第四章-萃取精餾資料課件

第四章特殊精餾技術(shù)第四章主要內(nèi)容4.1共沸精餾4.2萃取精餾

本章要求本章小結(jié)參考文獻(xiàn)思考題4.3加鹽萃取精餾

4.1共沸精餾1）理解共沸組成和共沸精餾過程的計算方法,

共沸劑的選擇原則及加入量的分析。2）理解共沸精餾和萃取精餾含義,均相共沸物

和非均相共沸物的特征。4.2萃取精餾1）掌握萃取精餾過程特點(diǎn),萃取精餾的原理。2）理解萃取精餾過程溶劑作用原理,溶劑選擇

原則,萃取精餾的流程特點(diǎn)。3）了解共沸精餾的與萃取精餾的區(qū)別及各自

適用情況,加鹽萃取精餾的原理、特點(diǎn)、工

業(yè)應(yīng)用及流程。

本章要求：4.2萃取精餾

一、萃取精餾過程二、萃取精餾的原理

三、萃取劑的選擇四、萃取精餾過程分析

五、萃取精餾過程理論級數(shù)的簡捷計算

4.2萃取精餾

一、萃取精餾過程⑴萃取精餾的定義加入的新組分不和原物系中的組分形成恒沸物，只改變組分間的相對揮發(fā)度，而其沸點(diǎn)比物系中其它組分的沸點(diǎn)高，從精餾塔的塔釜引出所加入的新組分稱為萃取劑

⑵萃取精餾工藝流程

回收段精餾段提餾段主要設(shè)備：萃取精餾塔塔結(jié)構(gòu)：由三段組成底段(即提餾段):

提餾出易揮發(fā)組分；中段(即精餾段):

易揮發(fā)組分在該段被提濃,難揮發(fā)組分進(jìn)入溶劑中,故也稱為吸收區(qū)；頂段(溶劑回收段):

分離易揮發(fā)組分和溶劑,減少溶劑的損失,即使塔頂xS=0。⑵萃取精餾工藝流程

特點(diǎn)：1.二塔串聯(lián);S為難揮發(fā)組分,一般在近于塔頂加入;3.一般采用汽相加料。思考題：為什么萃取精餾塔一般采用的是汽相進(jìn)料而不是液相進(jìn)料？⑵萃取精餾工藝流程

加料：溶劑:加料口位于進(jìn)料口之上(保證溶劑濃度均勻);溶劑損失少,故只需補(bǔ)充少量溶劑;溶劑從塔底排出,進(jìn)入回收塔,再循環(huán)使用。原料液:①汽相進(jìn)料⑵萃取精餾工藝流程

②液相進(jìn)料此時若只在塔的上部溶劑加入板加入溶劑則提餾段各板上的溶劑濃度小于精餾段各板上的溶劑濃度,因此,若采用液相進(jìn)料時,則除在塔上部溶劑加入板加入溶劑外,還需從進(jìn)料口補(bǔ)充部分溶劑。⑵萃取精餾工藝流程

⑵萃取精餾工藝流程氣相進(jìn)料的萃取精餾流程

液相進(jìn)料的萃取精餾流程

為維持塔內(nèi)萃取劑濃度恒定，需在進(jìn)料處加入適量的萃取劑

萃取精餾的基本原理是基于加入萃取劑后,改變了原溶液中關(guān)鍵組分間的相對揮發(fā)度,即改變了原溶液組分間的相互作用力,構(gòu)成一個新的非理想溶液。

一般工業(yè)生產(chǎn)中,萃取精餾塔多在常壓或壓力不高的條件下操作,因此汽相可以近似看作理想氣體,但液相為非理想溶液二、萃取精餾的原理

對于理想氣體、非理想溶液

由上式可知:a12的變化,不但與各組分的飽和蒸氣壓有關(guān),而且與各組分的活度系數(shù)也有關(guān)。1萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

