多組分精餾和特殊精餾技術

1第7章多組分精餾和特種精餾技術主要內容及要求：深入理解多組分精餾過程，會分析；掌握多組分精餾的簡捷計算方法；掌握萃取與恒沸精餾、反響精餾、分子蒸餾和膜蒸餾的原理和過程分析。2精餾塔中的平衡級就是一簡單絕熱閃蒸級。37.1多組分精餾過程7.1.1多組分精餾過程分析7.1.2最小回流比7.1.3最少理論塔板數(shù)和組分分配7.1.4實際回流比和理論板數(shù)7.1.5多組分精餾的簡捷計算方法47.1.1多組分精餾過程分析一、關鍵組分〔KeyComponents〕多組分精餾過程分析就是分析精餾塔內的溫度、流率和濃度分布。FNa=串級數(shù)(2)＋分配器(1)

＋側線采出(0)＋傳熱單元(2)=5已被指定的可調變量：〔1〕進料位置；〔2〕回流比；〔3〕全凝器飽和液體回流或冷凝器的傳熱面積或餾出液溫度。余下的2個可調設計變量往往用來指定組分在餾出液和釜液中的濃度。5對于兩組分精餾，指定餾出液中一個組分的濃度，就確定了餾出液的全部組成；指定釜液中一個組分的濃度，也就確定了釜液的全部組成。對于多組分精餾，待定設計變量數(shù)仍是2，所以只能指定兩個組分的濃度，其他組分的濃度那么相應確定。通常，把由設計者指定別離要求的這2個組分稱為關鍵組分。其中相對易揮發(fā)的組分稱為輕關鍵組分〔LK〕，相對不易揮發(fā)的組分稱為重關鍵組分〔HK〕。多組分精餾物系組成：輕非關鍵組分〔LNK〕，輕組分輕關鍵組分〔LK〕中間組分重關鍵組分〔HK〕重非關鍵組分〔HNK〕，重組分6根據(jù)組分是否在精餾塔的兩端都出現(xiàn)，可分為分配組分和非分配組分。清晰分割：

餾出液中除了重關鍵組分之外，沒有其它重組分；釜液中除了輕關鍵組分之外，沒有其它輕組分。7二、多組分精餾過程特性對于二組分精餾，設計變量被確定后，可從任一端出發(fā)，作逐板計算，無需試差。對于多組分精餾，由于不能指定全部組成，所以需先假設一端的組成，再通過反復試差求解。下面通過實例分別對二組分精餾和多組分精餾過程分析進行比較。8二組分精餾實例：苯－甲苯圖3-1二組分精餾流率、溫度、濃度分布9三組分精餾實例：苯(LK)－甲苯(HK)－異丙苯圖3-2三組分精餾流量分布圖3-3三組分精餾溫度分布10四組分精餾實例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-異丙苯圖3-6四組分精餾液相組成分布11多組分精餾與二組分精餾在含量分布上的區(qū)別：〔1〕關鍵組分含量存在極大值；〔2〕非關鍵組分通常是非分配的，

即重組分通常僅出現(xiàn)在釜液中，

輕組分僅出現(xiàn)在餾出液中；〔3〕重、輕非關鍵組分分別在進料板下、上

形成幾乎恒濃的區(qū)域；〔4〕全部組分均存在于進料板上，但進料板

含量不等于進料含量。12精餾過程的內在規(guī)律：在精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成，而總的級間流量分布那么主要反映了熱衡算的限制。137.1.2最小回流比〔Rm〕多組分精餾：最小回流比下，也有恒濃區(qū)，但由于非關鍵組分的存在，恒濃區(qū)出現(xiàn)的部位要較二組分精餾復雜。二組分精餾：最小回流比下，進料板上下出現(xiàn)恒濃區(qū)或稱夾點。恒濃區(qū)14多組分精餾中的恒濃區(qū)〔1〕輕、重組分均為非分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)進料板以上必須緊接著有假設干塔板使重組分的濃度降到零，這一段不可能是恒濃區(qū)，恒濃區(qū)向上推移而出現(xiàn)在精餾塔段的中部。同理，輕組分恒濃區(qū)出現(xiàn)在提餾段中部。15〔2〕重組分為非分配組分，輕組分為分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)〔3〕重組分為分配組分，輕組分為非分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)16〔4〕輕、重組分均為分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)最小回流比條件下會出現(xiàn)恒濃區(qū)，區(qū)內無別離效果，需無窮多理論板。如何計算最小回流比？17計算最小回流比的Underwood〔恩德伍德〕公式：假設：

