萃取精餾和共沸精餾-分離工程

1、3.2 萃取精餾和共沸精餾3.2.1 萃取精餾3.2.2 共沸精餾3.2.1 萃取精餾一、流程二、萃取精餾的原理和溶劑的選擇（1）溶劑的作用設(shè)組分1和組分2組成的混合物，加入溶劑S進(jìn)行分離。常壓下的相對(duì)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)代入代入相對(duì)揮發(fā)度的表達(dá)式，可得有溶劑存在下組分1和2間的相對(duì)揮發(fā)度：三組分物系的泡點(diǎn)溫度無(wú)溶劑S時(shí)，xS0，則二組分體系的相對(duì)揮發(fā)度：二組分物系的泡點(diǎn)溫度若（p1S/p2S）與溫度關(guān)系不大，x1=x1，則：（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：

2、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?。ㄘ?fù)偏差），從而提高相對(duì)揮發(fā)度。（2）溶劑的選擇1）沸點(diǎn)要較組分的高；2）與被分離物系有較大的溶解度；3）一般溶劑濃度60%，所以成本要低；4）污染小，環(huán)境友好。三、萃取精餾過(guò)程分析（1）塔內(nèi)流量分布精餾段： 總物料衡算： 組分物料衡算： 或： FSDWnn+1n-1m-1m+1m將上式的濃度改為脫溶劑的相對(duì)濃度： （3-29） 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(dāng)(xS)D=0 時(shí)：（3-32）FSDWnn+1n-1m-1m+1m比較（3-2

3、9)式和（3-32）式：（3-29） （3-32）可得：（3-33）因?yàn)镾為重組分，(yS)n+1S萃取精餾中，溶劑沸點(diǎn)高，溶劑量大，下流過(guò)程中溶劑溫升會(huì)冷凝一定量的上升蒸汽，使塔內(nèi)流率發(fā)生明顯變化。A 液相流率越往下越大。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：精餾段的汽相流率：B汽相流率越往下越大，即越往上越小。提餾段的汽相流率：FSDWnn+1n-1m-1m+1m（2）塔內(nèi)溶劑含量分布精餾段物料衡算： 假定：1）恒摩爾流； 2）（xS)D=0 （3-26） （3-41） FSDWnn+1n-1m-1m+1m溶劑與原溶液之間的汽液平

4、衡關(guān)系： （3-42） 溶劑對(duì)非溶劑的相對(duì)揮發(fā)度 將（3-26）式和（3-41）式代入（3-42）消去V 和yS： （3-43） 表示了溶劑含量與溶劑加入量、溶劑對(duì)非溶劑的相對(duì)揮發(fā)度以及塔板間液相流率的關(guān)系。 溶劑對(duì)非溶劑的相對(duì)揮發(fā)度一般很小，當(dāng)0 時(shí)： 類(lèi)似地，提餾段溶劑濃度： （3-45） 當(dāng)0 時(shí)： 分析：將塔分為四部分 精餾段： 提餾段： 塔 釜： 溶劑回收段： FSDWnn+1n-1m-1m+1m當(dāng)進(jìn)料為飽和蒸汽時(shí)， ；當(dāng)進(jìn)料為液相或汽液混合物時(shí)， 。溶劑在塔釜中濃度有明顯躍升。 四、萃取精餾過(guò)程的計(jì)算萃取精餾過(guò)程特點(diǎn)： （1）物系非理想性強(qiáng)； （2）塔內(nèi)汽液相流率變化大； （3）相

5、平衡和熱量衡算關(guān)系復(fù)雜。 適于用嚴(yán)格計(jì)算法（見(jiàn)第6章）。有些情況下，特別是當(dāng)原溶液組分性質(zhì)相近時(shí)，可按二元精餾方法，用圖解法或解析法處理，使計(jì)算得以簡(jiǎn)化。 五、萃取精餾實(shí)例環(huán)乙烷對(duì)苯的相對(duì)揮發(fā)度環(huán)己烷苯的萃取精餾分離 萃取劑：糠醛2.72.351.380.98環(huán)乙烷苯0.70.60.20糠醛組成，x3.2.2 共沸精餾共沸精餾又稱(chēng)恒沸精餾。分離原理： 與萃取精餾基本相同，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(duì)揮發(fā)度的同時(shí)，還要與原溶液中一個(gè)或多個(gè)組分形成共沸物。 一、共沸物的特性與其組成的計(jì)算 二、共沸劑的選擇三、共沸精餾流程四、共沸精餾的計(jì)算五、共沸精餾與萃取精餾比較一、共

