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第3章多组分精馏1

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第三章 精馏

第三章 精馏

* A * B
*
(3-8)
当操作压强不高时，气相仍遵循道尔顿分 压定律，式(3-7)可改写为
pyA x A y A x B y A ( 1 x A ) pyB x B y B x A ( 1 y A )x A
x y 1 ( 1) x
（5-12）
（3 - 11）
例3-2 由表3-3数据，求算苯-甲苯的相对 挥发度、平均相对挥发度及气液两相平衡 组成。


精馏是气液两相间的传质过程，传质是 以两相达到平衡为极限的。在分析和解 决精馏操作中所涉及的问题时，常以溶 液的气液相平衡关系为基础。
§3.1 双组分溶液的气液相平衡

3.1.1理想溶液 ： 溶液中不同组分的分子间 作用力和相同分子的分子间作用力完全相 等的溶液.即 AA BB AB
图3-4 具有正偏差的非理想溶液的p-x相图
正偏差很大的体系
（a）T-x(y) 图
(b)
x-y图
图3-5 乙醇－水体系的气液相平衡组成图
负偏差很大的体系
（a）T-x(y) 图
(b)
x - y图
图4-6 硝酸-水体系的气液平衡组成图
4.1.3 相对挥发度
气液平衡关系除用相图表示之外还可用相对挥 发度来表示。 纯液体的挥发度通常指液体在一定温度下的饱 和蒸汽压 由于双组分溶液中一组分的蒸气压受另一组分 存在的影响，故溶液中各组分的蒸汽压比纯组 分的低，溶液中的挥发度可用它在蒸汽气中的 分压 pi 和与其成平衡的液相中的摩尔分数 xi 来表示。
表3-5 由平均相对挥发度计算所得苯-甲苯气液相平衡组成
T
xA yA
0
C
80.1 1.00 1.00
化工原理多组分精馏

化工原理多组分精馏

化工原理多组分精馏
2021年7月13日星期二
知识要求
1 多组分精馏过程分析 2 最小回流比 3 最少理论塔板数和组分分配 4 实际回流比和理论板数 5 多组分精馏的简捷计算方法
1 多组分精馏的特点和精馏方案的选择
一 多组分精馏原理
R
多组分 混合物 采用
ESA
相际传 质传热
液体多次 部分汽化
蒸汽多次 部分冷凝
dh wh
结合 f i d i wi
di wi
Nm 1 ih
dh wh
解得 di、wi
di
Nm 1 ih
(
dh wh
)
f
i
1
N ih
m
1
( dh ) wh
wi
fi
1
N ih
m
1
( dh ) wh
II、图解法 计算步骤
➢对关键组分
dl wl
Nm 1 lh
dh wh
此式的几何意义是：
lg( d l ) lg d h
)D
/(
xl xh
lg lh
)W
xl xh
D
Nm 1 lh
xl xh
W
Dx D,l Dx D,h
Nm lh
1
WxW ,l WxW ,h
dl dh
Nm 1 lh
wl wh
或
dl wl
Nm 1 lh
dh wh
2）以HK为基准组分，任意组分i的分配规律。
对照：d l wl
Nm 1 lh
W ih1 1 xD,l xw,h
l 1
zi zh xW ,h
D F i1 1 x D,l xW ,h
多组分精馏严格计算

