特殊精馏-恒沸精馏概论课件

特殊精馏特殊精馏特殊精馏特殊精馏河北科技大学河北科技大学河北科技大学河北科技大学分离工程分离工程刘玉敏刘玉敏刘玉敏刘玉敏序言序言普通精馏，特殊精馏普通精馏，特殊精馏加入其它组分使精馏变得复杂，加入其它组分使精馏变得复杂，还为什么用特殊精馏呢还为什么用特殊精馏呢?1)丁烯和二丁烯的分离丁烯和二丁烯的分离常压沸点：丁烯，常压沸点：丁烯，-6.26；二丁烯，；二丁烯，-4.40若进料各占若进料各占50%，塔顶要求得到丁烯为，塔顶要求得到丁烯为99%的的产品，塔釜要求得到产品，塔釜要求得到99%丁二烯产品，则：丁二烯产品，则：Nm=318块块Rm=65.3R=3Rm N=916块块解决方法：解决方法：乙腈为萃取剂，浓度为乙腈为萃取剂，浓度为0.8=1.79Nm=14.7Rm=2.462)乙醇和水的分离乙醇和水的分离解决方法：解决方法：苯为恒沸剂。苯为恒沸剂。一般以下情况之一可考虑采用特殊精馏一般以下情况之一可考虑采用特殊精馏被分离的混合物沸点差极小，一般认为小于被分离的混合物沸点差极小，一般认为小于3oC时时生成恒沸物的物系生成恒沸物的物系组分之间的相对挥发度组分之间的相对挥发度12=1.05时时物料在精馏条件下，易分解，易聚合的物系物料在精馏条件下，易分解，易聚合的物系恒沸精馏，萃取精馏，水蒸气精馏和分子精馏恒沸精馏，萃取精馏，水蒸气精馏和分子精馏3.2 恒沸精馏恒沸精馏定义：加入溶剂定义：加入溶剂S后，其可以与原溶液中某一组分或几个组分后，其可以与原溶液中某一组分或几个组分形成最低（或最高）恒沸物从塔顶蒸出的精馏以增大原组分间形成最低（或最高）恒沸物从塔顶蒸出的精馏以增大原组分间相对挥发度差的非理想溶液的多元精馏相对挥发度差的非理想溶液的多元精馏形成的恒沸物从塔顶（塔釜）采出，塔釜（塔顶）引出较纯产形成的恒沸物从塔顶（塔釜）采出，塔釜（塔顶）引出较纯产品，最后将恒沸剂与组分分离品，最后将恒沸剂与组分分离。一、恒沸物一、恒沸物1、恒沸物的定义：、恒沸物的定义：在一定压力下，平衡的汽在一定压力下，平衡的汽-液两相组成相同，沸点温液两相组成相同，沸点温度始终不变的溶液，也叫共沸物。度始终不变的溶液，也叫共沸物。一、恒沸物一、恒沸物1、恒沸物的定义：、恒沸物的定义：根据相律：根据相律：F=C-+2-特殊的条件限制数特殊的条件限制数对于二元恒沸溶液，限制条件为：对于二元恒沸溶液，限制条件为：y1=x1 ,y2=x2仅有一个限制条件。仅有一个限制条件。故：故：F=2-2+2-1=1固定压力或者固定温度，整个系统就被固定了。固定压力或者固定温度，整个系统就被固定了。如：水和甲苯，如：水和甲苯，t沸水沸水=100oC,t沸甲苯沸甲苯=110.8oC,当当 x水水=0.444,x甲苯甲苯=0.556时，共沸温度为时，共沸温度为84.1oC如：水和乙醇，如：水和乙醇，t沸水沸水=100oC,t沸乙醇沸乙醇=78.4oC,当当 x水水=0.106,x甲苯甲苯=0.894时，共沸温度为时，共沸温度为78.15oC一、恒沸物一、恒沸物2、恒沸物的分类：、恒沸物的分类：按恒沸物温度，可分为最高恒沸物和最低恒沸物。按恒沸物温度，可分为最高恒沸物和最低恒沸物。按恒沸物状态，可分为均相恒沸物和非均相恒沸物按恒沸物状态，可分为均相恒沸物和非均相恒沸物最低恒沸物为：最低恒沸物为：t恒沸恒沸 t1沸沸 t2沸沸最低恒沸物为：最低恒沸物为：t恒沸恒沸 t1沸沸 t2沸沸 t1沸沸如：苯酚和苯甲醛，如：苯酚和苯甲醛，t沸苯酚沸苯酚=182oC,t沸苯甲醛沸苯甲醛=179oC,当当 x苯酚苯酚=0.46,x苯甲醛苯甲醛=0.54时，时，t共沸共沸=185.6oC最最高高恒恒沸沸物物最最低低恒恒沸沸物物硝酸水溶液的相图硝酸水溶液的相图乙醇水溶液的相图乙醇水溶液的相图 均相恒沸物均相恒沸物为组成完全相同的单相溶液，如乙醇和水恒沸物。为组成完全相同的单相溶液，如乙醇和水恒沸物。