6、沸物的特性與其組成的計(jì)算對(duì)于共沸物，混合物的蒸汽壓組成曲線上之極值點(diǎn)相當(dāng)于汽、液平衡相的組成相等。 多元共沸物汽液相組成相等點(diǎn)并不一定對(duì)應(yīng)于恒壓下Tx 圖上的極值點(diǎn)或恒溫下Px 圖上的極值點(diǎn)。（1）二元均相共沸物系統(tǒng)壓力不高時(shí)，汽相視為理想氣體：共沸點(diǎn)處：1、二元系即： 或 計(jì)算方程？已知總壓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(jì)算P1S和P2S；3）由1f(x1,T,P)、2f(x1,T,P)和1/2=P1S/P1S計(jì)算x1；5）如上式成立，則結(jié)束計(jì)算，如不成立，則假定新的T，繼續(xù)試差計(jì)算。（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

7、三式，可得到共沸溫度（共沸壓力）和液相組成。計(jì)算方程： 校核方程： 2、三元系計(jì)算方程：校核方程：二、共沸劑的選擇理想的共沸劑應(yīng)具備以下特性：（1）顯著影響關(guān)鍵組分的汽液平衡關(guān)系；（2）共沸劑容易分離和回收；（3）用量少，汽化潛熱低；（4）與進(jìn)料組分互溶，不生成兩相，不與進(jìn) 料中組分起化學(xué)反應(yīng)；（5）無(wú)腐蝕、無(wú)毒；（6）價(jià)廉易得。 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，則采用兩不同壓力操作的雙塔流程，可實(shí)現(xiàn)二元共沸物完全分離。 圖3-31 雙壓精餾流程（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(shí)現(xiàn)二組分的完全分離。 圖3-33 分離

8、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來(lái)分離。為了得到高純的塔底產(chǎn)品，采用稍過(guò)量的共沸劑，再增加一個(gè)溶劑回收塔，往往是一個(gè)行之有效的方法。 四、共沸精餾的計(jì)算 共沸物精餾體系非理想性強(qiáng)、組分多、變量多，不宜使用簡(jiǎn)捷法，而嚴(yán)格計(jì)算也變得非常復(fù)雜。五、共沸精餾實(shí)例乙醇水共沸精餾乙醇水溶液共沸點(diǎn)：78.3；共沸組成：乙醇 0.894；水 0.006。乙醇水苯共沸點(diǎn)：64.6；共沸組成：乙醇 0.23；水 0.226；苯 0.544。六、共沸精餾與萃取精餾比較共同點(diǎn)：不同點(diǎn)：基本原理相同，都是通過(guò)加入適量的質(zhì)量分離劑，改變組分之間的相互作用，增大組分的揮發(fā)度差異，實(shí)現(xiàn)精餾分離。 （1）

9、共沸精餾中加入的共沸劑必須與原溶液 中的一個(gè)或幾個(gè)組分形成共沸物，而萃取精 餾中的溶劑無(wú)此限制，共沸劑的選擇范圍相 對(duì)較窄；（2）共沸精餾中共沸劑以汽態(tài)離塔，消耗的潛熱較多，萃取精餾中萃取劑基本不變化，因此共沸精餾的能耗一般比萃取精餾大；（3）在同樣壓力下，共沸精餾的操作溫度通常比萃取精餾低，故共沸精餾更適用于分離熱敏性物料；（4）共沸精餾可連續(xù)操作，也可間歇操作，萃取精餾一般只能連續(xù)操作。1.朱憲; 劉群; 周忠華;理論塔板數(shù)的簡(jiǎn)捷算法，化學(xué)工程，1992，（1）：702.簡(jiǎn)捷法求算多組分精餾過(guò)程的理論板，化工設(shè)計(jì)，1993，3（5）：273.一種新的理論板數(shù)簡(jiǎn)捷算法，化學(xué)世界，1991，（

