[學(xué)習(xí)]分離工程黃國(guó)文第三章精餾

1、第三章 精餾,教師：黃國(guó)文Tel ：13647633015 Emil：hgw1978@cqut.edu.cn,精餾塔,第三章 精餾,第一節(jié) 設(shè)計(jì)變量第二節(jié) 多組分精餾第三節(jié) 特殊精餾,設(shè)計(jì)變量：確定設(shè)計(jì)中已知變量例如二元精餾： 可解出：N；…,,對(duì)于復(fù)雜體系變量如何確定？,第一節(jié) 設(shè)計(jì)變量,變量數(shù) ：,3.1.1 單元的設(shè)計(jì)變量,將復(fù)雜化工裝置分解成簡(jiǎn)單單元，求 ：,例1.分配器,規(guī)

2、定L1/F,例2.產(chǎn)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(jiǎn)單平衡級(jí),需要設(shè)計(jì)者確定的變量,指確定進(jìn)料物流的那些變量(如進(jìn)料組成和流量)以及系統(tǒng)壓力,設(shè)計(jì)型操作型,設(shè)計(jì)變量真難！,3.1.2 設(shè)備的設(shè)計(jì)變量,由單元設(shè)計(jì)變量確定：,確定過(guò)程復(fù)雜，容易出錯(cuò),例 簡(jiǎn)單吸收塔（N塊理論板串級(jí)）,VN,LN+1,L1,V0,∴吸收塔設(shè)計(jì)變量：,指定為理論板數(shù)或關(guān)鍵組分吸收率,此種方法過(guò)程復(fù)雜，容易出錯(cuò),對(duì)精餾塔歸納出

3、簡(jiǎn)便、可靠的 確定設(shè)計(jì)變量的方法（郭慕孫法）： （1）按每一單相物流有（C+2）個(gè)變 量， 計(jì)算由進(jìn)料物流所確定的固 定設(shè)計(jì)變量數(shù)。 （2）確定裝置中具有不同壓力的數(shù)目。 （3

4、）上述兩項(xiàng)之和即為裝置的固定設(shè)計(jì)變量數(shù)。（4）將串級(jí)單元數(shù)目、分配器的數(shù)目、側(cè)線采出單元數(shù)目及傳熱單元數(shù)目相加，便是整個(gè)裝置的可調(diào)設(shè)計(jì)變量，,3.1.2 設(shè)備的設(shè)計(jì)變量,例2-1. 簡(jiǎn)單精餾塔,1,2,3,4,5,6,7,8,9,單元物流數(shù),=9,9股單元物流數(shù):,（郭慕孫法）：,例. 帶一個(gè)側(cè)線采出口的精餾塔 設(shè)塔內(nèi)與進(jìn)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(jì)算裝置的設(shè)計(jì)變量數(shù)（假設(shè)塔板無(wú)壓

5、降）,,,作業(yè)：分析表2-1 各種單元的設(shè)計(jì)變量,5個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量的選擇,情況（1）： 三個(gè)串級(jí)各自的級(jí)數(shù) 3； 再沸器的蒸發(fā)速率 1； 冷凝器的過(guò)冷溫度 1。情況（2）： 異丙醇塔釜液中異丙醇的摩爾分?jǐn)?shù) 1； 水塔釜液中異丙醇的摩爾分?jǐn)?shù) 1； 異丙醇塔的最適進(jìn)料位置 1； 再沸器的蒸發(fā)速率 1； 冷凝器的過(guò)冷溫度 1。

6、,例 吸收-解吸流程,進(jìn)料變量數(shù)：,C+2+3,壓力等級(jí)數(shù)：,2,C+7,分配器數(shù)：,側(cè)線采出：,傳熱單元：,串級(jí)數(shù)：,0,0,3,2,5,蒸汽,（C+12）個(gè)設(shè)計(jì)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(jìn)料溫度和壓力；C+2（3）水蒸氣的流率、進(jìn)料溫度和壓力；3（4）吸收塔和解吸塔的塔板數(shù)；2（5）三個(gè)換熱器各自的一個(gè)出口溫度。3,,,情況2：（1）固定設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)；1（3）解吸塔出口氣中CO2 的摩爾分?jǐn)?shù)；1（4）三個(gè)換熱器的換熱面積。3,,,,,,,,,,,進(jìn)一步討論：,（1）多股進(jìn)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(guò)程分析