1、各組分相對揮發(fā)度是常數(shù)；

2、塔內汽液相流率為恒摩爾流。Underwood〔恩德伍德〕公式：（7-1）18Underwood〔恩德伍德〕公式中參數(shù)的含義：（7-1）i—組分i的相對揮發(fā)度；(xiD)m—最小回流比下餾出液中組分i的摩爾分數(shù)；xiF—進料中組分i的摩爾分數(shù)；q—進料熱狀態(tài)參數(shù)〔進料液相分率〕；—方程的根。以全回流下的xiD代替

取

LK>>

HK的根197.1.3最少理論板數(shù)〔Nm〕和組分分配1、開車時，先全回流，待操作穩(wěn)定后出料。全回流對應最少理論板數(shù)，但全回流下無產品采出，因此正常生產中不會采用全回流。什么時候采用全回流呢？2、在實驗室設備中，研究傳質影響因素。3、工程設計中，必須知道最少板數(shù)。20計算最少理論板數(shù)的Fenske〔芬斯克〕方程：推導前提：1、塔頂采用全凝器；〔假設采用分凝器，那么分凝器為第1塊塔板〕；2、所有板都是理論板。從塔頂向下排序，由相對揮發(fā)度的定義有：對第2塊板作物料衡算：全回流下，D=0（7-2）21因此：同理：兩式相除，可得：代入（7-2）式：（7-2）可得：22再由相平衡關系可得：

