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文檔簡介
1、第三章 精餾,教師:黃國文Tel :13647633015 Emil:hgw1978@cqut.edu.cn,精餾塔,第三章 精餾,第一節(jié) 設計變量第二節(jié) 多組分精餾第三節(jié) 特殊精餾,設計變量:確定設計中已知變量例如二元精餾: 可解出:N;…,,對于復雜體系變量如何確定?,第一節(jié) 設計變量,變量數 :,3.1.1 單元的設計變量,將復雜化工裝置分解成簡單單元,求 :,例1.分配器,規(guī)
2、定L1/F,例2.產物為兩相的全凝器,,Q,V,規(guī)定冷卻后溫度,例3 絕熱操作的簡單平衡級,需要設計者確定的變量,指確定進料物流的那些變量(如進料組成和流量)以及系統(tǒng)壓力,設計型操作型,設計變量真難!,3.1.2 設備的設計變量,由單元設計變量確定:,確定過程復雜,容易出錯,例 簡單吸收塔(N塊理論板串級),VN,LN+1,L1,V0,∴吸收塔設計變量:,指定為理論板數或關鍵組分吸收率,此種方法過程復雜,容易出錯,對精餾塔歸納出
3、簡便、可靠的 確定設計變量的方法(郭慕孫法): (1)按每一單相物流有(C+2)個變 量, 計算由進料物流所確定的固 定設計變量數。 (2)確定裝置中具有不同壓力的數目。 (3
4、)上述兩項之和即為裝置的固定設計變量數。(4)將串級單元數目、分配器的數目、側線采出單元數目及傳熱單元數目相加,便是整個裝置的可調設計變量,,3.1.2 設備的設計變量,例2-1. 簡單精餾塔,1,2,3,4,5,6,7,8,9,單元物流數,=9,9股單元物流數:,(郭慕孫法):,例. 帶一個側線采出口的精餾塔 設塔內與進料壓力相等,變量規(guī)定,如圖所示異丙醇-水雙塔恒沸精餾工藝流程試計算裝置的設計變量數(假設塔板無壓
5、降),,,作業(yè):分析表2-1 各種單元的設計變量,5個可調設計變量的選擇,情況(1): 三個串級各自的級數 3; 再沸器的蒸發(fā)速率 1; 冷凝器的過冷溫度 1。情況(2): 異丙醇塔釜液中異丙醇的摩爾分數 1; 水塔釜液中異丙醇的摩爾分數 1; 異丙醇塔的最適進料位置 1; 再沸器的蒸發(fā)速率 1; 冷凝器的過冷溫度 1。
6、,例 吸收-解吸流程,進料變量數:,C+2+3,壓力等級數:,2,C+7,分配器數:,側線采出:,傳熱單元:,串級數:,0,0,3,2,5,蒸汽,(C+12)個設計變量的選擇,情況1:(1)吸收塔和解吸塔的操作壓力;2(2)氣體原料的流率、組成、進料溫度和壓力;C+2(3)水蒸氣的流率、進料溫度和壓力;3(4)吸收塔和解吸塔的塔板數;2(5)三個換熱器各自的一個出口溫度。3,,,情況2:(1)固定設計變量的規(guī)定與“情況1”的
7、①②③相同;C+7(2)吸收塔出口氣中CO2 的摩爾分數;1(3)解吸塔出口氣中CO2 的摩爾分數;1(4)三個換熱器的換熱面積。3,,,,,,,,,,,進一步討論:,(1)多股進料 (2)塔頂冷凝器為分凝器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2,M,M+1,M+2,N,F,V,W=L1,,F2,,,,,,,D,分配器,,第二節(jié) 多組分精餾,3.2.1 多組分精餾過程分析
8、 3.2.2 最小回流比3.2.3 最少理論塔板數和組分分配3.2.4 實際回流比、理論板數、進料位置,二個極限條件:,計算: 1.近似(簡捷)法 用于:● 基礎數據不全 ● 提供電算初值 ● 比較、選擇方案 2.嚴格計算 電算,多組分精餾過程,多組分精餾: 1.組分數C>2 2.求解方程數目較多 ——