若若i1,即即pi Pioxi,分子间斥力大于引力，易形成最低分子间斥力大于引力，易形成最低恒沸物恒沸物若若i1,即即pi Pioxi,分子间斥力小于引力，易形成最高分子间斥力小于引力，易形成最高恒沸物恒沸物非均相恒沸物非均相恒沸物为组成各不相同的两相或两相以上构成的恒沸物，为组成各不相同的两相或两相以上构成的恒沸物，如苯和水物系。如苯和水物系。当溶液中分子间斥力相当大时，互溶当溶液中分子间斥力相当大时，互溶性降低，即可形成非均相恒沸溶液，性降低，即可形成非均相恒沸溶液，形成非均相恒沸溶液时，由于是斥力形成非均相恒沸溶液时，由于是斥力大而造成的，所以非均相恒沸物都为大而造成的，所以非均相恒沸物都为最低恒沸物。最低恒沸物。非均相恒沸物都为最低恒沸物非均相恒沸物都为最低恒沸物非均相恒沸物的非均相恒沸物的T-x-y，y-x 如下，以正丁醇和水为例。如下，以正丁醇和水为例。对于二元体系，三相共存时，对于二元体系，三相共存时，F=C-+2=2-3+2=13、生成恒沸物的条件、生成恒沸物的条件二元体系二元体系生成恒沸物时：生成恒沸物时：y1=x1,y2=x2 K1=1,K2=1 又因为又因为pi=yi P,理想气体理想气体 pi=pio xi i 非理想液体非理想液体在很恒沸时，在很恒沸时，ij=1生成恒沸物的条件：生成恒沸物的条件：12=1或者或者p1o 1 =p2o 2 y1=x1,y2=x2 三元体系三元体系3、生成恒沸物的条件、生成恒沸物的条件生成恒沸物时：生成恒沸物时：y1=x1,y2=x2,y3=x3 K1=1,K2=1 同理可得：同理可得：12=13=23=1注意：若沸点差大于注意：若沸点差大于30oC时，一般不会形时，一般不会形成恒沸物成恒沸物3、生成恒沸物的计算、生成恒沸物的计算试求总压力试求总压力86.70kPa时，氯仿时，氯仿(1)-乙醇乙醇(2)恒沸组成与恒沸温度。已知：恒沸组成与恒沸温度。已知：（1）(2)解：在恒沸点时，解：在恒沸点时，由由(1)得得设设t=55.8，由式，由式(2)得：得：计算所得压力和给定压力基本一致。计算所得压力和给定压力基本一致。4、三元恒沸物的相图、三元恒沸物的相图 图中曲线图中曲线1，2，37为等泡点线，为等泡点线，温度顺序以曲线顺序递增，即温度顺序以曲线顺序递增，即t1 t2 t3 t7等泡点线与三条边任何一条边相切均等泡点线与三条边任何一条边相切均可得到一个二元恒沸物，如图可得到一个二元恒沸物，如图7-8中中m1,m2,m3三个点即为三个二元恒沸物。三个点即为三个二元恒沸物。三个二元恒沸物都是最低恒沸物，且三个二元恒沸物都是最低恒沸物，且tm3 tm2 tm1等泡点线在图中缩为一点时，为三元等泡点线在图中缩为一点时，为三元恒沸物，图中恒沸物，图中m点，且点，且tm tm3 tm2H2PP+Px1x1”x1Px1”x1y1P+PH1 10 oCH恒沸剂恒沸剂，S量量易回收，最好生成非均相恒沸物易回收，最好生成非均相恒沸物来源充足，价格低廉来源充足，价格低廉无毒，无腐蚀，稳定性好，能长无毒，无腐蚀，稳定性好，能长期使用。期使用。二、恒沸物的选择及沸点的预测二、恒沸物的选择及沸点的预测2、恒沸剂的预测：、恒沸剂的预测：一是现已有较细的共沸物系表，包括方案中具一是现已有较细的共沸物系表，包括方案中具有最低和数个最高恒沸数据，可查手册得到；有最低和数个最高恒沸数据，可查手册得到；二是若手册查不到，工业设计估算不行的，需二是若手册查不到，工业设计估算不行的，需要进行实验得出数据要进行实验得出数据三是若需要估算，用物理化学，化工热力学及三是若需要估算，用物理化学，化工热力学及讲过的内容就可以进行。讲过的内容就可以进行。