汽液傳質(zhì)分離過程

關(guān)于汽液傳質(zhì)分離過程用于描述間歇蒸餾釜中剩余液體組成隨時間的變化的曲線稱之為剩余曲線。曲線指向時間增長的方向，從較低沸點狀態(tài)到較高沸點狀態(tài)。剩余曲線是指無回流簡單蒸餾過程中塔釜濃度隨時間變化的軌跡。剩余曲線第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天因為該剩余曲線將三角相圖分成兩個蒸餾區(qū)域，故稱它為簡單蒸餾邊界。簡單蒸餾邊界穩(wěn)定節(jié)點、不穩(wěn)定節(jié)點、鞍形點第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天本節(jié)要點各種共沸精餾的原理共沸劑的選擇第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天相圖：101.3kPa0.7MPa利用不同壓力下，共沸組成不同分離。例：分離甲乙酮—水共沸物共沸物1常壓2加壓F水MEK工藝流程圖：第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1、共沸劑的選擇

當(dāng)a、b組分形成兩元共沸物時，加入共沸劑的作用是在塔頂或者塔釜分離出較純的產(chǎn)品a、b。

只有在三角相圖上，剩余曲線開始或者終止于a和b，即a和b分別為穩(wěn)定點或不穩(wěn)定點時，分離才能成為可能。從較低沸點狀態(tài)到較高沸點狀態(tài)。第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.共沸劑的選擇第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1）a、b形成最低共沸物的情況選擇比原共沸溫度更低的低沸點且不形成共沸物的物質(zhì)為共沸劑Te<T<Ta<Tb，e-b和e-a均不形成共沸物。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為穩(wěn)定節(jié)點。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天選擇中間沸點，并且與低沸點組分生成最低共沸物的物質(zhì)為共沸劑Ta<Te<Tb，e-a生成最低共沸物T2<Ta。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。邊界線是兩個共沸點的連接線。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為穩(wěn)定節(jié)點。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天選擇高沸點，并且與原兩組分均生成最低共沸物的物質(zhì)為共沸劑Ta<Tb<Te，e-b和e-a均形成最低共沸物。有三個蒸餾區(qū)域。邊界線為zc、zd。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為穩(wěn)定節(jié)點。第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2）a、b形成最高共沸物的情況選擇比原共沸溫度更高的沸點且不形成共沸物的物質(zhì)為共沸劑T2<Te，e-b和e-a均不形成共沸物。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為不穩(wěn)定節(jié)點。純組分a、b作為不同精餾塔的塔頂餾出液采出。純組分e作為塔釜液采出。第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天選擇中間沸點，并且與高沸點組分生成最高共沸物的物質(zhì)為共沸劑Ta<Te<Tb，e-b生成最高共沸物T1>Tb。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。邊界線是兩個共沸點的連接線。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為不穩(wěn)定節(jié)點。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天選擇低沸點，并且與兩組分均生成最高共沸物的物質(zhì)為共沸劑Te<Ta<Tb，e-b和e-a均形成最高共沸物。

e的加入使三角相圖分為三個蒸餾區(qū)域，產(chǎn)生兩條邊界線。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為不穩(wěn)定節(jié)點。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3）共沸劑選取原則概括只有當(dāng)某一剩余曲線連接所希望得到的產(chǎn)品時，一個均相共沸物才能被分離成接近純的組分。若滿足上述條件：對于二元最低共沸物系，共沸劑應(yīng)該是一個低沸點組分或能形成新的二元或三元最低共沸物的組分；對于二元最高共沸物系，共沸劑應(yīng)該是一個高沸點組分或能形成新的二元或三元最高共沸物的組分。第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天理想共沸劑應(yīng)具備特征

1）顯著影響關(guān)鍵組分氣液平衡關(guān)系；

2）容易分離回收；

3）用量少，汽化潛熱低；

4）與進料組分互溶，不與進料組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

5）無腐蝕、無毒，廉價易得。第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4.共沸劑精餾的計算第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天αβxαxβxαxβ二元非均相共沸精餾1、分離流程若兩組分形成非均相共沸物，則采用雙塔流程，并設(shè)置分層器，在不加入任何共沸劑的情況下可實現(xiàn)組分間的完全分離。經(jīng)典流程如圖。設(shè)原料中兩組分A、B，以A的摩爾分?jǐn)?shù)表示物料組成，初始A為易揮發(fā)組分。兩塔塔頂接近共沸組成的上升蒸汽經(jīng)冷凝后在分層器分成兩個液相α、β。假設(shè)xAα<xAβ