9、變量分析 3.塔內分布復雜——過程分析 4.計算簡捷法:Fenske-Undewood-Gilliland法 共沸精餾圖解法 萃取精餾簡化法 吸收因子法 逆流萃取集團法逐板法:嚴格計算(非本章內容),3.2.1 多組分精餾過程分析,一、關鍵組分 1.關鍵組分的引出
10、一般精餾: 對于設計型計算,5個可調設計變量為:,i、j為在精餾中起關鍵作用的由設計者指定分離要求的這2個組分,稱關鍵組分。 i:揮發(fā)度大的組分,稱輕關鍵組分,表示:LK,下標:l j:揮發(fā)度小的組分,稱重關鍵組分,表示:HK,下標:h,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,待定設計變量數仍是2,所以只能指定兩個組
11、分的濃度,其他組分的濃度則相應確定。,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,精餾塔的任務: LK盡量多的進入塔頂餾出液; HK盡量多的進入塔釜釜液。,,對于精餾中的非關鍵組分: 設 為非關鍵組分i對HK的相對揮發(fā)度。,3. 關鍵組分的指定方法 ◆指定回收率 ◆指定控制量,,注意:同一組
12、分,規(guī)定了一端的回收率,另一端的量已確定。不能重復!,4. 關鍵組分的指定原則 由工藝要求決定,例:ABCD(按揮發(fā)度依次減少排列)混合物分離 ◆工藝要求按AB與CD分開:,則:B為LK;C為HK,◆工藝要求先分出A:,則:A為LK;B為HK,二、多組分精餾過程的復雜性,1. 確定后,頂釜濃度未確定 物料衡算確定頂釜濃度,二種方法: ★清晰分割法
13、 假設LNK全部從塔頂采出; 假設HNK全部從塔釜采出。,★非清晰分割法 各組分在頂、釜都有可能存在。,兩個關鍵組分的相對揮發(fā)度相鄰且分離要求苛刻,或非關鍵組分的相對揮發(fā)度與關鍵組分相差較大時,可達到清晰分割。,問題:什么情況下可達到清晰分割?,,多組分精餾物系組成,,LNK(分配組分或非分配組分)LK(分配組分)中間組分(分配組分)HK(分配組分)HNK(分配組分或非分配組分),
14、流量分布、溫度分布、濃度分布復雜 ★流量分布 分子汽化潛熱相近,可視為恒摩爾流 例:苯—甲苯物系(圖3) 苯—甲苯—異丙苯物系(圖3—5) 分子汽化潛熱不相近,V、L有變化, 但V/L變化不大,★溫度分布 泡點與組成密切相關,溫度分布接近組成分布形狀。(圖3),(圖3—6)。,★濃度分布1.進料板附近各組分濃度變化較大,原因是 引入的組分包含全部組成。,2.對非
15、關鍵組分 精餾段:HNK迅速消失; LNK以接近于常數濃度在進料板以上各 板中出現(xiàn),接近頂部急劇增加,在出料 液中達到最高。 提餾段:LNK迅速消失; HNK在再沸器中濃度最高,從釜向上幾 板下降較大,然后變化不大,一直延伸到 進料板
16、。,3.關鍵組分 變化復雜 ▼ 若無LNK時:HK分別在二段出現(xiàn)兩個最高點,LK表現(xiàn)象LNK。(圖3-7) ▼ 若無HNK時:LK分別在二段出現(xiàn)兩個最高點, HK表現(xiàn)象HNK。 ▼有LNK、HNK,且都不同時出現(xiàn)在頂、釜時: LK在精餾段出現(xiàn)一個最大值,然后降到所規(guī)定的濃度; HK在提餾段出現(xiàn)一個最大值,然后降到所規(guī)的濃度。,表3-1 塔內組分的分布情況,多組分精餾與
17、二組分精餾在濃度分布上的區(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。,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則主要反
18、映了熱衡算的限制。,三、精餾過程計算比較,,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。,小結:一、沿塔高方向的溫度分布,在精餾塔中,溫度分布主要反映物流的組成。,沿塔高方向自下而上溫度遞減,級間流率分布與熱量衡算密切相關。,,影響因素較多,總效應很復雜,難以歸納出一個通用的規(guī)律。,假設塔內恒摩爾流近似成立。,小結:二、沿