P89,恒沸剂的选择恒沸剂的选择三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程1、塔顶为非均相恒沸物的流程、塔顶为非均相恒沸物的流程恒恒沸沸精精馏馏塔塔溶溶剂剂回回收收塔塔F+S二元共沸物二元共沸物组分组分2组分组分1三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程1、塔顶为非均相恒沸物的流程、塔顶为非均相恒沸物的流程硝基甲烷为恒沸剂分离甲苯烷烃的流程硝基甲烷为恒沸剂分离甲苯烷烃的流程 三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程1、塔顶为非均相恒沸物的流程、塔顶为非均相恒沸物的流程三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程2、塔顶为均相恒沸物的流程、塔顶为均相恒沸物的流程甲甲醇醇回回收收塔塔甲甲醇醇萃萃取取塔塔恒恒沸沸精精馏馏塔塔甲甲醇醇精精馏馏塔塔烷烃烷烃甲苯甲苯 S甲甲醇醇甲醇甲醇+甲苯甲苯甲醇甲醇+水水水水甲醇甲醇甲醇甲醇+烷烃烷烃恒沸物恒沸物纯烷烃纯烷烃甲苯甲苯甲醇甲醇三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程2、塔顶为均相恒沸物的流程、塔顶为均相恒沸物的流程v乙醇水溶液共沸点：乙醇水溶液共沸点：78.15；共沸组成：乙醇；共沸组成：乙醇 0.894；水；水 0.106。v乙醇水苯共沸点：乙醇水苯共沸点：64.6；共沸组成：乙醇；共沸组成：乙醇 0.23；水水 0.226；苯；苯 0.544。v在较低温度下，苯与乙醇、水不互溶而分层，可将苯分在较低温度下，苯与乙醇、水不互溶而分层，可将苯分离出来。离出来。三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程3、生成三元非均相恒沸物的流程、生成三元非均相恒沸物的流程三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程3、生成三元非均相恒沸物的流程、生成三元非均相恒沸物的流程上层苯相苯：0.745乙醇：0.217少量水下层水相苯：0.0428乙醇：0.35其余为水三元恒沸物：苯：0.539乙醇：0.228水：0.233沸点：64.85三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程4、恒沸剂引入位置、恒沸剂引入位置恒恒 沸剂加入位置的选择原则沸剂加入位置的选择原则:要使整个塔每块板上均要保持恒沸剂有一定浓度。要使整个塔每块板上均要保持恒沸剂有一定浓度。塔釜料液中恒沸剂的含量尽可能少。塔釜料液中恒沸剂的含量尽可能少。恒沸剂引入位置：恒沸剂引入位置：若的沸点比组分和组分的沸点高，可在塔顶部加入。若的沸点比组分和组分的沸点高，可在塔顶部加入。若的沸点比组分和组分的沸点低，可分两部分加若的沸点比组分和组分的沸点低，可分两部分加入，一般是进料和提馏段中部某处各加入，一般是进料和提馏段中部某处各加50%。若恒沸剂若恒沸剂S与组分和组分均生成二元恒沸物，与组分和组分均生成二元恒沸物，S可在塔可在塔的任何部位加入，一般不采用此种溶剂。的任何部位加入，一般不采用此种溶剂。三、恒沸精馏流程三、恒沸精馏流程4、恒沸剂引入位置、恒沸剂引入位置以丁酮为恒沸剂，恒沸精馏分离正庚烷以丁酮为恒沸剂，恒沸精馏分离正庚烷甲苯溶液甲苯溶液正庚烷正庚烷 98.4oC甲苯甲苯 110.8oC丁酮丁酮 79.6oC丁酮和正庚烷生成最丁酮和正庚烷生成最低恒沸物，低恒沸物，77oC一般是进料和提馏段中部某处各加一般是进料和提馏段中部某处各加50%四、恒沸精馏的简捷计算四、恒沸精馏的简捷计算1、恒沸剂用量及全塔物料衡算、恒沸剂用量及全塔物料衡算确定恒沸剂用量的原则：确定恒沸剂用量的原则：保证恒沸剂与被分离组分形成恒沸物的需要。保证恒沸剂与被分离组分形成恒沸物的需要。S太少，不够完全形成恒沸物。太少，不够完全形成恒沸物。S太多，太多，可能从塔顶蒸出，消耗能量，可能从塔顶蒸出，消耗能量，或从塔釜采出，降低塔釜产品浓度。或从塔釜采出，降低塔釜产品浓度。