第二章多组分精馏第一节概述一、精馏1、精馏1）定义：通过加入能量形成汽液两相体系，并利用其各组分挥发度的的差别获取高纯度产物的操作即为精馏。

2）精馏和蒸馏异同①原理、设备相同；②计算方法和物系条件有所不同3）精馏分类：简单精馏/复杂精馏/特殊精馏4）简单精馏和复杂精馏：①简单精馏：一股进料、塔顶塔底出料的精馏过程②复杂精馏：多股经进料或多股出料的精馏过程5）特殊精馏①某些物系沸点差异小、或形成恒沸物（乙醇-水），无法采用常规精馏，一般采用特殊精馏；②特殊精馏：恒沸精馏、萃取精馏③用途：分离热敏物质、沸点相近物系、恒沸物系，如乙醇-水、苯-水分离。

3、精馏单元操作和精馏设备1）精馏单元操作①精馏单元操作是一个整体，主要由精馏塔、冷凝器和再沸器、分离器等设备构成，不可分割。

②主要设备：精馏塔。

2）精馏设备①精馏塔是提供汽液充分接触及迅速分离的设备；②塔板和填料的作用：塔板上保持良好的气液接触条件，造成较大的接触表面，而且气液接触表面不断更新，以增加传质速率；保证气、液多次逆流接触，防止气液短路夹带及返混。

③板式塔：主要由塔体、塔盘、人孔、溢流堰、降液管、受液盘等部分组成。

④填料塔：主要由塔体、填料、支撑板、分布器等组成。

二、精馏过程1、精馏塔工作过程：精馏过程就是塔内每块塔板上的扩散、质量传递、热量传递、动量传递的过程三、精馏过程模拟1、精馏研究方法：1）精馏过程的每块塔板上都发生动量传递、扩散、传质、传热及相平衡等过程；2）研究方法：建立一个能够正确地描述过程的数学模型并求解，得出精馏塔内气液相的组成、温度和流量的分布等有关参数。

2、精馏过程模拟1）精馏模拟：①组分的相平衡关系式（E方程）；②组分的物料衡算方程式（M方程）；③塔板的热量衡算方程式（H方程）；④组分的摩尔分数加和方程（S方程）；⑤气液两相间的传质速率（传质效率）方程式（R方程）；⑥描述精馏塔内气、液两相的非均匀混合与非理想流动性质方程式（F方程）。

2）MEFRSH方程组十分复杂，建立和求解非常困难。

往往建立简化的精馏模型（1）理论精馏塔的数学模型---平衡级模型①平衡级和理论精馏塔：满足下面理论级假设和全混级假设的精馏塔板称为理论塔板或平衡级，由若干个平衡级构成的精馏塔称为理论精馏塔。

②理论级模型：假设气液两相间的热量和质量传递速率为无穷大，即在每一块塔板上气液两相经过接触后迅速达到平衡状态，离开塔板的气相混合物与液相混合物之间处于相平衡。

③全混级模型：塔板上的液体及塔板间的气体是完全混合的，具有均匀的压力、温度和组成；④平衡级模型可忽略R方程和F方程，即MESH方程组称为平衡级模型。

⑤平衡级模型计算：近似计算和严格计算。

（2）实际精馏塔的数学模型①实际精馏塔的数学模型分为平衡级模型、非平衡级模型和三维非平衡混合池模型②平衡级模型：理论塔平衡级模型+板效率③非平衡级模型：非平衡级模型的基本假设为全混级假设，可以忽略F方程。

其基本方程组是MERSH方程组；④三维非平衡混合池模型：使用MEFRSH方程组。

四、平衡级模型的平衡级和板效率1.平衡级1）平衡级又称理论板：是一个理想化了的进行两相间接触传质的场所；2）平衡级三个假定：2．实际板和实际板的效率1）平衡级是极端理想的状态，工业过程中无法实现；2）实际板（1）定义：工业装置运行的精馏塔的塔板，实际板的分离效果远低于理论板。

（2）实际板效率低原因：（3）点效率①定义：塔板上某一位置处理论增浓程度和实际增浓程度的差异。

②关系式11+∙+'-'-'=nn n n OGy y y y E 五、多组分精馏 1、定义：组分数大于3的气液混合物，通过连续的蒸馏手段获取高纯度的产品的单元操作。

2、适用：①组分数大于等于3；②组分间沸点存在一定差异；③轻重组分量差异不严重；④水不能作为轻组分。

3、多组分精馏流程1）具有多个流程方案：[])!1(!!)1(2--C C C2）存在最佳流程方案4、以平衡级为基准的多组分精馏塔设计方法1）简单精馏塔和复杂精馏塔2）简单精馏塔设计计算方法（1）近似计算方法主要是FUG 法和SB 法（群法）；（2）严格计算主要为)(MathesonLewis LM -法、泡点（BP ）法、R N -法和内外层法 3）复杂精馏塔（1）近似计算可以采用FUG 法（2）严格计算包括BP 泡点法（利用MESH 方程组）和R N -法和内外层法。

第二节 多组分系统的相平衡一、概述1、相平衡：1）定义：指混合物或溶液形成若干相，各相保持着共同的物理化学性质状态。

2）相平衡关系表示方法3）相平衡常数和相对挥发度（1）相平衡常数定义：i i i x y K /=（2）相对挥发度定义ij α： ji j i j j i i j i ij x x y y x y x y K K ////===α 2、自由度与相数、组分数关系（相律）二、多组分物系汽-液平衡1、精馏原理同一温度压力下，当汽液两相处于平衡状态时，任一组分i 的汽液两相的化学位应当相等，即iV iL μμ=2、多组分物系气液平衡1）相平衡一般式 i iV i iL iL y p x f ϕγ=2）i K 的典型表达式①低压条件 pp x y K i i i i == pp f f x y K i iL iV iV iL iL i i i γγγ=== ②中压条件若为非理想溶液、理想气体的体系，仍可用：pp f f x y K i iL iV iV iL iL i i i γγγ=== 若均为理想溶液、非理想气体的体系，可用下式：p p x y K iV i p V i i i i o i ϕϕ)(,==3）i K 的确定方法和步骤4）某一压力下某物质来说，i K 值仅受温度影响，即M p i T f K ,)(=。