19、塔高方向的汽液流率分布,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,遇到的關鍵問題是塔頂和塔底產品的組成和量無法全部預先確定。,小結:三、沿塔高方向的濃度分布,3.2.2 最小回流比,1. 時,恒濃區(qū)出現(xiàn)的情況,恒濃區(qū)或稱夾點——精餾塔中全部濃度不變的區(qū)域,,二元精餾:,恒濃區(qū):一個,出現(xiàn)在 進
20、料板,多元精餾:定義:頂釜同時出現(xiàn)的組分——分配組分 只在頂或釜出現(xiàn)的組分——非分配組分一般:LK、HK和中間關鍵組分為分配組分; 非關鍵組分可以是分配組分,也可以是非分配組分。,多元精餾特點: ▼各組分相互影響,存在上、下恒濃區(qū) ▼所有進料組分中有非分配組分的影響 ▼恒濃區(qū)位置不一定在進料板處,恒濃區(qū)是在最小回流比下出現(xiàn),二組分精餾時,恒濃區(qū)在進料板上下,而多組分精餾較復雜。,最小
21、回流比條件下會出現(xiàn)恒濃區(qū),區(qū)內無分離效果,需無窮多理論板(infinite stages)。如何計算最小回流比?,依據:恒濃區(qū)概念,關聯(lián)式:相平衡、物料平衡,Underwood公式:,誤差:10~20%,以全回流下的xi,D代替,3.2.3 最少理論板數(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,但全回流下無產品采出,因此正常生產中不會采用全回流。研究全回流的意義?,2、在實驗室設備中,研
22、究傳質影響因素。,3、工程設計中,必須知道最少板數。,1.最少理論板數,Fenske(芬斯克)計算最小理論塔板數,前提: 1、塔頂采用全凝器 (若采用分凝器,則分凝器為第1塊板) 2、所有板都是理論板,采用Fenske方程求最少理論板數,推導如下:,用(1)、(2)式推導Fenske方程:,物料恒算:,,,全回流時:D=0,V2=L1,設塔頂采用全凝器(板序由上向下):,以次類推:,
23、,,W,B,A,N,AB,N,AB,AB,AB,D,B,A,x,x,x,x,),(,),(,),(,),(,),(,),(,a,a,a,a,1,2,1,-,=,L,,,,,,,W,B,A,N,AB,D,B,A,N,N,AB,N,AB,AB,AB,AB,x,x,x,x,),(,),(,),有:(,—代入式中,—,),(,),(,),(,),(,),取(,均,均,a,a,a,a,a,a,=,=,-,1,2,1,L,Fenske方程的各種形式
24、:,當輕重關鍵組分的分離要求以回收率的形式規(guī)定時,F(xiàn)enske方程變?yōu)椋?Fenske方程說明:,6、Fenske方程可以用來計算進料板位置、各段理論板數 和組分分配。7、最小理論板數與進料組成無關,之決定于分離要求。,,,,.,(,.,5,,,,m,W,A,B,D,B,A,N,x,x,x,x,,,),、,),,式中(,若分離要求,2. 非關鍵組分分配,3.2.4 實際回流比、理論板數、進料
25、位置,精餾過程最小回流時和全回流時的特點,最小回流比是精餾的極限情況之一,此時,未完成給定的分離任務,所需要理論經板數 無窮多,如果回流比小于最小回流比,則無論多少理論板數也不能完成給定的分離任 務。,全回流是精餾的極限情況之一。全回流所需的理論板數最少。此時,不進料,不出產 品。,,一、實際回流比,Rop = 1.05 ~ 1.1Rm,眾多研究發(fā)現(xiàn):,當R ? Rop,總費用隨R的減小而急劇增加,當R ?