由物料衡算：可得：

依此類推到塔釜：

（7-5）

23定義

AB為相對揮發(fā)度的幾何平均值：

代入〔3-7〕式，可解出最少理論板數(shù)Nm：（7-8）

Fenske方程24對于無中間組分的體系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)組成的體系，

先假定清晰分割，計算理論板數(shù)，再校驗是否清晰分割。清晰分割假定比較適用的情況：輕重關鍵組分的別離程度較高，輕組分的揮發(fā)度比LK的揮發(fā)度大得多，而重組分的揮發(fā)度比HK的揮發(fā)度小得多。幾點注意：對于有中間組分的體系：如A(LNK)、B(LK)、C(中間組分)、D(HK)、E(HNK)組成的體系，那么根據(jù)C的相對揮發(fā)度是靠近B還是靠近D來假定C在塔頂和塔釜的分配。257.1.4實際回流比和理論板數(shù)有了實際回流比和最少理論板數(shù)，求實際理論板數(shù)常用的經驗方法有：Gilliland圖、Erbar-Maddox圖。用Underwood方程求出Rm后，實際回流比R一般取作1.30Rm。適用于相對揮發(fā)度變化不大的情況適用于非理想性較大的情況26圖3-9Gilliland圖圖3-10Erbar-Mddox27適宜進料板位置確實定原那么：在操作回流比下精餾段與提餾段理論板數(shù)之比等與在全回流下用Fenske方程分別計算得到的精餾段與提餾段理論板數(shù)之比。287.1.5多組分精餾的簡捷計算方法精餾簡捷計算——FUG法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N29開始指定進料條件指定兩個關鍵組分的分離程度估計非關鍵組分的分離情況決定精餾塔操作壓力和冷凝器類型在塔壓下作閃蒸計算計算最少理論板數(shù)和非關鍵組分的分離程度計算值與估計值是否接近對于指定的實際回流比（R>Rm）計算實際理論板數(shù)N計算最小回流比Rmyes計算進料級位置計算熱負荷結束no（泡、露點計算）（絕熱閃蒸計算）（Underwoodeq.）（R=1.1～1.5Rm，Gilland圖）（Kirkbrideeq.）（能量衡算eq.）（Fenskeeq.）多組分精餾的FUG法計算框圖307.2特殊精餾當待別離組分之間形成共沸物或相對揮發(fā)度接近1時，用普通精餾是無法實現(xiàn)別離或是經濟上不合理的。此時，向體系中參加一種適當?shù)男陆M分，通過與原體系中各組分的不同作用，改變組分之間的相對揮發(fā)度，使系統(tǒng)變得易于別離，這類既參加能量別離劑又參加質量別離劑的精餾稱為特殊精餾或稱增強精餾。31特殊精餾的分類〔1〕萃取精餾〔ExtractiveDistillation〕：參加的質量別離劑不與被別離系統(tǒng)中的任何組分形成共沸物，而其沸點又較原有的任一組分高，從塔釜離開。參加的質量別離劑稱為溶劑?！?〕共沸精餾〔PeotropicDistillation〕：參加的質量別離劑與被別離系統(tǒng)中的一個或幾個組分形成共沸物，從塔頂蒸出。參加的質量別離劑稱為共沸劑。〔3〕反響精餾：參加C，使之與原體系中的A發(fā)生反響，從而減弱A與B的結合力。例如：催化精餾。32〔4〕加鹽精餾：加鹽，利用鹽溶和鹽析效應使兩組分溶解行為發(fā)生變化?！?〕吸附精餾：參加吸附劑。〔6〕膜精餾：利用多孔膜。因為過程需加熱，且B在另一側也汽化，所以可稱為精餾。好處：無需再生，但目前由于膜材料和制膜工藝的不成熟尚無工業(yè)應用。337.2.1萃取與共沸精餾〔1〕萃取精餾〔2〕共沸精餾34〔1〕萃取精餾一、流程35二、萃取精餾的原理和溶劑的選擇〔1〕溶劑的作用設組分1和組分2組成的混合物，參加溶劑S進行別離。常壓下的相對揮發(fā)度：液相活度系數(shù)可由三組分Margules方程求算：組分1的脫溶劑濃度x1’=x1/(x1+x2)代入36代入相對揮發(fā)度的表達式，可得有溶劑存在下組分1和2間的相對揮發(fā)度：三組分物系的泡點溫度無溶劑S時，xS＝0，則二組分體系的相對揮發(fā)度：二組分物系的泡點溫度37假設〔p1S/p2S〕與溫度關系不大，x1=x1’，那么：（3-24）溶劑的選擇性溶劑的作用：改變組分間的相互作用；稀釋作用。提高溶劑的選擇性可以：1〕提高xS，即加大溶劑用量——稀釋作用；2〕選擇適宜溶劑，改變組分相互作用，如使A1S’變大〔正偏差〕，A2S’變小〔負偏差〕，從而提高相對揮發(fā)度。38〔2〕溶劑的選擇1〕沸點要較組分的高；2〕與被別離物系有較大的溶解度；3〕一般溶劑濃度>60%，所以本錢要低；4〕污染小，環(huán)境友好。39三、萃取精餾過程分析〔1〕塔內流量分布精餾段：

總物料衡算：組分物料衡算：或：將上式的濃度改為脫溶劑的相對濃度：（3-29）FSDWnn+1n-1m-1m+1m40以l代表液相中原溶液組分之流率，以v代表汽相中原溶液組分之流率，即：則：當(xS)D=0時：（3-32）FSDWnn+1n-1m-1m+1m41比較〔3-29)式和〔3-32〕式：（3-29）（3-32）可得：（3-33）因為S為重組分，(yS)n+1<(xS)n，所以：①溶劑存在下塔內的液汽比大于脫溶劑情況下的液汽比。FSDWnn+1n-1m-1m+1m42對溶劑作物料衡算：設Sn=Ln(xS)n，即n板下流液體中溶劑的流率：②各板下流之溶劑流率均大于參加的溶劑流率，且溶劑揮發(fā)度越大，差值也越大。FSDWnn+1n-1m-1m+1m當（xS)D=0時：可見：Sn>S43萃取精餾中，溶劑沸點高，溶劑量大，下流過程中溶劑溫升會冷凝一定量的上升蒸汽，使塔內流率發(fā)生明顯變化。③A液相流率越往下越大。FSDWnn+1n-1m-1m+1m第n板的液相流率為：原有液體流率溶劑量溶劑溫升冷凝的蒸汽量同理，可以得到提餾段第m板的液相流率為：44精餾段的汽相流率：③B汽相流率越往下越大，即越往上越小。FSDWnn+1n-1m-1m+1m提餾段的汽相流率：45〔2〕塔內溶劑含量分布精餾段物料衡算：假定：1〕恒摩爾流；2〕〔xS)D=0FSDWnn+1n-1m-1m+1m（3-26）（3-41）溶劑與原溶液之間的汽液平衡關系：（3-42）溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度