8、 3.2.2 最小回流比3.2.3 最少理論塔板數(shù)和組分分配3.2.4 實(shí)際回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料位置,二個(gè)極限條件：,計(jì)算： 1.近似（簡(jiǎn)捷）法 用于：● 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不全 ● 提供電算初值 ● 比較、選擇方案 2.嚴(yán)格計(jì)算 電算,多組分精餾過(guò)程,多組分精餾： 1.組分?jǐn)?shù)C>2 2.求解方程數(shù)目較多 ——

9、變量分析 3.塔內(nèi)分布復(fù)雜——過(guò)程分析 4.計(jì)算簡(jiǎn)捷法：Fenske-Undewood-Gilliland法 共沸精餾圖解法 萃取精餾簡(jiǎn)化法 吸收因子法 逆流萃取集團(tuán)法逐板法：嚴(yán)格計(jì)算（非本章內(nèi)容）,3.2.1 多組分精餾過(guò)程分析,一、關(guān)鍵組分 1.關(guān)鍵組分的引出

10、一般精餾： 對(duì)于設(shè)計(jì)型計(jì)算，5個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量為：,i、j為在精餾中起關(guān)鍵作用的由設(shè)計(jì)者指定分離要求的這2個(gè)組分，稱關(guān)鍵組分。 i：揮發(fā)度大的組分，稱輕關(guān)鍵組分，表示：LK，下標(biāo)：l j：揮發(fā)度小的組分，稱重關(guān)鍵組分，表示：HK，下標(biāo)：h,對(duì)于兩組分精餾，指定餾出液中一個(gè)組分的濃度，就確定了餾出液的全部組成；指定釜液中一個(gè)組分的濃度，也就確定了釜液的全部組成。,,對(duì)于多組分精餾，待定設(shè)計(jì)變量數(shù)仍是2，所以只能指定兩個(gè)組

11、分的濃度，其他組分的濃度則相應(yīng)確定。,多組分精餾物系組成,,輕非關(guān)鍵組分（LNK），輕組分輕關(guān)鍵組分（LK）中間組分重關(guān)鍵組分（HK）重非關(guān)鍵組分（HNK），重組分,精餾塔的任務(wù)： LK盡量多的進(jìn)入塔頂餾出液； HK盡量多的進(jìn)入塔釜釜液。,,對(duì)于精餾中的非關(guān)鍵組分： 設(shè) 為非關(guān)鍵組分i對(duì)HK的相對(duì)揮發(fā)度。,3. 關(guān)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(fù)！,4. 關(guān)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L(zhǎng)K；C為HK,◆工藝要求先分出A：,則：A為L(zhǎng)K；B為HK,二、多組分精餾過(guò)程的復(fù)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(shè)LNK全部從塔頂采出； 假設(shè)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(gè)關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度相鄰且分離要求苛刻，或非關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度與關(guān)鍵組分相差較大時(shí)，可達(dá)到清晰分割。,問(wèn)題：什么情況下可達(dá)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(fù)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(diǎn)與組成密切相關(guān)，溫度分布接近組成分布形狀。（圖3），（圖3—6）。,★濃度分布1.進(jìn)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(duì)非

15、關(guān)鍵組分 精餾段：HNK迅速消失； LNK以接近于常數(shù)濃度在進(jìn)料板以上各 板中出現(xiàn)，接近頂部急劇增加，在出料 液中達(dá)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(jìn)料板