26、 Rop,總費用隨R的增大而增加,故通常取 R = 1.2 ~ 1.5 Rm 一般取 R = 1.3 Rm,操作費,設備費,總費用,在下列條件下使用Gilliland圖誤差較?。?( 1)物系組分數:2~11 ( 2)進料狀態(tài):q=0.28~1.42 ( 3)操作壓力:真空~4.4MPa ( 4)相對揮發(fā)度:1.11~4.05 ( 5
27、)最小回流比Rm:0.53~9.09 ( 6)最小理論板數Nm:3.4~60.3,Gilliland圖,用Gilliand圖簡便、但不準確,回歸的經驗式為:,已知X,由(3—48)或(3—49)解出y,適用于非理想性較大的情況,適用于相對揮發(fā)度變化不大的情況,Erbar-Mddox圖,三、適宜進料位置的確定(Brown和martin法),當進料組成與進料板組成一致時最佳,Kirkbride法,3 -12 :不同回流比下的物料分
28、配比 1 -全回流; 2 -高回流比 (~5 R m ) ; 3 -低回流比 (~1.1 R m ) ; 4 -最小回流比,四、不同回流比下組分分配比與相對揮發(fā)度的關系,(相對揮發(fā)度與組成關系不大,且不同組分塔板效率相同),對于操作情況,R=(1.2~2)Rm,由Fenske方程: [對全回流情況],結論:可用操作回流比下的
29、物料分配,采用 Fenske方程計算Nm。,3.2.5 多組分精餾的簡捷計算方法,精餾簡捷計算,——FUG法,,Fenske,,Nm,,Underwood,,Rm,,Gilliland,,R、N,簡捷法應用場合: 初步設計和經驗估算。操作參數尋優(yōu)(適宜操作參數的確定)。合理的分離順序的確定。嚴格計算中設計變量數值和迭代變量的初值的提供。當相平衡數據不夠充分時,未必比嚴格計算準確度差。,,討論:
30、 簡捷計算法步驟有哪那些?,簡捷計算法步驟:1.由工藝要求選LK,HK,物料分配得出,多組分精餾的FUG法計算框圖,餾出液和釜液中組分分配的規(guī)定方式,①給定LK、HK在塔頂和塔釜的回收率,用Fenske eq.、Underwood eq.和物料衡算直接計算。②給定LK、HK在塔頂和塔釡的含量,且LK、HK相對揮發(fā)度相鄰,先按清晰分割進行物料衡算,若校核合理,則得到LK和HK的回收率;若不合理,則試差計算,直至得到合理物料分配。③
31、給定LK、HK在塔頂和塔釡的含量,但LK、HK相對揮發(fā)度不相鄰,先設定LK、HK的回收率初值,用Fenske eq.試差計算,得到符合規(guī)定的LK、HK在塔頂和塔釡的含量。④給定LK、HK其中之一的回收率,另一個為塔頂或塔釡的含量,先假定比LK輕的組分在塔釡為零,比HK重的組分在塔頂為零,作物料衡算并進行校核。若假定合理,則得到LK和HK的回收率;若假定不合理,則進行試差計算,直至物料分配合理。,例3—7:已知:1.
32、 2. 分離要求,,,3. 核實清晰分割的合理性,,,核算式,),(,h,m,h,i,i,i,w,d,N,f,w,a,+,=,1,,,,,,,,有:,代入上式,),(,),將(,),(,),(,),核實式:,,看是否,,核實,對于,h,m,h,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,W,i,i,w,d,N,w,d,w,d,f,w,w,d,f,w,d,w,f,x,w,LNK,a,=,+,=,\,+,=,+,=,»,1,;,
33、1,(,0,,,對于甲烷,w=9.6×10-5≈0;xW=1.5×10-6∴對甲烷來說清晰分割假設成立,5.調整 以前面結果為初值,進行試差,,餾出液、釜液流率、組成表,(2)計算最小回流比Rm,(3)求平衡級數N,(4)進料位置的確定,例 已知:精餾塔進料量=100 mol/h;70℃(泡點)進料,操作壓力=405.3kPa 。進料組成(摩爾分數): 正丁烷 xA=0.4;正戊烷
34、xB=0.25; 正己烷 xC=0.20;正庚烷 xD=0.15。分離要求: 正戊烷在餾出液中的回收率為90%; 正己烷在釡液中的回收率為90%。計算: (1) 餾出液和釡液的流率和組成; (2) 塔頂溫度和塔釡溫度; (3) 最少理論板數和組分分配; (4) 最小回流比和實際回流比(R=1.5Rm); (5) 理論板