10、6）：2724.曾平，估算精餾理論塔板數(shù)的新方法，大學(xué)化學(xué)，1997，（2）：55參考文獻(xiàn)5.彭小平,顏清，迭代法求算精餾塔的理論塔板數(shù)，上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2001年06期6.李寶增，介紹計(jì)算二元體系精餾理論板數(shù)新方法，新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000年01期7.黃光斗，二元理想溶液常規(guī)精餾塔Rmin解析計(jì)算，湖北化工，1998年02期8.高維平，楊瑩，精餾塔最小回流比通用求解方法，吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1995年01 參考文獻(xiàn)9.楊瑩，高維平，精餾塔最小回流比求解方法，計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1995年02期10.陸小榮，談精餾操作最小回流比的確定，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001年02期1

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15、.李忠玉,徐松.吸收塔填料層高度的解析計(jì)算.化工設(shè)計(jì),1998,(05)參考文獻(xiàn) 關(guān)鍵組分一定是分配組分。 非關(guān)鍵組分是否一定是非分配組分？ 清晰分割有下面的三種描述： 輕(重)組分在塔頂(釜)產(chǎn)品的回收率為1。 輕組分全部從塔頂餾出液中采出，重組分全 部從塔釜排出。 非關(guān)鍵組分為非分配組分。 是否等于 問(wèn)答題對(duì)萃取精餾塔當(dāng)塔頂產(chǎn)品不合格時(shí),能否采用加大回流比的方法使塔頂產(chǎn)品合格?什么時(shí)候采用萃取劑中間采出的流程?問(wèn)答題恒沸物組成與壓力有關(guān)嗎？恒沸精餾過(guò)程最好形成最低沸點(diǎn)恒沸物還是最高沸點(diǎn)恒沸物?通過(guò)改變壓力能使恒沸點(diǎn)消失嗎?問(wèn)答題為什么吸收是單向傳質(zhì)，精餾是雙向傳質(zhì)？精餾和吸收過(guò)程分別采用什

16、么方法來(lái)確定每塊板的溫度分布，為什么？由吸收因子圖來(lái)說(shuō)明當(dāng)吸收效果不好時(shí)能否用增加平衡級(jí)的手段提高分離效果？問(wèn)答題1.試確定分配器、全凝器、分凝器的設(shè)計(jì)變量。2.什么是關(guān)鍵組分？非關(guān)鍵組分？分配組分與非分配組分？非關(guān)鍵組分是否就一定是非分配組分？3.什么是清晰分割法和不清晰分割法？敘述其原理。4.怎樣用簡(jiǎn)捷法計(jì)算精餾過(guò)程的理論板板數(shù)。思考題5.萃取精餾的實(shí)質(zhì)是什么？如何提高其選擇性。6.萃取精餾的原理是什么？畫(huà)出液相進(jìn)料的萃取精餾流程。7.當(dāng) 時(shí)，畫(huà)出其萃取工藝流程。8.甲醇（1），沸點(diǎn)337.7k，丙酮（2）沸點(diǎn)329.4k，溶液具有最低恒沸點(diǎn)，的非理想溶液，如用萃取精餾分離時(shí)，萃取劑應(yīng)從酮

17、類(lèi)選還是從醇類(lèi)選？請(qǐng)說(shuō)明原因。 思考題9.什么叫恒沸精餾，畫(huà)出一個(gè)二元非均相恒沸精餾流程。10.怎樣用三角相圖來(lái)求解恒沸劑的用量。11.恒沸精餾的基本原理，說(shuō)明沸點(diǎn)相近和相對(duì)揮發(fā)度相近是否為同一概念。12.當(dāng)原溶液為二組分時(shí)，恒沸精餾和萃取精餾都可以用圖解法求算，試問(wèn)兩者原理是否相同，為什么？13.請(qǐng)指出共沸精餾與萃取精餾的主要異同。思考題14.簡(jiǎn)述精餾和吸收過(guò)程的主要不同點(diǎn)。15.怎樣用簡(jiǎn)捷法計(jì)算吸收過(guò)程的理論板板數(shù)。16.當(dāng)吸收效果不好時(shí)，能否用增加塔板數(shù)來(lái)提高吸收效率，為什么？17.精餾有兩個(gè)關(guān)鍵組分，而吸收只有一個(gè)關(guān)鍵組分，為什么？18.組分的吸收因子是怎樣定義的，推導(dǎo)i組分的吸收相平衡方程。19.敘述用簡(jiǎn)捷法作吸收過(guò)程物料預(yù)分布及理論板數(shù)的步驟。思考題 學(xué)習(xí)本章要掌握多組分或復(fù)雜物系設(shè)計(jì)變量