將〔3-26〕式和〔3-41〕式代入〔3-42〕消去V和yS：46表示了溶劑含量與溶劑參加量、溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度以及塔板間液相流率的關系。溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度一般很小，當≈0時：

FSDWnn+1n-1m-1m+1m〔3-43〕類似地，提餾段溶劑濃度：

（3-45）當≈0時：

47分析：將塔分為四局部精餾段：FSDWnn+1n-1m-1m+1m提餾段：塔釜：溶劑回收段：當進料為飽和蒸汽時，；當進料為液相或汽液混合物時，。溶劑在塔釜中濃度有明顯躍升。48四、萃取精餾過程的計算萃取精餾過程特點：

FSDWnn+1n-1m-1m+1m〔1〕物系非理想性強；〔2〕塔內汽液相流率變化大；〔3〕相平衡和熱量衡算關系復雜。適于用嚴格計算法。有些情況下，特別是當原溶液組分性質相近時，可按二元精餾方法，用圖解法或解析法處理，使計算得以簡化。49五、萃取精餾實例環(huán)乙烷對苯的相對揮發(fā)度環(huán)己烷－苯的萃取精餾分離

萃取劑：糠醛糠醛組成，x00.20.60.7

環(huán)乙烷／苯0.981.382.352.750〔2〕共沸精餾共沸精餾又稱恒沸精餾。別離原理：與萃取精餾根本相同，不同之處是共沸劑〔夾帶劑，攜帶劑〕在影響原溶液組分的相對揮發(fā)度的同時，還要與原溶液中一個或多個組分形成共沸物。一、共沸物的特性與其組成的計算二、共沸劑的選擇三、共沸精餾流程四、共沸精餾的計算五、共沸精餾與萃取精餾比較51一、共沸物的特性與其組成的計算對于共沸物，混合物的蒸汽壓－組成曲線上之極值點相當于汽、液平衡相的組成相等。多元共沸物汽液相組成相等點并不一定對應于恒壓下T—x圖上的極值點或恒溫下P—x圖上的極值點。1、二元系〔1〕二元均相共沸物系統(tǒng)壓力不高時，汽相視為理想氣體：共沸點處：52即：

或

——計算方程？總壓P，如何求共沸組成x和共沸溫度T4）代入：——校核方程1〕假定T；2〕計算P1S和P2S；3〕由1＝f(x1,T,P)、2＝f(x1,T,P)和1/2=P1S/P1S計算x1；5〕如上式成立，那么結束計算，如不成立，那么假定新的T，繼續(xù)試差計算。53〔2〕非均相二元共沸物除考慮汽液平衡外，還要考慮液液平衡。聯(lián)立求解上述三式，可得到共沸溫度〔共沸壓力〕和液相組成。計算方程：校核方程：542、三元系計算方程：校核方程：55二、共沸劑的選擇理想的共沸劑應具備以下特性：〔1〕顯著影響關鍵組分的汽液平衡關系；〔2〕共沸劑容易別離和回收；〔3〕用量少，汽化潛熱低；〔4〕與進料組分互溶，不生成兩相，不與進料中組分起化學反響；〔5〕無腐蝕、無毒；〔6〕價廉易得。56三、共沸精餾流程〔一〕雙壓精餾如果壓力變化明顯影響共沸組成，那么采用兩不同壓力操作的雙塔流程，可實現(xiàn)二元共沸物完全別離。圖3-31雙壓精餾流程57〔二〕二元非均相共沸物的精餾如果二組分能夠形成非均相共沸物，那么不必另加共沸劑便可實現(xiàn)