35、數; (6) 進料位置。,(1) 餾出液和釡液的流率和組成,假定清晰分割,根據回收率做物料衡算:,(2) 塔頂溫度和塔釡溫度,,塔頂溫度:,餾出液露點溫度即塔頂溫度根據餾出液組成和壓力進行露點溫度計算,塔釜溫度:,釜液泡點溫度即塔釜溫度根據釜液組成和壓力進行泡點溫度計算,(3) 最少理論板數( Nm )和組分分配,Nm:,組分分配:,,,,(4) 最小回流比(Rm)和實際回流比(R=1.5Rm),Rm:Underwoo
36、d eq.,飽和液體進料,q=1,,,R=1.5Rm,(5) 理論板數 N,,Erbar-Maddox圖,(6) 進料位置,,Kirkbride empirical correlation,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,再校驗是否清晰分割。,清晰分割假定比較適用的情況:輕重關鍵組分的分離程度較高,輕組分的揮發(fā)度比LK的揮發(fā)度大得多,而重組分的揮
37、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,則根據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。,普通精餾操作是分離液體混合物的最常用和有效的方法。應用范圍:(1)待分離的兩組分的揮發(fā)性相差較大,兩組分的相對揮發(fā)度較大,根據經驗相對揮發(fā)度最少應大于1.05。(2)待分離的混合物不存在恒沸點。(3)組分間無化學反應,
38、組分不發(fā)生分解。(4)混合物各組分在一般(常壓,溫度不很高)條件下能夠汽化和液化。,普通精餾操作總結:,★ 多組分精餾過程分析(溫度、濃度變化)★ 最小回流比(Underwood eq.)★ 最少理論板數(Fenske eq.)★ 實際回流比(經驗R=1.1~1.5Rm)★ 理論板數(Gilliland 圖、Erbar-Maddox圖)★ 簡捷計算(FUG法),作業(yè):P110: 1、4、10題,,認真思考 獨立完成
39、,二組分精餾實例:苯-甲苯,圖3 二組分精餾流率、溫度、濃度分布,三組分精餾實例:苯(LK)-甲苯(HK)-異丙苯,塔底,塔底,四組分精餾實例:苯-甲苯(LK)-二甲苯(HK)-異丙苯,圖3-7 四組分精餾液相組成分布,Z1=0.125Z2=0.225Z3=0.375Z4=0.27512=2.2522=1.0032=0.3342=0.21,3.3 特殊精餾,當待分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
40、現(xiàn)分離或是經濟上不合理的。此時,向體系中加入一種適當的新組分,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)變得易于分離,這類既加入能量分離劑又加入質量分離劑的精餾稱為特殊精餾或稱增強精餾。,共沸劑的選擇與回收,萃取劑的選擇與回收,特殊精餾的分類,(1)萃取精餾(Extractive Distillation):,加入的質量分離劑不與被分離系統(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。加入的質量
41、分離劑稱為溶劑。,(2)共沸精餾(Peotropic Distillation):,加入的質量分離劑與被分離系統(tǒng)中的一個或幾個組分形成共沸物,從塔頂蒸出。加入的質量分離劑稱為共沸劑。,(3)反應精餾:,加入C,使之與原體系中的A發(fā)生反應,從而減弱A與B的結合力。例如:催化精餾。,(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。,(5)吸附精餾:,加入吸附劑。,(6)膜精餾:,利用多孔膜。因為過程需加熱,且組分在一側汽
42、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。,1.問題的引出,分離乙醇~水混合物,分離丁烯-2~丁烷,問題:如何分離 的混合物?,萃取精餾和共沸精餾,2.特殊精餾 在 和 的溶液中加入一個新組分S,使它對原溶液中各組分產生不同作用,從而改變原溶液組分之間相對揮發(fā)度,使系統(tǒng)變的易于分離。 特殊精餾為既加能量又加質量