15

例如,在常壓下醋酸甲酯(1)的沸點(diǎn)為57℃,甲醇(2)的沸點(diǎn)為64.5℃,沸點(diǎn)差為7.5℃,其活度系數(shù)為g1=1.12,g2=1.53,當(dāng)t=54℃時,其a12為

由此看出,相對揮發(fā)度不僅與物系的操作條件有關(guān),而且與該物系性質(zhì)也有關(guān),即活度系數(shù)有關(guān)。1萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

問題：如何增加a12

？1萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

由上式得溶劑存在下組分1和組分2的活度系數(shù)之比為：（2）若三個雙組分溶液均屬于非對稱性不大的系統(tǒng),各組分之間的相互作用可忽略,C=01萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

代入上式并整理得柯干公式：（3）式中：稱為組分1的脫溶劑基濃度，或稱為相對濃度。以端值常數(shù)的平均值

1萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

三組分物系的泡點(diǎn)溫度如果xS＝0,即對無溶劑S時的二組分系統(tǒng),x/1=x1,可得(4)將式（3）代入（1）得：溶劑存在下,組分1對組分2的相對揮發(fā)度(5)1萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

二組分物系的泡點(diǎn)溫度(6)若(p10/p20)與溫度關(guān)系不大,在x1=x1’時,(7)1萃取劑的作用二、萃取精餾的原理

定義：

S12為溶劑的選擇性,它是衡量溶劑效果的一個重要指標(biāo)。

上式表明,萃取精餾之所以能提高(a)12,關(guān)鍵是溶劑的存在造成了待分離的兩組分間活度系數(shù)的變化。2萃取劑的選擇性二、萃取精餾的原理

(4)(6)(7)二、萃取精餾的原理

溶劑是如何改變組分1、2間的相對揮發(fā)度？比較式(4)和(6)不難發(fā)現(xiàn)原因有二(1)由于溶劑的加入,使式(4)右方比式(6)多了第三項,這一項反映了溶劑S對原料液組分1、2的不同作用；(2)式(4)比(6)的第二項多乘了一個小于1的數(shù),它反映了溶劑S對原料液組分1、2的稀釋作用。二、萃取精餾的原理

①溶劑S對原料液中組分1、2的不同作用分析式（7）3影響萃取劑選擇性的因素二、萃取精餾的原理

1）選擇性與以及

(組分

S、1、2的物性)有關(guān)；

二、萃取精餾的原理

a)萃取劑濃度的影響

b)萃取劑本身性質(zhì)(A’1S

、A’2S)的影響上述不等式成立的必要條件：●即：加入溶劑后，希望值越大越好，值越小越好二、萃取精餾的原理

使,從而提高了組分1對組分2的相對揮發(fā)度,以實(shí)現(xiàn)原有兩組分的分離。二、萃取精餾的原理

b)萃取劑本身性質(zhì)(A’1S

、A’2S)的影響

加入溶劑后,(α12)S的變化不僅與溶劑的性質(zhì)和濃度xS

有關(guān),還與組分1、2的性質(zhì)和濃度有關(guān)但僅是滿足不等式成立的必要條件，卻并非充分條件。c)物系本身性質(zhì)()的影響

二、萃取精餾的原理

b)萃取劑本身性質(zhì)(A’1S

、A’2S)的影響●說明：此時加入溶劑后，在這一濃度（值較小或值較大）區(qū)域，反而變小，即將使分離變得比無溶劑時更加困難。低濃度區(qū):結(jié)論：正偏差溶液高濃度區(qū)有利高濃度區(qū)：即組分1和組分2形成正偏差溶液時二、萃取精餾的原理

