萃取精馏和共沸精馏-分离工程

3.2,萃取精馏和共沸精馏,3.2.1,萃取精馏,3.2.2,共沸精馏,3.2.1,萃取精馏,一、流程,二、萃取精馏的原理和溶剂的选择,（,1,）溶剂的作用,设,组分,1,和,组分,2,组成的混合物，加入,溶剂,S,进行分离。,常压下的相对挥发度：,液相活度系数可由三组分,Margules,方程求算：,组分,1,的脱溶剂浓度,x,1,=x,1,/(x,1,+x,2,),代入,代入相对挥发度的表达式，可得有溶剂存在下组分,1,和,2,间的相对挥发度：,三组分物系的泡点温度,无溶剂,S,时，,xS,0,，则二组分体系的相对挥发度：,二组分物系的泡点温度,若（,p,1,S,/p,2,S,）与温度关系不大，,x,1,=x,1,，则：,（,3-24,）,溶剂的选择性,溶剂的作用：改变组分间的相互作用；稀释作用。,提高溶剂的选择性可以：,1,）提高,x,S,，即加大溶剂用量,稀释作用；,2,）选择适宜溶剂，改变组分相互作用，如使,A,1S,变大（正偏差），,A,2S,变小（负偏差），从而提高相对挥发度。,（,2,）溶剂的选择,1,）沸点要较组分的高；,2,）与被分离物系有较大的溶解度；,3,）一般溶剂浓度,60%,，所以成本要低；,4,）污染小，环境友好。,三、萃取精馏过程分析,（,1,）塔内流量分布,精馏段：,总物料衡算：,组分物料衡算：,或：,F,S,D,W,n,n,+1,n-,1,m-,1,m,+1,m,将上式的浓度改为脱溶剂的相对浓度：,（,3-29,）,以,l,代表液相中原溶液组分之流率，以,v,代表汽相中原溶液组分之流率，即：,则：,当,(x,S,),D,=0,时：,（,3-32,）,F,S,D,W,n,n,+1,n-,1,m-,1,m,+1,m,比较（,3-29),式和（,3-32,）式：,（,3-29,）,（,3-32,）,可得：,（,3-33,）,因为,S,为重组分，,(y,S,),n+1,S,萃取精馏中，溶剂沸点高，溶剂量大，下流过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽，使塔内流率发生明显变化。,A,液相流率越往下越大。,第,n,板的液相流率为：,原有液体流率,溶剂量,溶剂温升冷凝的蒸汽量,同理，可以得到,提馏段,第,m,板的液相流率为：,精馏段,的汽相流率：,B,汽相流率越往下越大，即越往上越小。,提馏段,的汽相流率：,F,S,D,W,n,n,+1,n-,1,m-,1,m,+1,m,（,2,）塔内溶剂含量分布,精馏段,物料衡算：,假定：,1,）恒摩尔流；,2,）（,x,S,),D,=0,（,3-26,）,（,3-41,）,F,S,D,W,n,n,+1,n-,1,m-,1,m,+1,m,溶剂与原溶液之间的汽液平衡关系：,（,3-42,）,溶剂对非溶剂的相对挥发度,将（,3-26,）式和（,3-41,）式代入（,3-42,）消去,V,和,y,S,：,（,3-43,）,表示了溶剂含量与溶剂加入量、溶剂对非溶剂的相对挥发度以及塔板间液相流率的关系。,溶剂对非溶剂的相对挥发度一般很小，当,0,时：,类似地，,提馏段,溶剂浓度：,（,3-45,）,当,0,时：,分析：将塔分为四部分,精馏段：,提馏段：,塔 釜：,溶剂回收段：,F,S,D,W,n,n,+1,n-,1,m-,1,m,+1,m,当进料为饱和蒸汽时， ；,当进料为液相或汽液混合物时， 。,溶剂在塔釜中浓度有明显跃升。,四、萃取精馏过程的计算,萃取精馏过程特点：,（,1,）物系非理想性强；,（,2,）塔内汽液相流率变化大；,（,3,）相平衡和热量衡算关系复杂。,适于用严格计算法,（见第,6,章）。,有些情况下，特别是当原溶液组分性质相近时，可按二元精馏方法，用图解法或解析法处理，使计算得以简化。