43、分離劑的精餾。,原溶液加新組分后形成最低共沸物從塔頂采出。 ——共沸精餾,S為共沸劑,原溶液加新組分后不形成共沸物且S沸點最高,從塔釜采出 ——萃取精餾,S為萃取劑或溶劑,3.3.1 萃取精餾,一、流程,特點:1. 二塔串聯(lián);2. S為難揮發(fā)組分, 一般在近于塔頂 加入.,溶劑回收段,二、萃取精餾原理和溶劑選擇,1
44、、提高 的方法-溶劑的作用考慮:,★要求萃取劑與組分1、2形成非理想溶液偏差要大,最好是萃取劑與組分1形成正偏差溶液,越大越好(揮發(fā)度增加),萃取劑與組分2形成負偏差溶液,越大越好(揮發(fā)度減小)。,(2) 稀釋原溶液,體現(xiàn):當原溶液沸點差大,非理想性很強時, 加S后,濃度下降,而 增加 小,突出了
45、 作用。,,★溶劑的稀釋作用使原來兩組分分子間的作用漸弱。如原溶液分子間存在氫鍵等分子作用,溶劑稀釋作用使分子間作用力減小。,C4餾分在不同溶劑中的相對揮發(fā)度(0.1013MPa,40 ℃ ),討論:,當原溶液中兩個組分沸點差很小,非理想性不大時,溶劑的稀釋作用很小,所選溶劑應從它與兩組份之間的不同作用考慮;如果原溶液中兩組分非理想性相當強,溶劑主要起稀釋作用,增加溶劑用量可提高效果;但是當通過提高溶劑用量提高選擇性時,溶劑使用
46、量不能太高,否則成本很高。,對于一個具體的萃取精餾過程,溶劑對原溶液關鍵組分的相互作用和稀釋作用是同時存在的,對相對揮發(fā)度的提高均有貢獻。到底哪個作用是主要的,隨溶劑的選擇和原溶液的性質不同而異。,改變相互作用實例,環(huán)己烷-苯共沸體系: Cyclohexane b.p.:80.78℃; benzene b.p.:80.13℃。 a.p.:77.54℃,xCH=0.4499。 物系的非理想性不大。,Solvent:
47、aniline,加入苯胺后環(huán)己烷對苯的相對揮發(fā)度明顯提高,特別是在原共沸點處,隨溶劑濃度的增加,相對揮發(fā)度顯著增大。,,稀釋作用實例,THF-H2O共沸體系: THF b.p.:65.97℃; H2O b.p.:100℃。 a.p.:63.43℃ xTHF=0.8287 物系的非理想性較大。,溶劑:DMF,,加入DMF后THF/H2O的相對揮發(fā)度在原共沸點處,隨溶劑濃度的增加顯著增大。,,2、溶劑的選擇,考慮分子
48、極性 選擇在極性上更類似于HK的化合物作溶劑,降低HK的揮發(fā)度。 例:分離甲醇(沸點64.7℃),丙酮(沸點65.5℃),a.選烴作溶劑,丙酮為難揮發(fā)組分2;b.選水作溶劑,甲醇為難揮發(fā)組分2。,極性順序:[由小到大],考慮能否形成氫鍵S加入后形成的溶液: 僅有氫鍵生成,則呈現(xiàn)負偏差; 僅有氫鍵斷裂,則呈現(xiàn)正偏差。,從同系物中選擇,例:分離甲醇-丙酮-共沸物,可采取萃取精餾,可從丙酮-甲醇組分的
49、同系族中選擇。,塔頂---丙酮 甲醇同系物(乙二醇197.2 ) 塔底---甲醇同系物,,塔頂---甲醇 丙酮同系物 (甲基異丁基酮 115.9 ) 塔底---丙醇同系物,,,兩種方案比較知,選擇甲醇同系物有利。因為如用丙酮的同系物作萃取劑時,該萃取劑要克服原溶液中沸點差異,使低沸
50、點物質與萃取劑一起由塔釜排出。,甲醇-丙酮(甲醇沸點64.7℃,丙酮沸點56.4℃)溶液具有最低共沸點(55.7℃、x(CH3OH)=0.2),考慮其它因素 1. 沸點高、不與1、2組分共沸,不起化學反應。 2. 溶解度大。 3. 溶劑比(溶劑/進料)不得過大。 4. 穩(wěn)定性好。 5. 無毒、不腐蝕、低廉、易得。,三、萃取精餾過程分析和計算(自學),1.塔內流量分布,設S為純組分,在塔頂采出為0。,2.萃
51、取精餾的操作特點,(1)因塔內萃取劑濃度較大,一般Xs=0.6-0.8,液汽比遠大于普通精餾塔,造成汽液兩相接觸不佳,塔板效率低,僅為普通精餾塔效率的一半左右。(2)由于組分間的揮發(fā)度是借助萃取劑的量來調節(jié)的,隨萃取劑在液相濃度Xs的增加,(α12)s,增大,因此回流比要嚴格控制,不能任意調節(jié)。加大回流比反而降低塔內萃取劑的濃度,使分離困難。故當塔頂產品不合格時,可加大萃取劑用量或減少進料量和減少出料量以保持恒定的回流量來改善分離效果