c)物系本身性質(zhì)()的影響

高濃度區(qū)：低濃度區(qū)：結(jié)論：負(fù)偏差溶液低濃度區(qū)有利即組分1和組分2形成負(fù)偏差溶液時二、萃取精餾的原理

c)物系本身性質(zhì)()的影響

當(dāng)原溶液為正偏差時，當(dāng)原溶液為負(fù)偏差時，（8）

要使溶劑在任何值時均能增大原溶液組分間的相對揮發(fā)度，就必須使二、萃取精餾的原理

c)物系本身性質(zhì)()的影響

②溶劑的稀釋作用表示原溶液非理想性的程度二、萃取精餾的原理

說明與原溶液中兩組分的相對量無關(guān)。因此，當(dāng)xS→1時，溶劑S的作用似乎是使二元系的非理想性有所下降。從分子相互作用的觀點(diǎn)，溶劑的這一作用可解釋為：原有的兩組分的濃度均因加入溶劑而下降，所以它們之間的相互作用減弱了，溶劑的這一作用稱為稀釋作用。二、萃取精餾的原理

(4)萃取精餾的實(shí)質(zhì)①原分離物系中兩組分沸點(diǎn)相近，非理想性不大的物系，加入萃取劑的作用是萃取劑與其中一個組分或兩個組分形成非理想溶液，從而改變了原組分間的相對揮發(fā)度。

②當(dāng)原溶液為非理想物系，以至形成恒沸物而難以分離，則萃取劑起稀釋作用，從而減弱了原分子間的相互作用，使相對揮發(fā)度改變。

③溶劑的濃度越大,一般溶劑的效果越顯著

Ⅰ萃取劑的選擇原則萃取劑的選擇原則為盡量使則萃取劑必須滿足：盡量選擇

這時溶劑能使原有兩組分的α12

在任何值時都有所提高。①（6）三、萃取劑的選擇

②若原溶液沸點(diǎn)相近，非理想性不很強(qiáng)時,選擇溶劑主要考慮它對各組分的不同作用，此時稀釋作用的因素很??；③若原溶液沸點(diǎn)差很大,非理想性很強(qiáng),在用普通精餾方法不易分離或不能分離的濃度區(qū)域里，選擇溶劑主要考慮它的稀釋作用.Ⅰ萃取劑的選擇原則三、萃取劑的選擇

Ⅱ萃取劑的選擇要求（工藝角度）①選擇性強(qiáng)，即能使原組分的相對揮發(fā)度按所希望的方向改變，且越大越好；②溶解度大，即與任何濃度的原溶液完全互溶，不致在塔板上產(chǎn)生分層現(xiàn)象；③沸點(diǎn)高，揮發(fā)度小，使產(chǎn)品中不致混有萃取劑，且易于和另一組分分離；三、萃取劑的選擇

⑥使用要安全、無毒,對設(shè)備不腐蝕,污染小,環(huán)境友好,價格低廉,來源豐富。熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好,不與原組分起化學(xué)反應(yīng),不形成共沸物,易再生和回收;⑤適宜的物性；在上述要求中,(2)～(6)各項均屬一般的工藝要求,而首要的是應(yīng)符合要求(1)。為此,應(yīng)對原系統(tǒng)的性質(zhì)加以研究,然后再對可能的溶劑進(jìn)行篩選。Ⅱ萃取劑的選擇要求（工藝角度）三、萃取劑的選擇

例：從C4餾分（丁烯-1、丁二烯、反式丁二烯-2、順式丁二烯-2）中制取純丁二烯。溶劑：丙酮、糠醛、乙腈及二甲基甲酰胺等；從選擇性看：二甲基甲酰胺最佳，乙腈次之；從物性看：首先沸點(diǎn)是最重要的因素，沸點(diǎn)低，一則影響產(chǎn)品的純度，二則溶劑損耗大；沸點(diǎn)高，操作溫度高，易引起烴類的聚合；其次是粘度，會影響板效率；比較上述幾種溶劑的物性知：二甲基甲酰胺和乙腈較適宜，但二者比較后選擇乙腈為溶劑較合適。三、萃取劑的選擇

⑴定性①根據(jù)有機(jī)物的極性

選擇在極性上更類似于重關(guān)鍵組分的化合物作萃取劑，能有效地減小重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度②從同系物中選擇

希望所選的萃取劑與塔釜產(chǎn)品形成理想溶液或具有負(fù)偏差的非理想溶液.