多组分精馏严格计算


kmV m sm = Lm
vm = +1 w w
（蒸出因子） 蒸出因子）
vm v m +1 l m+1 lm = S m + 1 = sm + 1 w w w w
为提馏段用比流量值关联的物料平衡关系方程式和相平衡相 结合的方程式。 结合的方程式。 可一直向上算，一直计算到进料板上面一块板 为止。 可一直向上算，一直计算到进料板上面一块板lM+2 /d为止。 为止
S方程 方程
∑ x ji = 1
1）由塔顶向下，用精馏段操作线方程和相平衡 ）由塔顶向下，
进料级的确定和 进料级的确定和计算结束的判断 要求轻、重关键组分汽相浓度比值降低的越快越好 要求轻、重关键组分汽相浓度比值降低的越快越好 降低 当
yL y < L y H j精 y H j提
L2 , V2 , T2同样是假设的初值， 由算出了 2 /w ， 同样是假设的初值， 由算出了l 进而算出l 的值 的值。 进而算出 3 /w的值。
取第n+1块板为进料板 块板为进料板 取第
xL x H x x < L < L x x m H F H m +1 ↑ m +1 m
取第m+1板为进料板 板为进料板 取第
N = n+m
LM逐板法 逐板法 优点：比简捷法准确， 优点：比简捷法准确，能算出塔内的温 度断面和组成断面。 度断面和组成断面。 缺点：计算试差比较繁琐， 缺点：计算试差比较繁琐，而且算不出 塔内的汽-液流量断面 液流量断面。 塔内的汽 液流量断面。
多组分多级分离的严格计算
三、逐级计算法P169 逐级计算法
第三章 精 馏(分离工程,叶庆国)

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
化工分离过程(第8,9讲)(3.2多组分精馏过程分析)

化工分离过程(第8,9讲)(3.2多组分精馏过程分析)

Nm d d i , HK （3-12） w i w HK
15
3.2.3 最少理论塔板数和组分分配
对于非关键组分i有物料衡算式：
fi di wi
fi wi 1 d
可求得组分i在 将（3-12）式与上式联立得： 塔顶和塔釜的量
1 di fi wi wi
6
3.2.3 最少理论塔板数和组分分配
Fenske（芬斯克）公式推导前提


芬斯克推导了全回 流时二组分和多组 分精馏的严格解。 塔顶采用全凝器, 假设所有板都是理 论板,从塔顶第一 块理论板往下计塔 板序号。
7
3.2.3 最少理论塔板数和组分分配
Fenske方程推导过程：
从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：
甲烷 乙烷（LK） 丙烯（HK） 丙烷 异丁烷 正丁烷
总计
5.0 35.0 15.0 20.0 10.0 15.0
100.0
15.0-0.025D 20.00 10.00 15.00
W
18
1.根据物料衡算可列方程组：
100 D W
解得：
5 35 0.05W 0.025D D

清晰分割假设对丙烷(4)不成立，须调整
21
5.调整（以前面的结果为初值，进行试差） 设d=0.6448，其它不变，重复1—4步 计算，至前面两次结果相近为止。
结果：
d d lg w l w h 6.805 Nm lg lh
校核
3.2.3 最少理论塔板数和组分分配
3、方程的变形形式：
摩尔分率可用摩尔数、体积或重量比来代替，因为换算 因子可以相互抵消，得到另一种常用的一般形式：
化工分离工程第3章 多组分精馏2

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。
多组分精馏简述

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。

化工传质分离工程课后习题答案

化工传质分离工程课后习题答案

目录第一章绪论 (1)第二章单级平衡过程 (6)第三章多组分精馏和特殊精馏 (19)第四章气体吸收 (24)第五章液液萃取 (27)第六章多组分多级分离的严格计算 (28)第七章吸附 (34)第八章结晶 (35)第九章膜分离 (36)第十章分离过程与设备的选择与放大 (37)第一章绪论1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。

答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。

属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。

2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。

答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ESA)方法。

3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。

气体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。

4. 海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M ，式中C 为溶解盐的浓度，g/cm 3；M 为离子状态的各种溶剂的平均分子量。

若从含盐0.035 g/cm 3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K 。

问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M ＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa 。