52、。(3)由于萃取劑用量較大,塔內液體的顯熱在全塔的熱負荷中占較大比例,所以在萃取劑加入時,溫度的微小變化往往引起較大的內回流比變化,直接影響上升蒸汽量,從而波及全塔。因此應嚴格控制萃取劑的入塔溫度。,3.3.2 共沸精餾,,共沸精餾又稱恒沸精餾。,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、
53、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,共沸物(恒沸物): 定壓下,加熱溶液使之蒸發(fā),從始到終x、y、T不變的溶液。共沸點(恒沸點): 共沸時的溫度。 對共沸物: 一個汽相,一個液相, —均相 一個汽相,多個液相, —非均相,系統(tǒng)偏離拉烏爾定律,,對于二元共沸物,混合物的ps~x曲線
54、上之極值點對應于汽、液平衡相的組成相等。,具有較大正偏差的共沸物系,一、共沸物的特性和共沸組成的計算 科諾瓦洛夫定律指出:[適用于二元和多元] P~x曲線極值點,相當于汽液平衡相組成相等。,,,共沸物的特點:,1)當P不變時,共沸組成(共沸點)一定,Tb=Td,汽化過程中溫度T不變;,2)在泡點線和露點線交點,汽化時組成不變,α= 1 ;,3)共沸物體系特殊在共沸點,用普通精餾的方法不能通過共沸點,但在共沸點
55、兩側仍有分離作用。,★,★,★,共沸物組成的計算,共沸參數(x、T、P)預測:,已知 x、T、P 任一個參數,可求出另外二個。,或 ——計算方程,(1)已知總壓P,如何求共沸組成x和共沸溫度T,4)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= P2S/P1S計算x1;,5)如上式成立,則結束
56、計算,如不成立,則假定新的T, 繼續(xù)試差計算。,(2)另外:,★,,不用試差,,① 最低共沸物,判別正偏差物系形成最低共沸物的標準:,正偏差物系形成最低共沸物的條件:,② 最高共沸物,判別負偏差物系形成最高共沸物的標準:,負偏差物系形成最高共沸物的條件:,B:二元非均相共沸物(都為正偏差共沸物),系統(tǒng)正偏差較大時: 形成二個液相,一個汽相共沸物。,1——形成非均相共沸物。,3——不形成共沸物。,2——形成
57、均相共沸物。,在恒溫下,兩液相共存的蒸汽壓大于純組分的蒸汽壓,且蒸汽組成介于兩液相組成之間,即形成非均相共沸物。,適用情況:,若互溶度很?。?由(3-62)定性分析:若E<1,形成非均相共沸物。若Pis相差小,且互溶度小,形成共沸物的可能性大。,二元非均相共沸物都是正偏差共沸物。,平衡計算:,同時考慮:1.汽液平衡;2.液液平衡,No,,),1,(,),1,(,),72,2,(,),40,2,(,11,1,11,2,1,1,1,2,
58、11,1,11,1,1,1,1,1,11,11,1,1,-,=,-,-,=,\,-,=,x,x,x,x,x,x,i,i,i,i,g,g,g,g,g,g,對于液液平衡:,,),66,3,(,),1,(,1,1,1,2,2,1,1,1,1,1,-,-,+,=,x,p,x,p,p,s,s,g,g,壓力計算:,2. 三元系,科諾瓦洛夫定律也能應用,A:相圖(立體圖) P—x圖:,1.三側面表示三個二元系P(T)-x圖。2.
59、理想系,壓力面是平面; 正偏差物系,壓力面位于平面之上; 負偏差物系,壓力面位于平面之下。3.三元共沸點對應壓力極值點。4.用平行于底面的平面切割壓力(溫度)面。得到一系列等壓(等溫)曲線。,B:脊、谷、鞍點,設 m—正偏差共沸物,(或最低共沸物) M—負偏差共沸物,(或最高共沸物),對于壓力面: ★三個二元m(或M),有三元共沸物存在. (圖3—14) ★ 二個m,或一個m與一個低沸點組分,使壓力面產
60、生脊; 二個M,或一個M與一個高沸點組分,使壓力面產生谷。 (圖3—14) ★有脊又有谷,會出現(xiàn)鞍點,為鞍點共沸物.(圖3—14),圖 3-14 具有三個二元最低共沸物( m 1 , m 2 , m 3 )及一個三元最低共沸物( m )三元系相圖,,,圖 3-14 具有二個二元最低共沸物的三元系相圖,,圖 3-14
