化工原理多組分精餾

化工原理多組分精餾2023/12/27化工原理多組分精餾知識(shí)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(shí)際回流比和理論板數(shù)5多組分精餾的簡(jiǎn)捷計(jì)算方法化工原理多組分精餾1多組分精餾的特點(diǎn)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(shí)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(duì)揮發(fā)度不同R化工原理多組分精餾1、多組分精餾設(shè)備數(shù)對(duì)于n組分系統(tǒng)：所需設(shè)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(cuò)方案數(shù)共二多組分精餾方案化工原理多組分精餾舉例：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化工原理多組分精餾滿足工藝要求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(shè)備投資少

設(shè)備投資包括設(shè)備的購置和維修費(fèi)、操作費(fèi)用等。保證設(shè)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(yīng)先分離2）量大的組分應(yīng)先分離3）相對(duì)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化工原理多組分精餾圖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(yīng)器11-綠油塔21934Ⅰ~ⅢⅣ,ⅤC10H2C20678C4C5+C3=C30511C10C2=101011C10裂解氣案例1深冷分離-順序分離流程化工原理多組分精餾案例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5910化工原理多組分精餾123過熱水蒸汽48補(bǔ)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(yīng)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化工原理多組分精餾簡(jiǎn)捷法計(jì)算流程化工原理多組分精餾物料衡算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(jì)算

3計(jì)算最少理論塔板數(shù)

4簡(jiǎn)捷法計(jì)算具體步驟多組分精餾過程典型案例分析

4.3化工原理多組分精餾3多組分精餾物料衡算多組分精餾不能對(duì)所有組分都提出分離要求，而只能對(duì)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(guān)鍵組分，關(guān)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(guān)鍵組分選擇：關(guān)鍵組分重關(guān)鍵組分HK關(guān)鍵組分中αi,j較小的組分。輕關(guān)鍵組分LK關(guān)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(duì)揮發(fā)度是一定的。一清晰分割法物料衡算化工原理多組分精餾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(yīng)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=15化工原理多組分精餾2）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化工原理多組分精餾根據(jù)分離要求，計(jì)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化工原理多組分精餾設(shè)進(jìn)料中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)為zi，則fi=Fzi