所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa 。

5. 假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。

求： （1） 总变更量数Nv;（2） 有关变更量的独立方程数Nc ； （3） 设计变量数Ni;（4） 固定和可调设计变量数Nx ,Na ；（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？思路1：3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc 物料衡算式 C 个热量衡算式1个 相平衡组成关系式C 个 1个平衡温度等式1个平衡压力等式 共2C+3个 故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定设计变量Nx ＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na ＝0 解：（1） Nv = 3 ( c+2 )（2） Nc 物 c 能 1 相 cF ziT F P FV , yi ,T v , P vL , x i , T L , P L习题5附图内在(P ，T) 2 Nc = 2c+3 （3） Ni = Nv – Nc = c+3 （4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3 （5） Nau = c+3 – ( c+3 ) = 0 思路2：输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2) 独立方程数Nc ：物料衡算式 C 个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个 设计变量数 Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定设计变量Nx:有 C+2个加上节流后的压力共C+3个 可调设计变量Na ：有06. 满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求： （1） 设计变更量数是多少？ （2） 如果有，请指出哪些附加变量需要规定？解： N x u 进料 c+2压力 9 c+11=7+11=18N a u 串级单元 1 传热 1 合计 2 N V U = N x u +N a u = 20 附加变量：总理论板数。

第三章 多组分精馏

第三章 多组分精馏


层理论塔板才能满足分离要求所需的回流比，
称为最小回流比。多组分精馏计算中，必须用
解析法求最小回流比。
23

常用的是恩德伍德法，推导该式的基本假设是：
1) 体系中各组分的相对挥发度为常数；
2) 塔内气相和液相均为恒摩尔流。

根据物料平衡及相平衡表示，利用恒浓区的 概念，恩德伍德推导出最小回流比的两个联 立公式：

清晰分割时非关键组分在塔顶和塔底产品
中的分配用物料衡算求得。
11
12
总物料衡算 苯的衡算 乙苯的衡算
甲苯的衡算
13
(2) 非清晰分割

如果轻重关键组分不是相邻组分，则塔顶和塔 底产品中必有中间组分。 如果进料液中非关键组分的相对挥发度与关键 组分相差不大，则塔顶产品中就含有比重关键 组分还重组分，塔底产品中含有比轻关键组分
37
应用：实验制备的小批量物质分离、石油产 品评价、高效填料的性能测定、精细化工产
品的提纯、同位素产品的精制等。
计算：难以采用图解方法求解理论板数，通常
采用解析方法或简捷法确定理论板数、进料位
置等。计算中，精密精馏通常按二元混合物处
理。
38
3.5.3
盐溶精馏（加盐精馏）
一种采用特殊萃取剂的萃取精馏，用于难分 离混合物的分离。 例：乙醇-水 、丙醇-水、水-醋酸等的分离
5

对于双组分精馏；
塔顶：xDA 已确定 xDB =1- xDA ;
塔釜：xWB已确定 xWB =1- xWA ;

也就是塔顶、塔釜组成全部确定。

对于多组分精馏：Na=5 ，与组分数无关。
除规定全凝器饱和液体出料：2） R; 3）D/F外只
第3章多组分精馏1

第3章多组分精馏1


1区
2区
3区 4区
有两个极值点存在
(4)LK浓度分布：同二元 精馏的趋势
11
HK-HNK的分离区
多组分精馏组成分布（苯-甲苯-异丙苯物系）
图3-4 多组分精馏塔内
图3-3 多组分精馏塔 内温度分布
12
液相浓度分布
LK-HK的分离区
图3-5苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布
1区
2区
3区
4区
(1)进料板处各组分都有 一定的数量； (2)LNK浓度分布：1区几 乎为0、 2区上升、3区 恒浓、4区迅速上升、在 塔顶达高；
图例分析
3
3.1.1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、流率 和浓度分布。 Na=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线 采出(0)＋传热单元(2)= 5 已被指定的可调变量： （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。 对于多组分精馏，待定设计变量数 仍是2，所以只能指定两个组分的 浓度，其他组分的浓度则相应确定。 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。
14
3.1.1多组分精馏过程分析
二、多组分精馏流量分布特点 塔内流量的变化与热平衡密切相关。 (1)在精馏过程中，塔内物流的分子量沿塔向上一般 是减小的，而低分子量物料汽化潜热较小,所以沿塔向上 V汽＞L液，即沿塔向上汽相流量有增加的趋势。 (2)沿塔向上温度是逐渐下降的，汽体沿塔向上流动 时被冷却(放热)，导致下降的液体被加热或汽化，若液 体被汽化则向上流量增加；液体沿塔向下流动是被加热 (吸热)，导致上升的气体被冷却或冷凝，若气体被冷凝 则向下的流量增加。如果被分离的物料间沸点差大，即T釜 与T顶 差很大时，温度变化对流量变化影响大。 三、多组分精馏温度分布主要取决于物流的组成分布。
化工分离过程__第3章第一讲设计变量的确定