怎么确定怎么确定S的用量的用量?四、恒沸精馏的简捷计算四、恒沸精馏的简捷计算1、恒沸剂用量及全塔物料衡算、恒沸剂用量及全塔物料衡算进料量及进料组成进料量及进料组成F,xF1,xF2恒沸组成恒沸组成 xS1(D)塔釜采出纯组分塔釜采出纯组分2，xW2(W)恒沸剂为纯恒沸剂为纯S,xS已已知知条条件件(1)图解法图解法(三角相图三角相图)1W2SsDFM1、恒沸剂用量及全塔物料衡算、恒沸剂用量及全塔物料衡算SF线，线，M必在此线上。必在此线上。S+F=MD+W=M物料物料平衡平衡杠杆规则杠杆规则M必在必在DW线上。线上。FS代表代表M,FM代表代表S,SM代表代表F根据杠杆规则根据杠杆规则有：有：求出求出(1)图解法图解法(三角相图三角相图)1、恒沸剂用量及全塔物料衡算、恒沸剂用量及全塔物料衡算对对i组分组分D+W=MDxDi+WxWi=MxMi两式联立得两式联立得W=F-D求出求出很少用？很少用？该法用尺量会出现各方面的该法用尺量会出现各方面的误差。误差。不便于使用电子计算机求解。不便于使用电子计算机求解。需画准确的三角相图。需画准确的三角相图。(2)解析法解析法 1、恒沸剂用量及全塔物料衡算、恒沸剂用量及全塔物料衡算总物料平衡：总物料平衡：D+W=F+S对组分对组分1：DxD1+WxW1=FxF1+SxS1对组分对组分2：DxD2+WxW2=FxF2+SxS2求出求出S,D,W设：塔顶为组分设：塔顶为组分1和和S,塔釜为纯组分塔釜为纯组分2。条件条件实际，实际，P92简化：简化：总物料平衡：总物料平衡：D+W=F+S对组分对组分1：DxD1=FxF1对组分对组分2：WxW2=FxF22、建立操作线方程、建立操作线方程方法：在假设为恒分子流的条件下，对精馏段和提馏段方法：在假设为恒分子流的条件下，对精馏段和提馏段进行物料衡算。进行物料衡算。精馏段：精馏段：提馏段：提馏段：L/V,R3、回流比的确定、回流比的确定二元精馏，用二元精馏，用y-x图求出图求出Rm，乘以适当系数后可得，乘以适当系数后可得到适宜回流比到适宜回流比R。普通多元精馏，可普通多元精馏，可Underwood公式求出公式求出Rm，然后乘，然后乘以适当系数得到以适当系数得到R。仅适用于仅适用于在全塔范围内变化不大的场合。在全塔范围内变化不大的场合。恒沸精馏恒沸精馏采用内回流比校核方法。采用内回流比校核方法。喂，恒沸精馏怎喂，恒沸精馏怎么算啊？么算啊？3、回流比的确定、回流比的确定采用试差法确定采用试差法确定Rm，设一系列，设一系列R，利用逐级法求出一，利用逐级法求出一系列系列N，绘制，绘制R-N图，由图得图，由图得N为为时，时，R为为Rm4、恒沸精馏理论板数计算、恒沸精馏理论板数计算vnnn+1Ln+1苯苯WW乙醇乙醇已知：已知：解：步骤解：步骤1、按工艺条件进行产物分布建立操作线方程；、按工艺条件进行产物分布建立操作线方程；2、平衡关系、平衡关系3、逐板计算、逐板计算1、建立操作线曲线、建立操作线曲线 F=100 kmol/hr乙醇乙醇 物料分布物料分布操作线方程操作线方程提馏段操作方程提馏段操作方程精馏段操作方程精馏段操作方程2、平衡关系、平衡关系3、逐板计算、逐板计算 提馏段提馏段查得：查得：平衡关系平衡关系操作线方程：操作线方程：算到哪一块算到哪一块板为止呢板为止呢?进料板位置进料板位置进料：进料：精馏段精馏段 P348,表表7-824，25板板苯苯 乙醇乙醇 水水0.48 0.337 0.1840.5038 0.2645 0.21760.495 0.348 0.1580.52 0.273 0.207P347,图图7-23从从24板到板到 的提浓程度的提浓程度从从24板到板到25板的提浓程度板的提浓程度酚酚=0.67水水=0.7P347，表，表精馏段精馏段不分层不分层分层分层N=24.70.7怎么来怎么来的啊？的啊？塔计算塔计算可麻烦了！可麻烦了！试差试差进料板不上移，不下移进料板不上移，不下移尽量由塔釜由尽量由塔釜由xy,不要不要yx