,五、萃取精馏实例,环乙烷对苯的相对挥发度,环己烷苯的萃取精馏分离,萃取剂：糠醛,2.7,2.35,1.38,0.98,环乙烷苯,0.7,0.6,0.2,0,糠醛组成，,x,3.2.2,共沸精馏,共沸精馏又称恒沸精馏。,分离原理：,与萃取精馏基本相同，不同之处是共沸剂（夹带剂，携带剂）在影响原溶液组分的相对挥发度的同时，还要与原溶液中一个或多个组分形成共沸物。,一、共沸物的特性与其组成的计算,二、共沸剂的选择,三、共沸精馏流程,四、共沸精馏的计算,五、共沸精馏与萃取精馏比较,一、共沸物的特性与其组成的计算,对于共沸物，混合物的蒸汽压组成曲线上之极值点相当于汽、液平衡相的组成相等。,多元共沸物汽液相组成相等点并不一定对应于恒压下,T,x,图上的极值点或恒温下,P,x,图上的极值点。,（,1,）二元均相共沸物,系统压力不高时，汽相视为理想气体：,共沸点处：,1,、二元系,即： 或,计算方程,？已知总压,P,，如何求共沸组成,x,和共沸温度,T,4,）代入：,校核方程,1,）假定,T,；,2,）计算,P1S,和,P2S,；,3,）由,1,f(x1,T,P),、,2,f(x1,T,P),和,1/,2,=P1S/P1S,计算,x1,；,5,）如上式成立，则结束计算，如不成立，则假定新的,T,，继续试差计算。,（,2,）非均相二元共沸物,除考虑汽液平衡外，还要考虑液液平衡。,联立求解上述三式，可得到共沸温度（共沸压力）和液相组成。,计算方程：,校核方程：,2,、三元系,计算方程：,校核方程：,二、共沸剂的选择,理想的共沸剂应具备以下特性：,（,1,）显著影响关键组分的汽液平衡关系；,（,2,）共沸剂容易分离和回收；,（,3,）用量少，汽化潜热低；,（,4,）与进料组分互溶，不生成两相，不与进,料中组分起化学反应；,（,5,）无腐蚀、无毒；,（,6,）价廉易得。,三、共沸精馏流程,（一）双压精馏,如果压力变化明显影响共沸组成，则采用两不同压力操作的双塔流程，可实现二元共沸物完全分离。,图,3-31,双压精馏流程,（二）二元非均相共沸物的精馏,如果二组分能够形成非均相共沸物，那么不必另加共沸剂便可实现二组分的完全分离。,图,3-33,分离非均相共沸物的流程,（三）其他,均相共沸物需要用萃取等方法来分离。,为了得到高纯的塔底产品，采用稍过量的共沸剂，再增加一个溶剂回收塔，往往是一个行之有效的方法。,四、共沸精馏的计算,共沸物精馏体系非理想性强、组分多、变量多，不宜使用简捷法，而严格计算也变得非常复杂。,五、共沸精馏实例,乙醇水共沸精馏,乙醇水溶液共沸点：,78.3,；共沸组成：乙醇,0.894,；水,0.006,。乙醇水苯共沸点：,64.6,；共沸组成：乙醇,0.23,；水,0.226,；苯,0.544,。,六、共沸精馏与萃取精馏比较,共同点：,不同点：,基本原理相同，都是通过加入适量的质量分离剂，改变组分之间的相互作用，增大组分的挥发度差异，实现精馏分离。,（,1,）共沸精馏中加入的共沸剂必须与原溶液,中的一个或几个组分形成共沸物，而萃取精,馏中的溶剂无此限制，共沸剂的选择范围相,对较窄；,（,2,）共沸精馏中共沸剂以汽态离塔，消耗的潜热较多，萃取精馏中萃取剂基本不变化，因此共沸精馏的能耗一般比萃取精馏大；,（,3,）在同样压力下，共沸精馏的操作温度通常比萃取精馏低，故共沸精馏更适用于分离热敏性物料；,（,4,）共沸精馏可连续操作，也可间歇操作，萃取精馏一般只能连续操作。