化工分离过程__第3章第一讲设计变量的确定

3
Overhead vapor
Total condenser
Reflux drum Top stage Bottom stage Feed stage
4
已知变量
Known variables
Feed stream flow rate
A concentration in feed
Feed condition in distillation
37
一、关键组分（Key Components）
Na=串级数(2)＋分配器(1) ＋侧线采出(0)＋传热单元(2)
= 5 （不论有多少个组分）
已被指定的可调变量：
（1）进料位置 feed stage location ； （2）回流比 reflux ratio ；
（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。heat transfer area of the condenser or condensate temperature( i.e., saturated liquid)
2
3.1 设计变量 Independent Design Variables
设计前需给定数值的变量 物理量： 流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热 负荷、机械功、传热面积、理论板数等。
设计前需预先给定数值的变量称为设计变量。 设计变量的个数称为设计变量数。
例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出， 则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道 确定的方法。
= 2C+6
NCe
物料衡算式： C
能量衡算式： 1
相平衡关系式： C(P-1)+2=C+2
化学反应平衡式： 0
内在关系式： C+1

3.1 多组分精馏过程2012-3-23


20122012-5-7
12
化工分离工程
3.1.1 多组分精馏过程分析
（2）多组分精馏塔内温度与理论板的关系 比较二组分图3-4和多组分图 温度 比较二组分图 和多组分图3-5温度与理论板的关系 和多组分图 温度与理论板的关系
图3-4 二组分精馏塔温度分布
甲苯-异丙苯精馏塔内温度分布 图3-6 苯-甲苯 异丙苯精馏塔内温度分布 甲苯
塔底产物
化工分离工程
3.1.1 多组分精馏过程分析
2、组分在塔顶、塔底产品中的预分配 组分在塔顶、
（1）清晰分割
清晰分割 非清晰分割
A—几乎全部 或可能是全部 B—绝大部分 C—限制量 D—少量/微量 少量/ E—微量
（2）非清晰分割
N 进料 A 轻组分 B（LK）轻关键组分 LK） C（HK）重关键组分 HK） D 重组分 E 重组分 塔底产物 塔顶产物 A—全部 B—部分 C—限制量
进料
清晰分割
A—全部 B—部分 C—限制HK 限制HK
N
塔顶产物
重组分全部进入釜 液产品， 液产品，轻组分全 部进入馏出液产品 中。 非关键组分在两产 品中的分配可以通 过物料衡算求得。 过物料衡算求得。
20122012-5-7
A 轻组分
B（LK）轻关键组分 LK） C（HK）重关键组分 HK） D 重组分 E 重组分 塔底产物 B—限制量LK 限制量LK C—大部分 D—几乎全部 E—全部
20122012-5-7 9
A—几乎全部 或可能是全部 B—绝大部分 C—部分 D—限制量HK E—少量/微量 少量/
N 进料
塔顶产物
A—轻组分
B—（LK）轻关键组分 LK） C —中间组分 D—（HK）重关键组分 HK） E—重组分 A—少量/微量 少量/ B—限制量LK 限制量LK C—部分 D—绝大部分 E—可能是全 部或几乎全部