與塔釜產(chǎn)品形成理想溶液的萃取劑容易選擇

？同系物Ⅲ萃取劑的選擇方法42例如：丙酮（1）—甲醇（2）形成具有最低恒沸點(diǎn)的非理想溶液，丙酮的沸點(diǎn)56.4℃，甲醇的沸點(diǎn)64.7℃，t恒=55.7℃、x

1=0.8，如用萃取精餾分離時，萃取劑可有兩種類型丙酮同系物沸點(diǎn)℃甲醇同系物沸點(diǎn)℃甲基乙基酮甲基正丙基酮甲基異丁基酮甲基正戊基酮79.6102.0115.9150.6乙醇丙醇水丁醇戊醇乙二醇78.391.2100117.8137.8197.2試試看√甲醇(64.7℃)-丙酮(56.4℃)溶液最低共沸點(diǎn)(55.7℃)x(CH3OH)=0.2萃取精餾分離時，萃取劑可有兩種類型

⑵定量①無限稀釋活度系數(shù)例：環(huán)己烷-苯體系以苯胺或糠醛為萃取劑的選擇性苯胺：

糠醛：

所以糠醛的選擇性稍優(yōu)于苯胺

當(dāng)xS→1時②實(shí)驗(yàn)方法以等摩爾的被分離組分混合液中加入等重量的萃取劑相混合后，通過實(shí)驗(yàn)方法測定汽液兩相的平衡組成，并計算其相對揮發(fā)度

值越大，則說明選擇性就強(qiáng)特點(diǎn)：準(zhǔn)確，但工作量大③用活度系數(shù)方程式計算計算并計算值越大，則說明選擇性就強(qiáng)

萃取精餾塔內(nèi)由于存在大量萃取劑，因而會影響塔內(nèi)汽、液兩相的流率，其分布情況與一般精餾塔有所不同。使塔內(nèi)汽液兩相流率發(fā)生變化的原因有二:1）由于萃取劑的加入使塔內(nèi)汽、液兩相流率發(fā)生變化；

2）進(jìn)料狀態(tài)的不同，也會使進(jìn)料級上汽、液兩相的流率發(fā)生變化。1塔內(nèi)流量分布四、萃取精餾過程分析

四、萃取精餾過程分析

精餾段:

組分i（若S中不含i）：

1塔內(nèi)流量分布式中：

若以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：（10）四、萃取精餾過程分析

1塔內(nèi)流量分布（9）

以脫溶劑的相對濃度代替上式中的濃度:則

一般情況下，當(dāng)(xS

)D≈0

時：（12）則：

（11）（9）式減去（12）式，得：四、萃取精餾過程分析

1塔內(nèi)流量分布四、萃取精餾過程分析

1塔內(nèi)流量分布整理得:(13)因?yàn)镾為重組分,①溶劑存在下塔內(nèi)的液氣比大于脫溶劑情況下的液氣比；所以:(xS)n

≈

(xS)n+1

,故(yS)n+1<(xS)n對溶劑S作物料衡算：設(shè)Sn=Ln(xS)n,即n板下降液體中溶劑的流率：②各板向下流動的溶劑流率均大于加入的溶劑流率,且溶劑揮發(fā)度越大,差值也越大。一般(xS)D≈0

：可見：Sn>SFSDm-1mm+1n-1nn+1W（3-124）1塔內(nèi)流量分布

萃取精餾中，因溶劑沸點(diǎn)高，溶劑量較大，在向下流動過程中溶劑溫升會冷凝一定量的上升蒸汽，使塔內(nèi)流率發(fā)生明顯變化。③A液相流率越往下越大;精餾段第n級的液相流率為：原有液體流率溶劑量溶劑升溫冷凝的蒸氣量同理,可以得到提餾段第m板的液相流率為:（14）（15）1塔內(nèi)流量分布54精餾段第n板的汽相流率：③B汽相流率越往下越大,即越往上越小提餾段第m板的汽相流率：FSDm-1mm+1n-1nn+1W結(jié)論:

(1)從上到下汽、液相流率都隨溫度的不斷升高而增加；

(2)液相流率大于汽相流率。1塔內(nèi)流量分布⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布

萃取劑的揮發(fā)度比所處理物料的揮發(fā)度低得多,用量較大,故在塔板上基本維持一固定的濃度值,“恒定濃度”即

假定：a恒摩爾流；b

萃取劑物料衡算

=0精餾段總物料衡算：A⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布

設(shè)萃取劑S對被分離組分的相對揮發(fā)度為二元多元⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布BA=B

包括溶劑S在內(nèi)式(3-133)表示了xS、S、b、L的關(guān)系

當(dāng)≈0

時：

類似地，提餾段溶劑濃度：

溶劑對被分離組分的相對揮發(fā)度一般很小,當(dāng)≈0

時,式(3-133)可簡化為:

不包括S的塔底產(chǎn)品流率⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布分析上式⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布思考題：萃取精餾中是否回流比越大所需理論板數(shù)越少？為什么？⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布分析下式：FSDm-1mm+1n-1nn+1WRDL⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布⑵塔內(nèi)萃取劑濃度分布6濃度分布圖

S(苯酚)變化圖.塔板序號:上→下;溶劑回收段:1~6板;精餾段:6~12板;進(jìn)料板:第13板;再沸器:第21板.總結(jié)：將塔分為四部分

精餾段：

提餾段：

塔釜：

溶劑回收段：

當(dāng)進(jìn)料為飽和蒸氣時，；當(dāng)進(jìn)料為液相或氣液混合物時，。溶劑在塔釜中濃度有明顯躍升。

FSDm-1mm+1n-1nn+1W萃取精餾過程特點(diǎn)：

（1）物系非理想性強(qiáng)；（2）塔內(nèi)汽液相流率變化大；

（3）相平衡和熱量衡算關(guān)系復(fù)雜。

適于用嚴(yán)格計算法。有些情況下,特別是當(dāng)原溶液組分性質(zhì)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。

FSDm-1mm+1n-1nn+1W五、萃取精餾過程理論級數(shù)的簡捷計算

簡化條件：1、按二元體系求解,忽略S(認(rèn)為溶劑的加入只影響原組分相對揮發(fā)度的大小,故不考慮溶劑的存在,只選擇合適的相對發(fā)揮度即可)2、相對揮發(fā)度取平均值(xS很大且不變,溶劑的存在使原溶液非理想性降低,相對揮發(fā)度為定值,只與溶劑濃度xS

有關(guān),而與原溶液濃度無關(guān)）。五、萃取精餾過程理論級數(shù)的簡捷計算

簡化計算的主要依據(jù)①所選擇的溶劑應(yīng)是沸點(diǎn)高、揮發(fā)度小的溶劑；②溶劑由塔頂加入后幾乎全部流入塔釜；③溶劑在塔內(nèi)各板上的濃度恒定不變；④萃取精餾過程可作為雙組份物系來處理（以脫溶劑為基準(zhǔn)），用圖解法或解析法進(jìn)行計算。五、萃取精餾過程理論級數(shù)的簡捷計算

⑴圖解法

適用范圍：原溶液為二元加入恒濃度萃取劑，只改變相對揮發(fā)度作恒濃度萃取劑下的汽液平衡相圖，①物料衡算。根據(jù)工藝要求，求得

②繪汽液平衡曲線，

⑴圖解法（Graphicsolution）

為了方便，可將計算結(jié)果繪制成圖③在圖上求

并選R

④作操作線方程

⑤作階梯求N及進(jìn)料級位置

⑵吉利蘭法

①選定關(guān)鍵組分，

②由分離要求,進(jìn)行物料衡算,求得塔頂、塔釜的組成

③計算萃取劑用量,并決定加料級,塔頂、塔釜的泡點(diǎn)溫度

④求各組分的相對揮發(fā)度

由活度系數(shù)模型求gi

。簡化計算：塔頂：塔釜：⑵吉利蘭法

⑤由芬斯克公式求Nmin注：必須是汽相進(jìn)料，即xS=xS,如果xS≠xS,則(a12)S≠(a12)S,應(yīng)用上式分別計算精、提餾段的Nmin。⑵吉利蘭法