16、。,3.關(guān)鍵組分 變化復(fù)雜 ▼ 若無(wú)LNK時(shí)：HK分別在二段出現(xiàn)兩個(gè)最高點(diǎn)，LK表現(xiàn)象LNK。（圖3-7） ▼ 若無(wú)HNK時(shí)：LK分別在二段出現(xiàn)兩個(gè)最高點(diǎn)， HK表現(xiàn)象HNK。 ▼有LNK、HNK，且都不同時(shí)出現(xiàn)在頂、釜時(shí)： LK在精餾段出現(xiàn)一個(gè)最大值，然后降到所規(guī)定的濃度； HK在提餾段出現(xiàn)一個(gè)最大值，然后降到所規(guī)的濃度。,表3-1 塔內(nèi)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(guān)鍵組分含量存在極大值；,（2）非關(guān)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(guān)鍵組分分別在進(jìn)料板下、上 形成幾乎恒濃的區(qū)域；,（4）全部組分均存在于進(jìn)料板上，但進(jìn)料板 含量不等于進(jìn)料含量。,精餾過(guò)程的內(nèi)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(jí)間流量分布則主要反

18、映了熱衡算的限制。,三、精餾過(guò)程計(jì)算比較,,對(duì)于二組分精餾，設(shè)計(jì)變量被確定后，可從任一端出發(fā)，作逐板計(jì)算，無(wú)需試差。對(duì)于多組分精餾，由于不能指定全部組成，所以需先假設(shè)一端的組成，再通過(guò)反復(fù)試差求解。,小結(jié)：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(jí)間流率分布與熱量衡算密切相關(guān)。,,影響因素較多，總效應(yīng)很復(fù)雜，難以歸納出一個(gè)通用的規(guī)律。,假設(shè)塔內(nèi)恒摩爾流近似成立。,小結(jié)：二、沿

19、塔高方向的汽液流率分布,對(duì)于兩組分精餾，指定餾出液中一個(gè)組分的濃度，就確定了餾出液的全部組成；指定釜液中一個(gè)組分的濃度，也就確定了釜液的全部組成。,,對(duì)于多組分精餾，遇到的關(guān)鍵問(wèn)題是塔頂和塔底產(chǎn)品的組成和量無(wú)法全部預(yù)先確定。,小結(jié)：三、沿塔高方向的濃度分布,3.2.2 最小回流比,1. 時(shí)，恒濃區(qū)出現(xiàn)的情況,恒濃區(qū)或稱夾點(diǎn)——精餾塔中全部濃度不變的區(qū)域,,二元精餾：,恒濃區(qū)：一個(gè)，出現(xiàn)在 進(jìn)

20、料板,多元精餾：定義：頂釜同時(shí)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(guān)鍵組分為分配組分； 非關(guān)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(diǎn)： ▼各組分相互影響，存在上、下恒濃區(qū) ▼所有進(jìn)料組分中有非分配組分的影響 ▼恒濃區(qū)位置不一定在進(jìn)料板處,恒濃區(qū)是在最小回流比下出現(xiàn)，二組分精餾時(shí)，恒濃區(qū)在進(jìn)料板上下，而多組分精餾較復(fù)雜。,最小

21、回流比條件下會(huì)出現(xiàn)恒濃區(qū)，區(qū)內(nèi)無(wú)分離效果，需無(wú)窮多理論板（infinite stages)。如何計(jì)算最小回流比？,依據(jù)：恒濃區(qū)概念,關(guān)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(shù)（Nm）和組分分配,,1、開車時(shí)，先全回流，待操作穩(wěn)定后出料。,全回流對(duì)應(yīng)最少理論板數(shù)，但全回流下無(wú)產(chǎn)品采出，因此正常生產(chǎn)中不會(huì)采用全回流。研究全回流的意義？,2、在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，研

22、究傳質(zhì)影響因素。,3、工程設(shè)計(jì)中，必須知道最少板數(shù)。,1.最少理論板數(shù),Fenske（芬斯克）計(jì)算最小理論塔板數(shù),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(shù)，推導(dǎo)如下：,用（1）、（2）式推導(dǎo)Fenske方程：,物料恒算:,,,全回流時(shí):D=0，V2=L1,設(shè)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,—,）,（,）,（,）,（,）,（,）,?。?均,均,a,a,a,a,a,a,=,=,-,1,2,1,L,Fenske方程的各種形式

