標準體系建設逐步加快，所涉及的術語和定義的數(shù)量也在迅速增長，在此情形下，化妝品術語標準的制定就顯得尤為重要。四、標準的制訂原則1.合法性遵守《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例實施細則》中關于化妝品的定義。2.協(xié)調(diào)性直接引用或修改采用的方式，與相關標準中的術語和定義相協(xié)調(diào)。3.科學性對于沒有國標或定義不統(tǒng)一的術語，在定義時體現(xiàn)科學性的原則。4.實用性在標準體系中出現(xiàn)頻率較高，與行業(yè)聯(lián)系較緊密的術語優(yōu)先選用。五、標準的起草經(jīng)過

第一階段：資料搜集

搜集國內(nèi)外相關法規(guī)、標準、文獻并對國外文獻如美國21CFR進行翻譯。第二階段：2007年末形成初稿

初稿內(nèi)容包括一般術語、衛(wèi)生化學術語、毒理學術語、微生物術語、產(chǎn)品術語、人體安全和功效評價術語，常用英文成份術語等７部分。第三階段：專家統(tǒng)稿1.2007年12月第一次專家統(tǒng)稿會（修訂情況：1.在結(jié)構(gòu)上增加原料功能術語、相關國際組織和科研機構(gòu)等內(nèi)容；2.在內(nèi)容上增加一般術語、產(chǎn)品術語的種類，將化妝品行業(yè)的新產(chǎn)品類別納入本標準；3.對于毒理學、衛(wèi)生化學、微生物學術語進行修改；4.刪除與化妝品聯(lián)系不緊密、無存在必要的常用英文成分術語。2.2009年1月第二次專家統(tǒng)稿會會議意見：1.修改能引用國家標準的盡量引用國家標準；對存在歧義的個別用詞進行修改。2.刪除由于本標準中的“產(chǎn)品術語”一章和香化協(xié)會所制定的某個標準存在重復，因此刪除“產(chǎn)品術語”一章的內(nèi)容；對“原料功能術語”的內(nèi)容進行梳理，刪除了20余條內(nèi)容。3.增加專家建議增加“化妝品限用物質(zhì)”等若干項術語。第四階段：征求意見2009年2月面向全國公開征求意見。第五階段：征求意見的處理與形成送審稿。在征求意見的處理階段再次征求了相關專家的意見。六、標準的內(nèi)容依據(jù)1.《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例實施細則》;2.《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》;3.美國21CFR；4.相關領域國家標準如：GB5296.3-2008消費品使用說明化妝品通用標簽，GB/T14666-2003分析化學術語等；5.國內(nèi)外化妝品的相關文獻，如《化妝品監(jiān)督管理及安全性評價》等。七、標準的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容（一）結(jié)構(gòu)：1.范圍2.一般術語3.毒理學試驗方法術語4.衛(wèi)生化學檢驗方法術語5.