⑵吉利蘭法⑥計算最小回流比

1)用Underwood計算

2)用半經(jīng)驗(yàn)式

（二元物系）求Rm當(dāng)飽和液體（泡點(diǎn)）加料時，q=1當(dāng)飽和蒸汽（露點(diǎn)）加料時，q=0實(shí)際回流比R=（1.2~2.0）Rm⑦由Rmin,R,Nmin用吉利蘭圖求N⑵吉利蘭法⑧計算溶劑用量求β（3-131）求S（3-133）

⑵吉利蘭法⑨萃取劑回收段平衡級數(shù)的確定式中：xS,n回收段的最下面級上的液相中萃取劑的組成，在簡化計算中可近似取xS,n=yS⑵吉利蘭法在實(shí)際生產(chǎn)中,xS,D不可能是零,按分離要求允許有一定的濃度,所以,塔頂產(chǎn)品中要帶有少量萃取劑,因此存在萃取劑的損失。⑩塔頂帶出萃取劑之損耗量DS從而可以修正物料平衡,加入塔內(nèi)的萃取劑量應(yīng)該是S+DS。⑵吉利蘭法例：用萃取精餾法分離正庚烷(1)-甲苯(2)二元混合物。原料組成z1=0.5;z2=0.5(mol分?jǐn)?shù))。采用苯酚為溶劑,要求塔板上溶劑濃度xS=0.55(mol分?jǐn)?shù));操作回流比為5;飽和蒸汽進(jìn)料;平均操作壓力為124.123kPa。要求餾出液中含甲苯不超過0.8%(mol),塔釜液含正庚烷不超過1%(mol)(以脫溶劑計),試求溶劑與進(jìn)料比和理論級數(shù)。【例】求S/F；N假設(shè)：①塔內(nèi)為恒摩爾流；②；③除溶劑外僅有兩個待分離組分，故脫溶劑物系按二元物系處理；④進(jìn)塔溶劑中不含待分離組分圖解法或解析法Sx設(shè)在全塔恒定，將1、2、S三元看成

1、2兩組分處理。R=5FSDW要確定溫度和濃度2.作y/—x/圖83濃度和溫度的確定:塊。求在圖中作操作線方程，14=N7.2100270==\FS①萃取精餾過程,因塔內(nèi)液體流率往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽體流率,因而造成汽液接觸較差,使得萃取精餾的全塔效率小于普通精餾塔,一般為普通精餾塔的50%左右。②要嚴(yán)格控制回流比,不能盲目用調(diào)節(jié)回流比的辦法調(diào)節(jié)萃取精餾塔的操作,因?yàn)榛亓鞅仍龃?液相流率增加,將使液相中溶劑濃度

xS下降,而使被分離組分間的相對揮發(fā)度

(a12)S減小,分離效果變差,常用的調(diào)節(jié)方法:六、萃取精餾操作設(shè)計的特點(diǎn)a.調(diào)節(jié)溶劑用量,增加溶劑S入塔量,液相中溶劑濃度提高,(a12)S增大,分離所需N下降。b.減少進(jìn)料量,進(jìn)料量F減少,餾出液D下降,

相當(dāng)于在維持原來xS條件下增加了R,分離效果變好。c.溶劑S的進(jìn)料溫度應(yīng)維持恒定,因?yàn)橐合喽酁镾,S溫度變化將使塔內(nèi)L和V發(fā)生很大波動,S很小的DT對全塔影響很大,所以應(yīng)嚴(yán)格控制S的進(jìn)料溫度。六、萃取精餾操作設(shè)計的特點(diǎn)共同點(diǎn)：不同點(diǎn)：基本原理相同,都是通過加入適量的MAS,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恒沸劑的選擇一定要符合能生成恒沸