《精馏过程模拟》PPT课件

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。
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。 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）。
⑵名词解释
①关键组分
在设计或操作控制中,有一定分离要求,且在塔 顶、塔釜都有一定数量的组分称为关键组分
第3章 精 馏
• 3.1 多组分精馏过程分析 • 3.2 恒沸精馏 • 3.3 萃取精馏 • 3.4 加盐萃取精馏
本章要求：
• ⑴多组分精馏
• 1）掌握多组分精馏的清晰分割的物料衡算， 恩特伍德法最小回流比的计算，最少平衡级数 及塔顶和塔釜组分分配的计算，实际回流比、 平衡（理论）级数、适宜进料位置的确定
一、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。
简单蒸馏
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
⑴精馏操作流程
• 分析：
• 平衡蒸馏以及简单蒸馏只能使混合液得到部分 分离
• 简单蒸馏操作是对液体的连续部分汽化，釜液 组成沿t—x（y）相图的泡点线变化，其结果可 得难挥发组分含量很高的釜液
HF
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）：xLW ; xHD
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 工艺要求按AB与CD分开，B为LK，C为HK
§3-1 多组分精馏
Multicomponent distillation

溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和即p总papb当压力104kpa时双组分气相可视为理想气体据道尔顿分压定律气体据道尔顿分压定律此式为用饱和蒸气压表示的气液平衡关系
第六章 精馏
组员：
零梅妹 朱喜迎 尚赟 李桂浩 赵兴云 罗世波 农雄机 黄勇胜
1.气液相平衡
1.1 定义 1.2 两组分理想溶液的气液平衡相图 1.3 气液相平衡关系
A xA pB B
定义式 xB 代入 pA
α 愈大，A、B两组分愈容易分离； α =1不能用普通精馏分离。
对理想溶液：
0 p p x 拉乌儿 A A A 0 x x p A 0 A A 0 p p x p B B B B 定律 x x B B
d.下曲线为t-x线，也称为饱和 苯—甲苯混合液的t-x-y图 液体线（泡点线）
1.2.2 x-y图
a.以x（气相或液相的浓度） 为横坐标，y（温度）为纵坐 标 b.曲线表示液相组成与之平衡 的气相组成间的关系。 c.对角线x=y的直线 ,作查图 时参考用 。 d.平衡线位于对角线上方
苯—甲苯混合液的x-y图
分冷凝相结合的操作。
精馏中的两个重要概念：
轻组分：挥发性高的组分（沸点低的组分）
重组分：挥发性低的组分（沸点高的组分）
液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的
难挥发组分 。
气体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的
易挥发组分。
2-2 精馏原理
① 回流
塔顶液相回流和塔底汽相回流，为偏离衡的气 液相在塔内各板上提供了接触条件，实现了气 液相间的质量传递。
馏出液 进料
塔顶蒸汽进入全（冷）凝器被
全部冷凝，将部分冷凝液用泵（ 或借重力作用）送回塔顶作为回 流液体，其余部分作为塔顶产品 （称为馏出液）采出。

V'---提馏段中上升蒸汽摩尔流量（kmol/h)。
②恒摩尔液流: 精馏操作时，在塔的精馏段内， 每层板下降的液体摩尔流量都是相等，在提馏段 内也是如此，但两段液体的摩尔流量却不一定相 等，即：
L1 = L2 =...= Ln =L L1'= L2' =...=Ln' =L' 式中 L----精馏段中下降液体摩尔流量（kmol/h）
• •
2、精馏塔
板式塔
•分类 填料塔
x ，t n-1 n-1
yn，tn
工作原理：
理论板： 精馏段： 提馏段： 进料板（加料板）：
y ，t n+1 n+1
xn，tn
如何确定加料 板位置？
第四节 精馏塔的物料衡算和操作线方程
一、全塔物料衡算
V，y1
以全塔为衡算范围，以单位时
间为基准，则有
F，xF
总物料: F = D + W
操作关系：精馏塔内自任意第n层塔板下降 的液相组成与其相邻的下一层塔板上升的气 相组成之间的关系。
精馏段操作线方程 的推导图
V，y1
1 2 n
n+1
y1 L，xD
x2
y2
yn
xn yn+1
F，xF
D，xD
易挥发组分：
L，xD
D，x
V´
F ·xF= D·xD + W·xw
L´
W，
回收率：
易挥发组分回收率 = DxD
FxF
×100℅
难挥发组分的回收率 =
W (1 xw ) F (1 xF )
×100℅
[例题] 某连续精馏塔操作压力为700kPa，用来