α相返回1塔作回流在1塔，由于A是易揮發(fā)組分，高純度的B會從塔釜引出。分層器中的β相送入2塔回流

。此時B是易揮發(fā)組分，所以組分A是塔釜產(chǎn)品。第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天進料位置αβxαxβxαxβ1)若xF

<xα<xβ

，則應(yīng)在1塔進料；2)若

xα

<

xβ

<xF

，則應(yīng)在2塔進料；3)若

xα

<xF

<xβ

，則應(yīng)在分層器進料。第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天兩液相回流的通用流程在一些情況下，由于工藝或者設(shè)備的要求，需要采用兩液相回流。第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天兩元非均相共沸精餾的應(yīng)用是從水溶液中分離和回收某些有機物質(zhì)的簡單有效方法。有時，僅要求分離出一個純產(chǎn)品，可采用單塔流程。如丁二烯中飽和水的脫除。此時，塔釜中得到的是脫水干燥后的有機物，塔頂出丁二烯-水混合物，經(jīng)冷凝分層后，有機相回流。水相中有機物含量少，所以可不設(shè)2塔回收有機物，而以廢水形式排放。對于形成二元均相最低共沸物的系統(tǒng)，降低分層器溫度，或者降低操作壓力，使冷凝液出現(xiàn)液液分層情況，也可按非均相共沸精餾處理。第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2、兩元非均相共沸精餾的圖解法兩元非均相共沸精餾的圖解法，對于恒摩爾流情況，計算結(jié)果是準(zhǔn)確的；對于非恒摩爾流情況，計算結(jié)果欠佳，可作為ASPENPLUS軟件嚴(yán)格計算的初值。1)單相回流圖解法對兩塔進行總的物料衡算：已知，1塔進料，F(xiàn)，xF，分離要求xB1、xB2。解得：圖解法過程第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天假設(shè)1塔精餾段氣相流量為V1液相流量為L1。在1塔精餾段的第n塊塔板及2塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔精餾段操作線方程：第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天在1塔提餾段的第n塊塔板及1塔塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔提餾段操作線方程：假設(shè)1塔提餾段氣相流量為V1’液相流量為L1’。第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

2塔，塔頂進料，所以只有提餾段。假設(shè)2塔氣相流量為V2’液相流量為L2’。得2塔操作線方程：第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)相平衡曲線，1塔精餾段、提餾段操作線，2塔操作線方程作圖。αβxαxβxαxβ1塔和2塔圖解理論板數(shù)的起點分別是操作線上橫坐標(biāo)為xα

、xβ的點。分別作階梯至xB1、xB2得各段理論板數(shù)。第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天αβxαxβxαxβA組分為水的兩元非均相共沸精餾的圖解法過程設(shè)原料中兩組分A、B，以A的摩爾分?jǐn)?shù)表示物料組成，初始A為易揮發(fā)組分，且A為水。兩塔塔頂接近共沸組成的上升蒸汽經(jīng)冷凝后在分層器分成兩個液相α、β。假設(shè)xAα<xAβ

。α相返回1塔作回流。在1塔，由于A是易揮發(fā)組分，高純度的B會從塔釜引出。分層器中的β相送入2塔回流

。此時B是易揮發(fā)組分，所以組分A-水是塔釜產(chǎn)品。所以，2塔是水塔，可以直接水蒸氣加熱。第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天假設(shè)1塔精餾段氣相流量為V1液相流量為L1。在1塔精餾段的第n塊塔板及2塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔精餾段操作線方程：物料衡算時，二塔塔釜多了一項水蒸氣流量S。若xF<xα<xβ，則應(yīng)在1塔進料第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天在1塔提餾段的第n塊塔板及1塔塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔提餾段操作線方程：假設(shè)1塔提餾段氣相流量為V1’液相流量為L1’。同間接加熱提餾段方程。第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天假設(shè)2塔氣相流量為V2’液相流量為L2’。得2塔操作線方程：按恒摩爾流假設(shè)，第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天隨水排出的有機物量增大，即有機物的收率會略有降低。對兩塔進行總的物料橫算：