,1.,朱宪,;,刘群,;,周忠华,;,理论塔板数的简捷算法，化学工程，,1992,，（,1,）：,70,2.,简捷法求算多组分精馏过程的理论板，化工设计，,1993,，,3,（,5,）：,27,3.,一种新的理论板数简捷算法，化学世界，,1991,，（,6,）：,272,4.,曾平，估算精馏理论塔板数的新方法，大学化学，,1997,，（,2,）：,55,参考文献,5.,彭小平,颜清，迭代法求算精馏塔的理论塔板数，上饶师范学院学报，,2001,年,06,期,6.,李宝增，介绍计算二元体系精馏理论板数新方法，新疆师范大学学报,(,自然科学版,),，,2000,年,01,期,7.,黄光斗，二元理想溶液常规精馏塔,Rmin,解析计算，湖北化工，,1998,年,02,期,8.,高维平，杨莹，精馏塔最小回流比通用求解方法，吉林化工学院学报，,1995,年,01,参考文献,9.,杨莹，高维平，精馏塔最小回流比求解方法，计算机与应用化学，,1995,年,02,期,10.,陆小荣，谈精馏操作最小回流比的确定，兰州石化职业技术学院学报，,2001,年,02,期,11.,龙军，精馏塔适宜回流比的确定，石油炼制与化工，,1996,年,01,期,12.,刘志伟，回流比对操作费和设备费的影响，现代化工，,1997,年,03,期,参考文献,13.,李宝增，李萍，王娟，用虚拟混合法计算二元精馏最小回流比，化学工程，,1996,年,03,期,14.,简丽，精馏塔中适宜回流比的优化选择，内蒙古工业大学学报,(,自然科学版,),，,1996,年,03,期,15.,宁英男，多元精馏中组分在塔顶塔底预分配关系的计算机计算，化工设计通讯，,1995,，,21,（,1,）：,53-56,参考文献,16.,洪文国，精馏加料板位置精确确定研究，齐齐哈尔大学学报，,1995,年,03,期,17.,马玉龙，周新花，郑洁修，计算精馏塔理论塔板数和加料板位置的新方法（,），武汉大学学报,(,自然科学版,),，,1994,年,01,期,18.,雷志刚,王洪有,许峥,萃取精馏的研究进展，化工进展，,2001,年,09,期,参考文献,19.,崔现宝,杨志才,冯天扬，萃取精馏及进展，化学工业与工程，,2001,年,04,期,20.,肖斌,;,肖文,;,罗建军,;,间歇萃取精馏技术和进展，广州化工，,2002,年,01,期,21.,胡兴兰,;,周荣琪,;,萃取精馏萃取剂的一种实验筛选方法,.,化学工程师，,2003,年,03,期,22.,宋海华,;,孙伟,;,王秀丽,;,萃取精馏溶剂选择的研究进展，化学工业与工程，,2002,年,01,期,参考文献,23.,吴涛,;,罗春雨,;,范文平,;,萃取精馏的溶剂再生， 化学工程师，,2001,年,02,期,24.,二元非均相恒沸精馏的图解法，化工设计，,1993,年,02,期,25.,二元非均相共沸物分离过程模拟计算，化学工程，,1994,年,05,期,26.,几何法设计共沸精馏塔，天津化工，,2001,年,01,期,27.,分离共沸混合物，化工设备与管道，,2001,年,03,期,参考文献,28.R. W. Rousseau ,J. S. Staton ,张近,.,化学吸收塔和解吸塔的分析,.,化学工程,1991,(01),29.,周传光,王纯,丁惠华,.,新松弛法与流量加,和法结合模拟吸收过程,.,化学工程,1989,(06),30.,周亚夫,.,多组分吸收计算,SR,法,J.,化学,工程,1984,(6).,31.,安亮,全琼,吴重光,.,面向对象的吸收过程,动态仿真建模分析,.,河南化工,1999,(08),参考文献,32.,王扶明,王晓红,唐继国,.,单塔物理吸收操,作线图解与分析,.,青岛化工学院学报,1996,(03),33.,王丛瑄,.,新的吸收解吸系统工艺流程探讨,.,石油和化工设备,2005,(04),34.,王晓红,郑世清,周传光,韩方煜,.,多,法用,于模拟复杂吸收过程,.,高校化学工程学报,1997,(01),35.,苗容生,陈静德,.,吸收过程多,模型求解的,改进,J.,化学工程,1992,(5).,参考文献,36.,马友光,高瑞昶,冯惠生,余国琮,.,吸收过程的界面传质机理,.,化学工程,2003,(01),37.,丁锁根,.,气液反应双膜论吸收速率及计算应用,.,化学工业与工程技术,2000,(03),38.,乔世璋，齐润红,.,伴有复杂反应气液吸收过程的模拟计算,.,化学工程,1995,(04),39.,李忠玉,徐松,.,吸收塔填料层高度的解析计算,.,化工设计,1998,(05),参考文献,关键组分一定是分配组分。