,于是化工原理多組分精餾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,l化工原理多組分精餾Ⅲ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=Fzi化工原理多組分精餾Ⅳ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：化工原理多組分精餾應(yīng)用舉例例：某精餾塔進(jìn)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(shè)進(jìn)料基準(zhǔn)為100kmol2、以乙烷為L(zhǎng)K，丙烯為HK進(jìn)行物料衡算。3、清晰分割法物料衡算過程表：化工原理多組分精餾組分進(jìn)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=62.160.94614.0543.10831.89262.1637.84化工原理多組分精餾4、計(jì)算結(jié)果列表組分進(jìn)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化工原理多組分精餾二非清晰分割法物料衡算1、非清晰分割法應(yīng)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(duì)揮發(fā)度接近的非關(guān)鍵組分。2、非清晰分割法的假設(shè)1）任意回流比時(shí)，各組分在塔頂、塔釜產(chǎn)品中的分配和全回流時(shí)相同。2）非關(guān)鍵組分的分配規(guī)律與關(guān)鍵組分的分配規(guī)律相同。滿足Fenske公式?；ぴ矶嘟M分精餾3、非清晰分割法解法：1）LK、HK在全回流時(shí)的分配規(guī)律I、解析法計(jì)算步驟或化工原理多組分精餾2）以HK為基準(zhǔn)組分，任意組分i的分配規(guī)律。結(jié)合解得di、wi化工原理多組分精餾II、圖解法計(jì)算步驟此式的幾何意義是：直角坐標(biāo)中過點(diǎn)的一條直線。其斜率為。對(duì)關(guān)鍵組分對(duì)任意組分i此式的幾何意義是：直角坐標(biāo)中過點(diǎn)的一條直線。其斜率為。若干條直線重合?；ぴ矶嘟M分精餾圖示：結(jié)合式fi=di+wi可以算得di、wi。LKHKi化工原理多組分精餾應(yīng)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(jì)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(diǎn)進(jìn)料，確定最小回流比(3)當(dāng)R=1.3Rm時(shí)的理論塔板數(shù)*原料可視為理想體系化工原理多組分精餾1）以100kmol進(jìn)料作為計(jì)算基準(zhǔn)。2）選定輕重關(guān)鍵組分，以正丁烷為L(zhǎng)K，異戊烷為HK。3）以異戊烷作為計(jì)算相對(duì)揮發(fā)度的基準(zhǔn)。各組分相對(duì)揮發(fā)度如下：解題步驟如下：4）應(yīng)用解析法進(jìn)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=,a化工原理多組分精餾d異丁烷=5.967，w異丁烷=0.033d正戊烷=0.554，w正戊烷=44.446。5）計(jì)算結(jié)果列表（略）由公式：fi=di+wi化工原理多組分精餾最小回流比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）化工原理多組分精餾4、實(shí)際回流比下非關(guān)鍵組分的分配1）在全回流時(shí)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(shí)只有少數(shù)非關(guān)鍵組分在餾出液和釜液中分配，或者沒有非關(guān)鍵組分分配。（曲線4）3）在接近最小回流比時(shí)，非關(guān)鍵組分的分配介于兩個(gè)極限之間。（曲線3）4）在高回流比時(shí)（曲線2），非關(guān)鍵組分的分配實(shí)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—最小回流比化工原理多組分精餾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化工原理多組分精餾1、最小回流比的出現(xiàn)原因☆對(duì)雙組分精餾來說，進(jìn)料板處出現(xiàn)恒濃區(qū)。圖a☆多組分精餾比較復(fù)雜；1）若進(jìn)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(jìn)料板處出現(xiàn)一個(gè)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?；亓鞅仁侵富亓髁髁亢宛s出液流量之比。當(dāng)塔板數(shù)一定時(shí)，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(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的一個(gè)重要因素。a恒濃區(qū)最小回流比是N→∞時(shí)精餾塔的一種極限操作狀況?；ぴ矶嘟M分精餾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(guān)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bdb化工原理多組分精餾2、最小回流比的計(jì)算——Underwood法☆Underwood法的假設(shè)：1）塔內(nèi)汽相和液相均為恒摩爾流率；2）各組分的相對(duì)揮發(fā)度為常數(shù)?！頤nderwood公式：①進(jìn)料狀態(tài)的確定②各組分相對(duì)揮發(fā)度的求法③θ值和的求法123zi0.3300.3300.340αih2.01.00.8化工原理多組分精餾化工原理多組分精餾3、實(shí)際回流比R在一定的平衡級(jí)條件下，為了達(dá)到輕重關(guān)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(jì)衡算，要求達(dá)到操作費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)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(yàn)值取1.20~2.00之間?；ぴ矶嘟M分精餾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(dá)不到平衡狀態(tài)，而只是實(shí)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(shí)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(jì)算。Fenske公式（推導(dǎo)過程略）如果塔頂是全凝器，塔釜相當(dāng)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(dāng)于一塊理論板，所以最少理論塔板數(shù)為化工原理多組分精餾W123…NyxxDxw化工原理多組分精餾yzx精餾段操作線方程進(jìn)料狀態(tài)線方程化工原理多組分精餾2理論塔板數(shù)1）Gililand提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)算法，以Rmin和Nmin為基礎(chǔ)，適用于分離過程中相對(duì)揮發(fā)度不大的情況，該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表示成Gililand圖。2）Gililand圖還可擬合成關(guān)系式用于計(jì)算：3）另外，還有Rrbar和Maddox圖法。吉利蘭圖化工原理多組分精餾3進(jìn)料板位置1）用Gilliland關(guān)系圖確定塔板數(shù)要求精餾段和提餾段的塔板級(jí)數(shù)有最佳的分配。最佳的進(jìn)料級(jí)位置由Fenske方程確定。精餾段的最少平衡級(jí)：提餾段的最少平衡級(jí)：Brown和Martin提出：最佳進(jìn)料級(jí)位置可由下式確定，但可靠性較差?；ぴ矶嘟M分精餾2）克爾克勃萊特（Kirkhride)關(guān)于進(jìn)料位置提出如下經(jīng)驗(yàn)式：對(duì)于泡點(diǎn)進(jìn)料可以采用下列經(jīng)驗(yàn)式確定進(jìn)料位置?；ぴ矶嘟M分精餾逐板計(jì)算法逐板計(jì)算法是交替使用操作線方程、相平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，即以相平衡關(guān)系確定同一塊板上氣液相間濃度關(guān)系。以操作線方程表示相鄰兩塊板上氣液相間的濃度關(guān)系，最終得理論板數(shù)N。其步驟如下：（1）根據(jù)工藝要求進(jìn)行物料分布，求得餾出液量D及釜液量W，