第三章 3.4 多组分精馏2


当R Rop，总费用随R的减小而急剧增加 当R Rop，总费用随R的增大而增加 故通常取 一般取 R = 1.2 ~ 1.5 Rmin R = 1.3 Rmin
R↑=>N↓ 塔径、再沸器、 冷凝器增大
15
刘志伟. 回流比对操作费和设备费的影响. 现代化工. 1997(3):34~36
2、理论板数
4
五、最小回流比（Rmin）: Underwood方程
1. 二元精馏：最小回流比下，出现1个恒浓区或称夹点。
典型理想体系，夹点位于进料级
1.0
P x=xD x=zF x=xB
1.0 (a)典型理想系统
5
y
0
x
恒浓区位置
二元精馏 恒浓区
典型非理想体系，夹点位于进料级以上
1.0
P x=xD x=xB x=zF x
（4）轻、重组分均为分配组分(all components distributed)
少 见
7
3. Underwood方程：计算Rmin
假设： 1、各组分相对挥发度是常数 2、塔内汽液相流率为恒摩尔流
（3-3b)
（3-3a)
8
3. Underwood方程：计算Rmin
首先，用试差法解出式（3-3b）中的θ 值。 分配组分只有轻重关键组分两个时，则θ 只 有一个，且αH,r < θ < αL,r。 分配组分不止轻重关键组分时，则有m个θ 值，m比分配组分数小1。且θ 位于分配组分 的两个相邻相对挥发度之间。 实际计算中，xi,D常近似用全回流条件下的馏 出液的组成
最小理论板数(Nmin)和最小回流比(Rmin)是两 个极限条件，它们确定了塔板数和操作回流 比的允许范围，有助于选择特定的操作条件。 回流比影响操作费用 理论板数影响精馏塔设备投资 N↑ R↓

分离工程题库附答案

分离工程题库附答案分离工程题库附答案第一章绪论填空题：1、分离技术的特性表现为其（重要性）、（复杂性）和（多样性）。

2、分离过程是（混合过程）的逆过程，因此需加入（分离剂）来达到分离目的。

3、分离过程分为（机械分离）和（传质分离）两大类4、分离剂可以是（能量）或（物质），有时也可两种同时应用。

5、若分离过程使组分i及j之间并没有被分离，则（a s ij=1）。

6、可利用分离因子与1的偏离程度，确定不同分离过程分离的（难易程度）。

7、平衡分离的分离基础是利用两相平衡（组成不相等）的原理，常采用（平衡级）作为处理手段，并把其它影响归纳于（级效率）中。

8、传质分离过程分为（平衡分离）和（速率分离）两类。

9、速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种（推动力）作用下经过某种介质时的（传质速率）差异而实现分离。

10、分离过程是将一混合物转变为组成（互不相等）的两种或几种产品的哪些操作。

11、工业上常用（分离因子）表示特定物系的分离程度，汽液相物系的最大分离程度又称为（固有分离因子）。

12、速率分离的机理是利用传质速率差异，其传质速率的形式为（透过率）、（迁移率）和（迁移速率）。

13、绿色分离工程是指分离过程（绿色化的工程）实现。

14、常用于分离过程的开发方法有（逐级经验放大法）、（数学模型法）选择题：1、分离过程是一个（A）a.熵减少的过程；b.熵增加的过程；c.熵不变化的过程；d.自发过程2、组分i、j之间不能分离的条件是（C）a.分离因子大于1；b.分离因子小于1；c.分离因子等于13、平衡分离的分离基础是利用两相平衡时（A）实现分离。

