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多组分精馏和特殊精馏

作者:刘家祺  浏览量:53  发布时间:2020-04-09

目前,多组分精馏过程的设计多采用严格解法,但是近似算法仍很广泛地应用着。它常用于初步设计、对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作  条件以及在过程合成中寻找合理的分离顺序。近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合适的设计变量数值和迭代变量初值。此外,当相平衡数据不够充分和可靠时,采用近似算法不比严格算法逊色。近似算法虽然适于手算,但为了快速、准确,采用计算机进行数值求解也已广泛应用。
在欲分离组分的相对挥发度低于1.1时,采用一般精馏进行分离是不经济的,若有共沸物生成则分离是不可能的。为解决这类问题,多年来从多种  途径研究和开发出被强化的精馏过程,称之为特殊精馏。本章将介绍萃取精馏、共沸精馏和加盐精馏。另外研究发现,化学反应和分离过程的耦合,分 离过程之间的耦合,可同时发挥各耦合过程的优点,从而达到互相强化的目的。
1 多组分精馏过程
在化工原理课程中对二组分精馏已经进行过比较详尽的讨论,但在生产 实践中遇到的精馏过程,则大多是处理多组分溶液。因此,研究多组分精馏  过程和设计方法更具有实际意义 。首先从多组分精馏与二组分精馏的对比上,分析多组分精馏的特点,并以典型例子讨论多组分精馏塔内温度、  流率和浓度的分布,以深化对精馏过程实质的认识。
对二组分精馏来说,要使进料达到某一分离要求,存在着最小回流比和最少理论塔板数两个极限条件。若采用的条件小于最小回流比或最少理论塔 板数,则不可能达到规定的分离要求。对多组分精馏的设计和操作来说,这 两个极限条件同样也是很重要的。此外,这两个极限条件还常被用来关联操作回流比和所需理论塔板数,成为简捷法(FUG) 计算的基础。
1 . 1 多组分精馏过程分析[1,2]
定性地研究二组分和多组分精馏过程的异同,分析在平衡级中逐级发生的流量、温度和组成的变化以及造成这些变化的影响因素。
一、关键组分
通过设计变量分析,对一般精馏塔,可调设计变量 iVa = 5。因此,除全凝器规定饱和液体回流、指定回流比和适宜进料位置以外,尚有两个可调设 计变量用来指定馏岀液中某一个组分的浓度以及釜液中某一组分的浓度。对 二组分精馏来说,指定馏岀液中一个组分的浓度,就确定了馏岀液的全部组  成;指定釜液中一个组分的浓度,也就确定了釜液的全部组成。对多组分精 馏来说,由于设计变量数仍是 2, 而只能指定两个组分的浓度, 其他组分的浓度不能再由设计者指定。由设计者指定浓度或提岀要求 (例如指定回收率) 的那两个组分,实际上也就决定了其他组分的浓度。故通常把指定的这两个组分称为关键组分。并将这两个中相对易挥发的那一个称为轻关键组分 ( LK), 不易挥发的那一个称为重关键组分(HK )。
一般来说,一个精馏塔的任务就是要使轻关键组分尽量多地进人馏出液,重关键组分尽量多地进入釜液。但由于系统中除轻重关键组分外,尚有其他组分,通常难以得到纯组分的产品。一般,相对挥发度比轻关键组分大的组分(简称轻非关键组分或轻组分) 将全部或接近全部进人馏出液, 而相对挥发度比重关键组分小的组分(简称重非关键组分或重组分) 将全部或接近全部进入釜液。只有当关键组分是溶液中最易挥发的两个组分时,馏出液 才有可能是近于纯轻关键组分;反之,若关键组分是溶液中最难挥发的两个组分,釜液就可能是近于纯的重关键组分。但若轻、重关键组分的挥发度相  差很小,则也较难得到近于纯的产品。
若馏出液中除了重关键组分外没有其他重组分,而釜液中除了轻关键组 分外没有其他轻组分,这种情况称为清晰分割。两个关键组分的相对挥发度  相邻且分离要求较苛刻,或非关键组分的相对挥发度与关键组分相差较大 
通常,分离要求的提出可有不同表达方式。例如,可要求某个或几个产品的纯度;某个或几个产物中不纯物的允许量;某个或几个产物的回收率;某个或几个产物易测定的物性等。
二、多组分精馏过程特性
对二组分精馏,设计变量值被确定后,就很容易用物料衡算式,汽液平 衡式和热量衡算式从塔的任何一端岀发作逐板计算,无需进行试差。但在多组分精馏中,由于不能指定馏岀液和釜液的全部组成,要进行逐板计算,必须先假设一端的组成,然后通过反复试差求解。

如苯-甲苯二元精馏塔内的流率、温度和组成与理论板的关系。除了在进料板处液体流量有突变外,各板的摩尔流率基本上为常数。液体组成的变化在塔顶部较为缓慢,随后较快,而在接近于进料板处又较缓慢。

在精馏塔钟,温度分布反映出物流的组成,总的级间流量分布则主要反映了热量衡算的限制。这一精馏过程的内在规律,用于建立多组分精馏的计算解法。