2多组分精馏

3.2多组分精馏 基本要求：掌握多组分精馏与双组分精馏的异同，多组分精馏的简捷算法； 了解多组分复杂精馏和多组分精馏的精确算法及 AspenPlus 软件。 重点：多组分精馏简捷算法。 难点：多组分精馏精确计算。 3.2.13.2.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 精馏是化工生产中广泛应用的单元操作之一。 它利用液体混合物中各组分挥 发度的差异使其得到分离。 在《化工原理》 课程中对双组分液态混合物的精馏进行了讨论，但是在实际 出产中所遇到的待进行精馏分离的液态混合物往往为多组分。 【实例】聚苯乙烯原料――苯乙烯的精制 聚合反应一般要求单体的纯度很高，这里要求苯乙烯含量大于 98％。苯乙 烯的制备过程：先由乙烯与苯反应生成乙苯，再由乙苯脱氢得到苯乙烯： CH2－CH3 CH 2=CH2 + CH2－CH3 (乙苯) CH＝CH2 －H2 （苯乙烯） 在粗产品中，除主要含有苯乙烯外，还有苯、甲苯、乙苯和焦油等组分，不 能满足聚合反应对单体的纯度要求，所以要对多组分的粗苯乙烯多组分的粗苯乙烯进行精馏分离。 因此，研究多组分精馏更具有实际意义。 多组分精馏就是本节要讨论的内容，是本课程的重点之一。多组分精馏就是本节要讨论的内容，是本课程的重点之一。 双组分精馏我们已经比较熟悉，为了研究多组分的精馏，我们先比较一下多 组分精馏与双组分精馏的异同，以便我们对多组分精馏有个基本的认识。 一一. . 多组分精馏与双组分精馏的异同多组分精馏与双组分精馏的异同 （一）相同点（一）相同点（两者的共性） 两者均为精馏，因此有许多共同点。 1.分离依据相同——各组分挥发度的差异 （沸点的差异、 饱和蒸汽压的差异） 只有混合物中各组分的挥发度（沸点）不同才能通过精馏来分离。易挥发 （沸点低）的组分在塔顶馏出液中含量较高，难挥发（沸点高）的组分在塔釜液 中含量较高。 2. 分离原理相同——多次部分汽化、多次部分冷凝 使汽相中轻组分浓度不断提高、重组分浓度不断降低，液相中重组分浓度不 断提高、轻组分浓度不断降低，从而使轻重组分分离。 2. 设备的基本组成相同——由塔体、再沸器、冷凝器等三个基本部件组成。 4. 计算的理论依据相同——三大平衡（物料衡算、相平衡和热量平衡） （二）不同点（二）不同点（多组分精馏的特性） 多组分精馏由于组分增多，因而具有一些与双组分精馏的不同之处。 1. 塔的数目（n）多 一个塔通常只有塔顶馏出物和塔釜残留液两种产物， 即一个塔只能分离两个 组分。要分离 c 个组分，则需要的塔数 n=c-1。 2. 流程方案数（z）多 双组分精馏在塔顶得到轻组分，在塔釜得到重组分，只有一个流程方案。即 组分数 c=2 时，塔数 n＝1,流程方案数 z=1 那么， c=3 时， n=2, z= ? (2) z= ? (2) A A、B、C B、C C （I）直接顺序 (按挥发度递减依次从塔顶出产品) A B A、B、C C （II）间接顺序 (按挥发度递增依次从塔顶出产品) A、B B ∴∴ z=2z=2 又当 c＝4，n=3, z=? (5) A A、B、C、D B、C、D C C、D （I）直接顺序 A D （II）间接顺序 A B A、B、C、D B、C B、C、D A、B、C、D B、C C C D A A、B、C B A、B、C、D C B A、B A、B、C A B A、B A、B、C、D B C C、D D （IV） （V） D ∴∴ z=5z=5 ………… 可以证明：z  [2(c 1)]! c!