,非关键组分是否一定是非分配组分？,清晰分割有下面的三种描述：,轻,(,重,),组分在塔顶,(,釜,),产品的回收率为,1,。,轻组分全部从塔顶馏出液中采出，重组分全 部从塔釜排出。,非关键组分为非分配组分。,是否等于,问答题,对萃取精馏塔当塔顶产品不合格时,能否,采用加大回流比的方法使塔顶产品合格,?,什么时候采用萃取剂中间采出的流程,?,问答题,恒沸物组成与压力有关吗？,恒沸精馏过程最好形成最,低,沸点恒沸物,还是最,高,沸点恒沸物,?,通过改变压力能使恒沸点消失吗,?,问答题,为什么吸收是单向传质，精馏是双向传质？,精馏和吸收过程分别采用什么方法来确定每块板的温度分布，为什么？,由吸收因子图来说明当吸收效果不好时能否用增加平衡级的手段提高分离效果？,问答题,1.,试确定分配器、全凝器、分凝器的设计变量。,2.,什么是关键组分？非关键组分？分配组分与非分配组分？非关键组分是否就一定是非分配组分？,3.,什么是清晰分割法和不清晰分割法？叙述其原理。,4.,怎样用简捷法计算精馏过程的理论板板数。,思考题,5.,萃取精馏的实质是什么？如何提高其选择性。,6.,萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。,7.,当 时，画出其萃取工艺流程。,8.,甲醇（,1,），沸点,337.7k,，丙酮（,2,）沸点,329.4k,，溶液具有最低恒沸点，的非理想溶液，如用萃取精馏分离时，萃取剂应从酮类选还是从醇类选？请说明原因。,思考题,9.,什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸精馏流程。,10.,怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量。,11.,恒沸精馏的基本原理，说明沸点相近和相对挥发度相近是否为同一概念。,12.,当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同，为什么？,13.,请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。,思考题,14.,简述精馏和吸收过程的主要不同点。,15.,怎样用简捷法计算吸收过程的理论板板数。,16.,当吸收效果不好时，能否用增加塔板数来提高吸收效率，为什么？,17.,精馏有两个关键组分，而吸收只有一个关键组分，为什么？,18.,组分的吸收因子是怎样定义的，推导,i,组分的吸收相平衡方程。,19.,叙述用简捷法作吸收过程物料预分布及理论板数的步骤。,思考题,学习本章要掌握多组分或复杂物系设计变量的确定方法，多组分精馏、共沸和萃取精馏、吸收和蒸出等过程的基本原理、流程及其简捷计算方法，以及塔内的流率、浓度和温度分布特点，熟练掌握多组分多级分离工程的简捷计算方法。,本章小结,难点,：常用化工过程设计变量的确定。普通多组分精馏过程的物料衡算；清晰分割；非关键组分的分配。复杂精馏过程的简捷计算。共沸精馏流程。多组分吸收、蒸出过程计算的平均吸收因子法和有效因子法。,重点,：常用化工生产操作单元、装置和过程的设计变量的确定。多组分精馏过程分析和简捷计算方法。特殊精馏过程、流程，及其简捷计算方法。多组分吸收和蒸出过程分析、简捷计算方法。,第,3,章 结束,