因此可以通过回归得到多项式：332210t a t a t a a K i i i i i +++=三、相平衡关系的应用1、泡点和露点2、全凝器和分凝器3、泡点温度计算1）应用场合2）关系式 ∑∑==1i i i x K y3）泡点温度的计算方法和步骤试差法步骤如下：①假设一个温度；②确定假设温度下的各组分的 i p （非烃类）；③计算各组分的i K （非烃类）或直接查T P K --图求得（烃类）i K ；④计算∑i i x K ；⑤判断1=≠∑i i x K ，若1=∑i i x K ，所设温度即为泡点温度；若1≠∑i i x K ，需重复①~⑤步骤。

4）计算精度：01.0<∑i i x K5）初始温度估算：∑∑=i i i x t x t4、露点温度计算1）应用①分凝器的操作温度则是汽相产品在操作压力下的露点温度；②塔顶产品全凝器冷凝后做为塔顶产品，则产物的露点温度即为塔顶温度。

2）主要关系式∑∑==1/i i i K y x3）计算方法：采用试差法，步骤与泡点温度求取相同，只是将泡点方程换成露点方程。

第三节 多组分单级分离一、概述1、单级分离1）一次气液平衡过程称为单级分离，俗称闪蒸。

2）分类：平衡液化、平衡气化、绝热闪蒸3）平衡气化：进料液体经加热器加热后进入闪蒸罐得到气体和液体；4）平衡液化：进料气体经冷凝器后进入分离罐可以得到轻组分气体和重组分的液体；5）绝热闪蒸：物料经减压阀减压后闪蒸罐使得混合物中部分液体汽化。

2、用途1）闪蒸方式粗略分离混合物；2）精馏塔塔顶气体冷凝；3）精馏塔塔底物料再沸4）进料能量利用二、平衡汽化1、定义：在一定压力下，将多组分液体混合物加热至泡点和露点之间的任一温度时，便产生部分气化，并形成气液平衡的两相。

2、关系式01)1(1=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+∑e K z i ieK z K y i i i i )1(1-+= ∑∑∑--+=F i i i L i i i V i i i H z M H M e x eH y M q ,,,)1(3、两类计算类型4、应用：用于再沸器设计三、平衡液化1、定义：多组分气体混合物，在一定压力下，被冷却到一定的温度并达到气液平衡状态的过程即为平衡冷凝。

2、关系式01)1(=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+∑q K K z i i ieK z x i i i )1(1-+= ∑∑∑---=iL i i iV i i iF i i H qM x F H M q y F H M z F Q )1(3、两类计算4、求解方法5、全凝器属于第二种情况的特例，物料全液化、即液化率1=q 全凝器热负荷关系为：()∑-+=)(1D i V i i i H H x M R D Q6、分凝器：属于第一种情况，该工况下，液化后汽相组成已知，进而可得到分凝器操作温度，再设定液化率e 并通过（2-71）确定之。

四、绝热闪蒸1、概述1）定义：2）特征：与外界没有热交换、物系的温度降低，部分物质汽化。

3）用途：①相对挥发度差异很大的轻重组分分离；②确定精馏进料板温度及气液组成。

2.绝热闪蒸计算的关系式 LV L F i i L i i i V i i i L i i i Fi h h h h x M H y M H x M H Z M H e --=--=∑∑∑∑,,,, eK Z x i i i )1(1-+= 01)1(1=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+∑e K z i i以上三式为绝热闪蒸方程，可用于绝热闪蒸过程气化率及汽液组成计算。

3、绝热闪蒸计算的步骤①确定进料在塔操作压力下的泡点和露点温度；②确定绝热闪蒸后温度和汽化率；③确定汽化后的汽相组成和液相组成；④热平衡方程校核温度。

如不符合，需要重新设定温度进行计算。

4、确定绝热闪蒸温度图解法①在泡点温度和露点温度间，取若干个绝热闪蒸后的温度i t ；②用牛顿法解得各温度下的汽化率i e ；③根据物料衡算式及相平衡关系式，分别计算各温度下的汽液组成i x 、i y ；④根据热平衡式，核算各温度下的汽化率i e '；⑤在同一坐标轴上，作T e -、e T '-曲线，两曲线交点即为所求气化率、温度即为闪蒸温度（图2-12）。

第四节 物料衡算一、关键组分和物料衡算1、关键组分1）轻关键组分收率 %100⨯=ll l f d η 2）重关键组分收率： %100⨯=h h h f w η 3、关键组分选择原则4、基本物料衡算式：二、清晰分割1）规则：较轻关键组分轻的组分全部由塔顶出塔、较重关键组分重的组分全部由塔底出塔。

2）给定条件为轻重关键组分的回收率的清晰分割关系式轻关键组分：l l l f d ⨯=η l l l d f w -=重关键组分：h h h f w ⨯=η h h h w f d -=塔顶馏出物总量：∑-=++=11l i i h l f d d D塔底釜液总量：1n l h i i h W w w f →+=++∑由此可求得各组分的组成Di x 、Wi x （非关键组分在塔顶、塔底的分率）。