(c 1)! 可见，可供选择的流程方案数随组分的增加而迅速增加流程方案数随组分的增加而迅速增加，即有 c↑,z↑↑。 如何选择流程方案是多组分精馏不同于双组分精馏的一项重要内容。 3. 计算繁杂 通过设计变量分析可知，普通精馏塔的可调设计变量数N a  5。因此，除 规定全凝器为饱和液体回流、回流比和适宜进料板位置外，另外两个可调设计变 量一般规定馏出液中某一组分的浓度和釜液中另一组分的浓度。双组分精馏中， 当馏出液或釜液中一个组分的浓度规定之后，另一组分的浓度随之确定。而在多 组分精馏中，虽然实际上也就决定了其他组分的浓度，但需要繁琐的计算才能求 出。 组分越多，独立变量越多，计算越复杂繁琐。 4. 不能用图解梯级法求理论板数 N 在双组分汽液平衡体系中，x A+xB=1,yA+yB=1,xA 一定时，x B 便确定，y A 一定时， y B 便确定，因此可在平面坐标系上由平衡线和操作线关系用图解梯级法求 N，非 常直观。 1.0 2 1 3 y A 4 5 0 0 x A 1.0 双组分精馏用图解梯级法求理论板数N 但是在多组分， 如三组分汽液平衡体系中， x A+xB＋xC=1,yA+yB+yC=1,xA 一定时， x B、 xC 还不能确定，y A 一定时，y B、yC 还不能确定，因此不能在平面坐标系上用 图解梯级法求 N。 二二. . 多组分精馏流程方案的选取多组分精馏流程方案的选取 前面指出，c↑,z↑↑，如何选择流程方案是多组分精馏不同于双组分精馏 的一项重要内容。那么， 什么流程方案最佳呢？这是一个优化问题，在工程中十 分重要。一个好的流程方案，应该符合两条原则： ·经济合理，初投资和操作费用低·经济合理，初投资和操作费用低 ·技术先进，满足工艺要求·技术先进，满足工艺要求 下面对所涉及到的有关问题予以讨论。 （一）从能耗及设备费用考虑（一）从能耗及设备费用考虑（经济问题） 就两种极端流程，即直接顺序和间接顺序流程进行对比。 1. 能耗精馏过程中，外加能量包括：塔釜热量 Q w、塔顶冷量 QD。 直接顺序：直接顺序：每个塔的塔釜，只有一种高挥发度（低沸点）的液相组分需要汽 化；每个塔的塔顶，只有一种高挥发度的汽相组分需要冷凝。 间接顺序：间接顺序：每个塔的塔釜除了一种低挥发度的液相组分外， 其余组分都需要 汽化；每个塔的塔顶，所有汽相组分都要冷凝。 可见， 直接顺序在塔釜需要的外加热量和塔顶需要的外加冷量都比间接顺序 的要少。 2.2. 设备进行精馏操作的主要设备有塔、再沸器和冷凝器。从上面的讨论已 知，直接顺序与间接顺序相比，在塔釜要汽化的组分和在塔顶要冷凝的组分都要 少，因此： ①直接顺序塔内气体量少，故塔径要小； ②直接顺序塔釜再沸器和冷凝器传热面积要小。 综合上述从能量和设备两方面考虑，直接顺序比间接顺序优。从能量和设备两方面考虑，直接顺序比间接顺序优。 （二）从工艺要求考虑（二）从工艺要求考虑 仅仅从经济方面考虑是不全面的，因为有时按直接顺序达不到工艺要求，得 不到所要的产品，因此还需要从工艺方面予以考虑。工艺方面的考虑往往是复杂 的，需针对具体的分离体系进行具体分析。下面着重就分离体系的物性进行一般 的分析。 1. 热敏性组分先分离出来 2. 有毒有腐蚀性的组分先分离出来 3. 相对挥发度（α）小,即最难分离的组分，放在最后分离。 这是因为要分离难分离的组分需要塔的理论板数（N）多，如图回流比R↑， 会使 N↓。所以，先让挥发度大的组分分离后，最后留下挥发度小的组分，增大 R，从而减少 N。 X D R+1 回流比R↑，精馏段操作线斜率↑，N↓ 4.