lglh
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。

SCFrac
第4页
4.1 单元操作模型 -- 塔-严格塔
模型
RadFrac
说明 严格分馏
目的 单个塔的严格核算和设 计
用法 蒸馏, 吸收, 汽提, 萃取和恒沸蒸馏, 反应蒸馏 热集成塔, 空气分离器, 吸收塔/汽 提塔 结合, 乙烯主分馏塔/急冷塔 组合, 石油炼制 预闪蒸塔, 常压原油单元, 减压单元 , 催化裂解塔 或焦碳分馏塔, 减压 润滑油分馏塔, 乙烯分馏塔和急冷 塔 一般恒沸蒸馏, 3-相, 和反应间歇蒸 馏
模型 说明 目的 确定最小回流比, 最小 理论板数, 和用 WinnUnderwood-Gilliland 方 法得到的实际回流比或 实际塔板数 用途 带有一个进料物流和两个 产品物流的塔
DSTWU 简蒸馏 核算 石油馏分的 简捷法蒸馏
用 Edmister 方法在回流 带有一个进料物流和两个 比、理论板数和D：F比 产品物流的塔 的基础上确定分离 用分离指数确定产品的 复杂塔， 例如原油加工装 组成和流量， 每段的塔 置和减压塔 板数，负荷
2）指定第一调整变量 --- Specifications 调整distillate rate 在0.2-0.6kmol/sec之间变化
第35页
例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
3) 运行模拟 --- Control Pannel
第36页
例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
4) 查 看 结 果
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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
5）指定第二控制变量--- Specifications 第二控制变量为塔底中c3的浓度值为0.01
第38页
例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能

精馏与精馏塔
1.精馏的基本介绍
1.1 精馏的定义
精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元 操作，其实质是多级蒸馏，即在一定压力下，利用 互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同， 使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽 化，经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相 中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而 实现分离。
1-2-2 精馏原理
① 回流
塔顶液相回流和塔底汽相回流，为偏离平衡的气液相 在塔内各板上提供了接触条件，实现了气液相间的质 量传递。
L0
V2与L0是偏离平衡的气
液相，在塔板上接触，
进行质量传递，浓度变
化趋向于平衡组成。
V2
②传质推动力 y x
③ 传质方向 易挥发组分：液相→汽相； 难挥发组分：汽相→液相。 易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向降低。 ④ 热量传递过程
1.2 精馏原理
1-2-1 精馏基本原理 精馏是将液体混合物多次部分气化和部分冷
凝,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α） 的特性，实现分离目的的单元操作。
精馏中的两个重要概念： 轻组分：挥发性高的组分（沸点低的组分） 重组分：挥发性低的组分（沸点高的组分） 液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的 难挥发组分 。 气体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的 易挥发组分。
液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。 ⑤ 过程控制
精馏过程速率由传质过程控制。
2.精馏操作流程
再沸器
冷凝器
精 馏 塔
根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏 操作，而必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有 时还要配有原料液预热器、回流液泵等附属设备， 才能实现整个操作。
再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝 器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相 回流，因而精馏能稳定的进行。

图
yA
PA P外
P0A x A P0A xA P0B (1
x A)
或
yA
P0A P外
xA
P0A P外
P外 P0B P0A P0B
f A (t) P外
P外 f B (t) f A (t) f B (t)
式中： t —— 汽相中出现第一滴组成为xA的液滴时 所对应地温度，即露点t露
因此：① 若已知 t露、 xA 则可求出 yA （直接计算） ② 若已知 xA 、yA 则可求 t露（试差）
a. 对于简单蒸馏：
ln
q简
1 1
ln
xf xw
ln
1 1
xf xw
ln
1
1 1
xf xw
1 ln 1
xf xw
b. 对于平衡蒸馏：
y
w
1
x
f
q`
1
q q`
xw
yw
1
xw
1
xw
即：
q`
xw 1 x f x f
1xw 1
1 xw
xw
1
1
1
x x
f w
1
1
xf xw
不难计算出在相同的α、xx
汽相：理论气体及道尔顿分压定律
于是：
① PA P0A xA
且 P0A f A (0B xB P0B f B (t) —— 纯物质的饱和蒸汽压
② PA PB P外 （混合物沸腾条件）
A. 液相组成与温度的关系（泡点方程）
xA
P外 P0B P0A P0B
② 负偏差溶液体系： 特点：相反于正偏差体系。 常见体系：硝酸-水、氯仿-丙酮等。

顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔内 汽液两相间的接触传质得以进行。 • 一热一冷多次进行传质传热，同时尽可能 的达到气液平衡，这样才能对物质进行分 离。
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2、塔顶为什么要有液体的回流？ 塔内任一板要进行相际传质、传 热，必须有两相，而塔顶只有蒸 气，无液相，必须引入液相，且 满足 x入> x 1，则 xD 引入最方便
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广东中能酒精有限公司
简单蒸馏
• 用蒸汽加热含有酒精的醪 液，当达到该酒精水溶液 的沸点时，它们便沸腾汽 化，蒸汽中的酒精含量便 高于醪液，亦即醪液减少 较多的酒精和较少的水分 ，若将酒汽冷凝而收集， 则可得到较高浓度酒精的 水溶液，当然醪液中其它 挥发性物质亦混杂在其中 。
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广东中能酒精有限公司
塔顶产品, xD Overhead product
馏
液相回流
段
Liquid reflux
料液, xF Feed
精馏段 Rectifying section
• 在保证产量的情况下，就必须增加热源， 那么就会导致上层塔板的温度升高，而酒 精浓度是降低的，因为此时得到的水与酒 精的共沸物。
• 所以增加回流保证上层塔板酒精浓度，可 保证塔体的稳定蒸馏状态，保证成品质量
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再沸器的作用
• 再沸器（也称重沸器）是使液体再一次汽 化。它的结构与冷凝器差不多，不过一种 是用来降温，而再沸器是用来升温汽化。
蒸馏塔工作原理
• 酒精水溶液加热至沸腾时 ，蒸汽中的酒精含量较溶 液中含量高，酒精水溶液 的酒精含量愈高，其汽化 或升高温度所需的热量越 少，沸点也越低，这两个 规律，要得到高浓度酒精 ，就有人设想出一种多次 汽化与冷凝的特别的蒸馏 设备，以“最经济的方法 ”蒸馏得到高浓度的酒精 。

4/26/2020
采用四塔工艺流程的优点
• (3)由于预塔塔底的温度远低于加压塔的进料口处的温度， 加压塔进料属于冷进料，而加压塔釜液温度又高于常压塔 进料口处的温度，常压塔进料属于过热进料状态。无论是 冷进料还是热进料对精馏塔分离都是不利的，需损失一定 高度的的填料用于换热。设计的一台加压塔进料/釜液换 热器，尽量降低进料和进料口处的温差，从而提高了加压 塔和常压塔的3/4分离效率。
4/26/2020
四、精馏段与提馏段的温度控制
• 1、精馏段温度控制
•
以精馏段产品的质量为控制目标，根据温度检测点的
位置不同，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制 等类型。操纵变量可选择回流量 或塔顶采出量 。也可将 塔釜采出量 作为操纵变量，但应用较少。
• 采用塔顶温度作为被控变量，能够直接反映产品质量，但 因邻近塔顶处塔板之间的温度差很小，该控制方案对温度 检测装置提出较高要求，例如高精确度、高灵敏度等。此 外，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对温度的扰动， 因此，采用塔顶温度控制塔顶产品质量的控制方案很少采 用，主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。
4/26/2020
五、精馏系统开停车
（一）精馏塔在开车时注意事项： • （1）接到开车命令后，马上与有关岗位联系，进 行开
升蒸汽的流量相等，便于精馏塔的设计，甲醇精馏也用泡 点进料，有时在实际生产中，往往由于精馏段略有富裕， 在保证甲醇质量的前提下，采用气液混合进料，这样就减 少了精馏段的板数，提馏段板数得以增多，有利于重组分 的浓集回收。进料状态改变时引起精、提馏段的重新分配， 必然将引起塔内气液平衡和温度的变化，要通过调节才能 达到新的平衡塔板，或加料板的温度。 采用中温作为被控变量，可以兼顾塔顶和塔底成分，及时 发现操作线的变化。但因不能及时反映塔顶或塔底产品的 成分，因此，不能用于分离要求较高、进料浓度变化较大 的应用场合。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
x
5
例应用下表的苯和甲苯的蒸汽压数据，求平均相对挥发度 m和体系 的y~x 曲线。
解：此物系可以视为理想物系
p0A/ pB0
t/℃
80.1 84 88 92 96 100 104 108 110.6
pA0/kPa 101.3 114 128.4 144.1 161.3 180.0 200.2 222.4 237.7
F
85
80
75 0 .0
x' m 0 .2
x F
0 .4
0 .6
x or y
A
y n
0 .8
1 .0
12
多次部分汽化和多次部分冷凝示意图
缺点：产品量少、能量损失
Vn
Vn-1
feed s te a m
V0 w ater
V1
L1 V '1
water
water Ln
Ln-1
V 'm-1
s te a m
V 'm
组分进行衡算，得
FDW
F,
D , xD
xF
FF xDDx WW x
一般，F、xF、xD、xW为已知量；
W、D为未知量。求解方程组可得
W,
xw
D F xF xW W F xD xF
xD xW
xD xW
精馏过程经常用回收率表示：
易挥发组分回收率
1＝DFxxFD 100%
难挥发组分回收率
2＝W F((11xxW F))10% 0
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0