a.组成不等；b.速率不等；c.温度不等4、当分离因子（C）表示组分i及j之间能实现一定程度的分离。

a.a ij=1b.a s ij=1c.a ij<15.下述操作中，不属于平衡传质分离过程的是（C）a.结晶；b.吸收；c.加热；d.浸取。

6、下列分离过程中属机械分离过程的是（D）：a.蒸馏；b.吸收；c.膜分离；d.离心分离。

多组分精馏

② 非清晰分割
不满足清晰分割的条件，采用近似方法估计。 给定条件：轻关键组分在馏出液中的回收率;
重关键组分在釜液中的回收率。
方法：享斯特别克法（Hengsteback） 假设： (a) 各组份在馏出液和釜液中的流率分配与回流比无关； (b) 非关键组分在产品中的分配情况与关键组分的相同。
回流比为无限大时，对轻、重关键组分由芬斯克方程得：
第n 块板为进料板
提馏段从下至上计算，直至满足：
xl xh
m
xl xh
q
xl xh
m1
xni与xmi不一致，称为不契合 。 产生不契合的原因：两端产品组成的浓度是估算值。 解决办法：调整塔两端产品中非关键组分的组成及产品流量
直至契合满足规定的要求。
第m块板为进料板， m 为提馏段理论塔板数。
（2）非关键组份在两端产品中的分配 作为设计型计算，求N，欲知qnD， qnW，必需知 xwi和xDi，
但xwi 、 xDi 又和N有关，故需试差。
估算方法：
① 清晰分割 比轻关键组份更轻的各组分均从塔顶蒸出，比重关键组份 更重的组分，均从塔底排出，且两关键组分为相邻组分，
称为清晰分割。可以进行严格的计算。
根据假定（b），对任意组份与重关键组份来说，也有：
N min
log qnDi qnDh
qnWi qnWh
log i,h
log
q nDi q nWi
qnDh qnWh
log i,h
故有：
log( qnDi qnWi
)
logi,h logl,h
log
qnDl qnWl
于是有：
qnDi =已知数
代价：中沸器下方塔板分离能力被削弱。

《分离工程》第3章 特殊精馏

第三章特殊精馏3.2 混合物组分相图3.3 萃取精馏3.4 恒沸精馏3.1 概述普通精馏不适用于以下物系的分离：╳α=1；╳α≈1；╳热敏性物系；╳含量低的难挥发组分；3.1概述实现分离、降低能耗为什么用特殊精馏？x, yTP 1P 2相对挥发度随压力变化大改变操作工艺或条件仍可采用普通精馏？3.1概述恒沸组成随压力变化76.5℃69.3%109.0℃60.1%2000kPa101.3kPa改变操作工艺或条件仍可采用普通精馏？H 2OCH 3CN3.1概述WaterAcetonitrile50%60.1%109.0 ºC69.3%76.5 ºC101.3kPa2000kPa塔1塔2恒沸物是非均相x,yT改变操作工艺或条件仍可采用普通精馏？3.1概述水相有机相水有机溶剂有机相水相进料塔1塔2分类:❒萃取精馏: 加溶剂S , 使a AB ❒恒沸精馏: 加溶剂S , a AS = 1 , a AB ❒加盐精馏: 加盐，a AB❒反应精馏: 通过分离促进反应，或者通过反应促进分离特殊精馏？分类？特殊精馏——既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏3.1概述无盐5%盐盐饱和x1y1醋酸钾浓度对乙醇-水相平衡的影响Furter经验方程：加盐，a AB()ss kx =ααln 乙醇-水加盐精馏体系示例：甲醇和甲醛缩合生产甲缩醛，甲醛转化率低利用精馏促进反应，或者利用反应促进精馏通过精馏分离促进反应，提高转化率。

OH O H C O CH OH CH 263232+↔+第三章特殊精馏3.1 概述3.2 混合物组分相图3.3 萃取精馏3.4 恒沸精馏3.2 混合物组分相图ABCM三组分相图的几种形态等腰直角三角形坐标系等边三角形坐标系X-Y 直角坐标系00.20.40.60.8100.20.40.60.81YXMABCM简单蒸馏剩余曲线图三元混合物间歇蒸馏釜中液体完全混合，泡点3.2混合物组分相图(2)(3)(4)(5)WdtdWx y dt dx i i i )(-=WdtdW dt d -=ζ2,1,=-=i y x d dx i i iζ(1)3,2,1,==i x K y i i i 1,13131==∑∑==i iii ixK x),,,,,,(321321y y y x x x T f =ζ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=)(ln )(0t W W t ζiy ix W ,剩余曲线图3.2 混合物组分相图剩余曲线：蒸馏过程中剩余液相组成随时间变化关系的曲线。