1塔進料，F(xiàn)，xF，分離要求xB1、xB2。解得：直接水蒸氣加熱：已知間接加熱：可見直接水蒸氣加熱B2增大，即廢水排放量增大；若保持收率不變，應(yīng)適當(dāng)降低2釜排放廢水中有機物的含量。第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天若xα<xβ<xF，則應(yīng)在2塔進料直接水蒸氣加熱2塔提餾段操作線方程：2塔精段操作線方程：1塔操作線方程：第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天若

xα

<xF

<xβ

，則應(yīng)在分層器進料直接水蒸氣加熱2塔提留段操作線方程：1塔操作線方程：第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例：用雙塔共沸精餾體系脫除正丁醇中的水。進料流量F=5000kmol/h,原料含水28%（mol），氣液進料，氣相分率為30%。操作壓力101.3kpa。飽和液體回流。規(guī)定丁醇塔中，L1/V1=1.23(L/V)1,min,水塔中V2’/B2=0.132。要求丁醇產(chǎn)品中含水量不大于0.04摩爾分?jǐn)?shù)，廢水中含正丁醇不大于0.005摩爾分?jǐn)?shù)。計算：①產(chǎn)品流率；②兩個塔的平衡級數(shù)和適宜進料位置。解：(1)兩塔均采用再沸器加熱的方案。①進料位置的判斷由氣液平衡數(shù)據(jù)，應(yīng)1塔進料。②物料橫算已知間接加熱：解得：③1塔操作線和理論板數(shù)的確定第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天α.確定夾點的氣液相組成及最小液氣比若夾點出現(xiàn)在進料板處，則畫圖得到q線和平衡線的交點坐標(biāo)。將q=1-0.3=0.7和xF值代入上式得:y=-2.33x+0.933,將其繪于y-x圖上，與平衡線交于J1點，xJ1=0.17，yJ1=0.53。若夾點出現(xiàn)在塔頂，設(shè)為J2點，因回流液組成x回=0.573。固，J2點的氣相組成應(yīng)是與回流液成平衡的y值，故，yJ2=0.75。第53頁,共65頁，2024年2月25日，星期天最小氣液比若1塔夾點在塔頂若1塔夾點在進料板b.操作線和理論板的確定得精餾段操作線方程作精餾操作線、q線、提留操作線，在x回=0.573與精餾段操作線交點處開始做階梯，圖解理論板，得N=4,其中，NR=2，NS=2。第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天④2塔操作線和理論板數(shù)的確定由題意，V2’/B2=0.132，又B2=1256.5所以V2’=165.9，L2’=V2’+B2=1422.4。得2塔操作線方程：畫操作線。由x回’=0.975與操作線交點J3開始圖解理論板，N2=2。第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二元均相共沸物的變壓精餾當(dāng)共沸組成隨總壓變化明顯變化時，采用兩個不同壓力操作的雙塔精餾流程，可實現(xiàn)兩元混合物的分離。該方法是分離二元均相共沸物系最簡單和最經(jīng)濟的技術(shù)。1、分離流程以甲乙酮(MEK)-水(H2O)的分離過程為例。常壓下，該物系形成二元最低共沸物。此時共沸物組成含MEK65%（摩爾分率）。

0.7MPa下，共沸物組成含MEK50%。兩個壓力下的T-x-y相圖，如圖。第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天以甲乙酮(MEK)-水(H2O)可采用如圖流程實現(xiàn)分離。

1塔在常壓下操作，二塔在較高壓力下操作。如果原料含MEK<65%。在1塔進料，塔頂溜出液為接近該壓力下的共沸組成。塔釜為純水。溜出液進塔2。塔釜為純MEK。塔頂為MEK接近50%的溜出液，循環(huán)到1塔。正偏差yx第57頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2、設(shè)計方法