61、 具有鞍形共沸物的三元系相圖,C:三元均相共沸組成的計算,一般原則:1.分離負偏差共沸物或沸點相近的混合物 a.共沸劑僅與一個組分形成二元正偏差共沸物。 b.分別與兩組分形成二元正偏差共沸物,且共沸點有明顯差別。 c.與兩組分形成三元正偏差共沸物,共沸點溫度顯著低。2.分離二元正偏差共沸物 a.共沸劑與一個組分形成二元正偏差共沸物,共沸溫度明顯低。 b.形成三元正偏差共沸物,共沸點溫度顯著低。,二、共沸劑的選擇,注:
62、一般沸點差大于10 ℃才有利于工業(yè)化分離。,水在不同溫度下的飽和蒸氣壓 Saturated Water Vapor Pressures at Different Temperatures,例1.分離環(huán)己烷(1)—苯(2),共沸劑的選取。 沸點:T1=80.8℃ T2= 80.2℃ 特點:1、2形成正偏差(或最低)共沸物 (共沸點:T=77.4 ℃ X2=0.54)方法:
63、 1.找出與1、2形成共沸物的物質。 2.篩選 在所有能形成共沸物的物質中選出共沸點低于77.4 ℃ 的物質。(丙酮、甲醇) 3.相圖分析確定:,分離情況: 丙酮作共沸劑,塔頂分出環(huán)己烷與丙酮; 甲醇作共沸劑,塔頂分出三元共沸物。,例2.分離氯仿(沸點61.2℃) 丙酮(沸點56.4 ℃),共沸劑的選取。特點:形成負偏差共沸物,含氯仿
64、(0.655)。,選二硫化碳為共沸劑:,塔頂:二硫化碳—丙酮 共沸點;39.3 ℃ 含二硫化碳(0.761)塔釜: 較純的氯仿。,例3.分離乙醇—水,共沸劑的選取。特點:形成一個三元共沸物,三個二元共沸物。,選苯為共沸劑:,73%,95.6%,1,2,68.2℃,69.2℃,,理想共沸劑的特性: 1. 顯著影響1、2組分平衡關系 2. 易回收、分離 3. 量少、汽化潛熱
65、小 4. 溶解度大、不起化學反應 5. 無腐蝕、無毒 6. 價廉、易得。,三、分離均相共沸物的變壓精餾過程,利用不同壓力下,共沸組成不同分離。 不同組分形成恒沸物,隨著純組分間蒸汽壓差增大,最低恒沸物的恒沸組成向低沸點組分多的濃度區(qū)移動,最高恒沸物的恒沸組成向高沸點組分多的濃度區(qū)移動。 恒沸組成與壓力有關,根據Clausius方程可知,壓力影響的一般規(guī)律:壓力升高,二元正偏差恒沸
66、物的組成向摩爾汽化潛熱大的組分移動;二元負偏差恒沸物的組成向摩爾汽化潛熱小的組分移動。,易揮發(fā)組分或沸點低的組分增加,難揮發(fā)組分或沸點高的組分增加,乙醇水溶液共沸物與壓力的關系,例:乙醇和水能形成二元最低共沸物的物系,常壓下共沸溫度為78.1,共沸組成為:X醇=0.90,汽化潛熱:乙醇=39.020KJ/mol;水=41.532KJ/mol。,壓力增加時共沸物中乙醇含量下降,即增加壓力時,共沸物中汽化潛熱大的組分(水)的含量增加,對最高
67、共沸物則反之。,雙壓精餾過程,例:分離甲乙酮—水(最低共沸點),65%,50%,其他可利用雙塔雙壓精餾分離的體系有:甲醇-甲乙酮:四氫呋喃-水;甲醇-丙酮,D:循環(huán),四、二元非均相共沸物的精餾,系統(tǒng)本身形成非均相共沸物流程例:分離正丁醇(1)—水(2),,62.5%,與均相共沸物精餾比較:,∴ 采用普通精餾能分離非均相共沸物。,二元非均相共沸物都是正偏差共沸物。,按是否加入共沸劑可分為:,不加共沸劑,,變壓共沸精餾,設有分層器
68、的二元非均相共沸精餾,加入共沸劑,,均相共沸精餾,非均相共沸精餾,共沸精餾流程總結,二元非均相共沸精餾的計算,五、共沸精餾實例,,乙醇-水共沸精餾,乙醇-水溶液共沸點:78.1℃;共沸組成:乙醇 0.956;水 0.044。乙醇-水-苯共沸點:64.9℃;共沸組成:乙醇 0.19;水 0.07;苯 0.74。,六、共沸精餾與萃取精餾比較,,共同點:,不同點:,基本原理相同,都是通過加入適量的質量分離劑,改變組分之間的相互作用,增大組分
69、的揮發(fā)度差異,實現(xiàn)精餾分離。,(1)共沸精餾中加入的共沸劑必須與原溶液中的一個或 幾個組分形成共沸物,而萃取精餾中的溶劑無此限 制,共沸劑的選擇范圍相對較窄;(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
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