化工原理多组分精馏

化工原理多组分精馏简介多组分精馏是一种常见的化工分离技术，广泛应用于石油、化工、药品等行业中。

本文将介绍多组分精馏的基本原理、设备和操作、影响因素，以及应用案例等内容。

基本原理多组分精馏是通过不同组分的挥发性差异实现分离的一种方法。

在一个精馏塔中，原料液体进入塔顶，经过加热后蒸发，蒸汽上升并与冷却剂进行接触，冷却后变为液体，得到精馏液。

根据不同的沸点，各组分在塔内得到部分蒸发和凝结，最后在塔顶和塔底得到不同组分的纯化产品。

设备和操作多组分精馏通常由以下设备组成：1.精馏塔：用于将混合物分离成多个组分的关键设备。

塔内通常有填料或板式反应器，以增加传质效果。

2.热交换器：用于加热和冷却原料和冷却剂。

3.冷凝器：用于将蒸汽冷却成液体，以获取精馏液。

4.回流器：用于控制精馏液的回流或提供塔顶的回流液。

在操作多组分精馏塔时，需要注意以下几点：1.控制塔顶温度：通过调节加热和冷却剂的流量，控制塔顶温度，确保所需组分能够得到纯化。

2.控制回流比：回流比是回流液与塔顶出口流量的比值。

通过调节回流比，可以改变塔内的传质效果，影响分离效果。

3.利用塔内温度梯度：塔内温度从塔底到塔顶逐渐增加，利用温度差异来实现组分的分离。

影响因素多组分精馏的效果受到多个因素的影响，以下是几个重要的影响因素：1.组分挥发性差异：组分之间的沸点差异越大，精馏效果越好。

2.塔设计：塔的高度、填料或板式的选择，对传质效果和分离效果有直接影响。

3.温度梯度：塔内温度梯度越大，分离效果越好。

4.回流比：适当的回流比可以改善传质效果，提高精馏效果。

5.操作参数：加热剂和冷却剂的流量、操作压力等参数的调节，会直接影响精馏过程的效果。

应用案例多组分精馏在化工领域有着广泛的应用。

以下是几个常见的应用案例：1.石油炼油：通过多组分精馏，将原油中的各种烃类分离出来，得到汽油、柴油、煤油等产品。

2.药品制造：制药工业中，多组分精馏被用于纯化药物原料，去除杂质，提高药品的纯度和品质。

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思考题
重点掌握 掌握 了解 了解
2
3.1多组分精馏过程
（Multicomponent rectification process）
多次单级平衡分离过程的串联，简称精馏。
精馏原理：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，蒸汽多次部分冷凝实现 汽液间的传质过程，使汽液相间浓度发生变化，并结 合回流手段，使各组分到达分离的目的。
(3)HK浓度分布：1区 上升、2 区下降、3区 上升，4区下降
有两个极值点存在
HK-HNK的分离区
(4)LK浓度分布：同二元 精馏的趋势
11
多组分精馏组成分布（苯-甲苯-异丙苯物系）
图3-4 多组分精馏塔内 液相浓度分布
图3-3 多组分精馏塔 内温度分布 12
LK-HK的分离区
1区 2区 3区
14
3.1.1多组分精馏过程分析
二、多组分精馏流量分布特点 塔内流量的变化与热平衡密切相关。 (1)在精馏过程中，塔内物流的分子量沿塔向上一般
是减小的，而低分子量物料汽化潜热较小,所以沿塔向上 V汽＞L液，即沿塔向上汽相流量有增加的趋势。
(2)沿塔向上温度是逐渐下降的，汽体沿塔向上流动 时被冷却(放热)，导致下降的液体被加热或汽化，若液 体被汽化则向上流量增加；液体沿塔向下流动是被加热 (吸热)，导致上升的气体被冷却或冷凝，若气体被冷凝 则向下的流量增加。如果被分离的物料间沸点差大，即T釜 与T顶 差很大时，温度变化对流量变化影响大。 三、多组分精馏温度分布主要取决于物流的组成分布。
轻非关键组分（LNK），轻组分 轻关键组分（LK） 多组分精馏物系组成： 中间组分 重关键组分（HK） 重非关键组分（HNK），重组分
5
3.1.1多组分精馏过程分析
2、分配组分与非分配组分
①在塔顶馏出液、塔釜液中同时出现的组分为分配组分。
②只在塔顶馏出液或塔釜液中出现的组分为非分配组分。
➢ 关键组分一定是分配组分。
三组分精馏温度分布 在两段的两端、进料位置变化快，但中间段 变化慢。
9
④组成分布（浓度）
苯－甲苯物系
二组分精馏温度分布
二组分精馏组成分布
10
图3-4 苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布
LK-HK的分离区
1区 2区
3区 4区
(1)进料板处各组分都 有一定的数量
(2)HNK浓度分布：在再 沸器中最高、1区迅速 下降、 2区恒浓至进料 板、3区迅速下降、4区 降为0。
图例分析
3
3.1.1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、流率 和浓度分布。
Na=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线
F
采出(0)＋传热单元(2)= 5
已被指定的可调变量：
（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。
对于多组分精馏，待定设计变量数 仍是2，所以只能指定两个组分的 浓度，其他组分的浓度则相应确定。
LK-LNK的分离区
图3-5苯-甲苯-异丙苯精馏塔内液相浓度分布
(1)进料板处各组分都有 一定的数量；
(2)LNK浓度分布：1区几
4区
乎为0、 2区上升、3区 恒浓、4区迅速上升、在
塔顶达高；
(3)LK浓度分布：1区迅 速上升、2区下降、3区 上升，4区下降；
有两个极值点存在
(4)HK浓度分布：再沸器 中浓度最大、1区迅速下 降、2区恒浓至进料板、3 区迅速下降、4区降为0
分离工程
(Separation Engineering)
3 多组分精馏和特殊精馏
(Chapter3 Multicomponent rectification and special rectification)
1
本章主要学习内容
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
15
3.1.5多组分精馏的（FUG）简捷计算方法
简捷法计算只解决分离过程中平衡级数、进料与产品 组成间的关系，而不涉及级间的温度与组成的分布。
精馏简捷计算方法 ——FUG法
Fenske
Underwood Gilliland
Nm
Rm
R、N
16
3.1.5多组分精馏的（FUG）简捷计算方法
一、清晰分割计算过程
7
②摩尔流率
二组分精馏汽液流率分布 苯-甲苯物系
在进料板处液体组成有突变，其 他各板的摩尔流率基本为常数
三组分精馏汽液流率分布
苯-甲苯-异丙苯物系 液、汽流量有一定的变化， 但液汽比接近于常数。
8
③温度分布：从再沸器到冷凝器单调下降
二组分精馏温度分布 在两段的两端、进 料位置变化慢，但 中间段变化快。
13
3.1.1多组分精馏过程分析
多组分精馏特点分析总结
一、多组分精馏含量分布的特点
(1)关键组分的含量存在极大值； (2)非关键组分通常是非分配组分 即重组分只在塔底出现，轻组分只 在塔顶出现； (3)轻、重非关键组分分别在进料 板上、下形成几乎的恒浓区； (4)全部组分均存在进料板上，但不 等于进料含量； (5)塔内各组分的含量分布曲线在进 料板处是不连续的。
6
3.1.1多组分精馏过程分析
三、多组分精馏过程的特性(与二组分精馏比较) 主要从求解方法、塔内流率、温度、组成分布进行
多组分精馏过程的特性分析。
①求解方法 对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一端出 发，作逐板计算，无需试差。 对于多组分精馏，由于不能指定全部组成，所以需先 假设一端的组成，再通过反复试差求解。
➢ 非关键组分不一定是非分配组分。
3、清晰分割与非清晰分割
①清晰分割：塔顶馏出液中除重关键组分外，没有其他重 组分，釜液中除轻关键组分外没有其他轻组分。
➢ 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。
➢ 轻组分全部从塔顶采出，重组分全部从塔釜采出。
➢ 非关键组分为非分配组分。
②非清晰分割：非关键组分为分配组分。
余下的2个可调 设计变量往往 用来指定组Hale Waihona Puke 在馏出液和釜 液中的浓度。4
3.1.1多组分精馏过程分析
二、几个基本概念 1、关键组分（Key Components） 关键组分：由设计者指定分离要求的那两个组分称为
关键组分。
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）。
(1)根据工艺条件及工艺要求，找出一对关键组分；
(2)按清晰分割进行物料衡算，求得塔顶和塔釜的流量 和组成；