24、：,當(dāng)輕重關(guān)鍵組分的分離要求以回收率的形式規(guī)定時(shí)，F(xiàn)enske方程變?yōu)椋?Fenske方程說(shuō)明：,6、Fenske方程可以用來(lái)計(jì)算進(jìn)料板位置、各段理論板數(shù) 和組分分配。7、最小理論板數(shù)與進(jìn)料組成無(wú)關(guān)，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(guān)鍵組分分配,3.2.4 實(shí)際回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料

25、位置,精餾過(guò)程最小回流時(shí)和全回流時(shí)的特點(diǎn),最小回流比是精餾的極限情況之一，此時(shí)，未完成給定的分離任務(wù)，所需要理論經(jīng)板數(shù) 無(wú)窮多，如果回流比小于最小回流比，則無(wú)論多少理論板數(shù)也不能完成給定的分離任 務(wù)。,全回流是精餾的極限情況之一。全回流所需的理論板數(shù)最少。此時(shí)，不進(jìn)料，不出產(chǎn) 品。,,一、實(shí)際回流比,Rop = 1.05 ~ 1.1Rm,眾多研究發(fā)現(xiàn)：,當(dāng)R ? Rop，總費(fèi)用隨R的減小而急劇增加,當(dāng)R ?

26、 Rop，總費(fèi)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(fèi),設(shè)備費(fèi),總費(fèi)用,在下列條件下使用Gilliland圖誤差較?。?( 1)物系組分?jǐn)?shù)：2~11 ( 2)進(jìn)料狀態(tài)：q=0.28~1.42 ( 3)操作壓力：真空~4.4MPa ( 4)相對(duì)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(shù)Nm:3.4~60.3,Gilliland圖,用Gilliand圖簡(jiǎn)便、但不準(zhǔn)確，回歸的經(jīng)驗(yàn)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(duì)揮發(fā)度變化不大的情況,Erbar-Mddox圖,三、適宜進(jìn)料位置的確定(Brown和martin法),當(dāng)進(jìn)料組成與進(jìn)料板組成一致時(shí)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(duì)揮發(fā)度的關(guān)系,（相對(duì)揮發(fā)度與組成關(guān)系不大，且不同組分塔板效率相同）,對(duì)于操作情況，R=(1.2～2)Rm,由Fenske方程： [對(duì)全回流情況],結(jié)論：可用操作回流比下的

29、物料分配，采用 Fenske方程計(jì)算Nm。,3.2.5 多組分精餾的簡(jiǎn)捷計(jì)算方法,精餾簡(jiǎn)捷計(jì)算,——FUG法,,Fenske,,Nm,,Underwood,,Rm,,Gilliland,,R、N,簡(jiǎn)捷法應(yīng)用場(chǎng)合： 初步設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)估算。操作參數(shù)尋優(yōu)（適宜操作參數(shù)的確定）。合理的分離順序的確定。嚴(yán)格計(jì)算中設(shè)計(jì)變量數(shù)值和迭代變量的初值的提供。當(dāng)相平衡數(shù)據(jù)不夠充分時(shí)，未必比嚴(yán)格計(jì)算準(zhǔn)確度差。,,討論：

30、 簡(jiǎn)捷計(jì)算法步驟有哪那些？,簡(jiǎn)捷計(jì)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(jì)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(jì)算。②給定LK、HK在塔頂和塔釡的含量，且LK、HK相對(duì)揮發(fā)度相鄰，先按清晰分割進(jìn)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(jì)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(duì)揮發(fā)度不相鄰，先設(shè)定LK、HK的回收率初值，用Fenske eq.試差計(jì)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(gè)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(jìn)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(jìn)行試差計(jì)算，直至物料分配合理。,例3—7：已知：1.

32、 2. 分離要求,,,3. 核實(shí)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(shí)式：,，看是否,，核實(shí),對(duì)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(duì)于甲烷，w=9.6×10-5≈0;xW=1.5×10-6∴對(duì)甲烷來(lái)說(shuō)清晰分割假設(shè)成立,5.調(diào)整 以前面結(jié)果為初值，進(jìn)行試差,,餾出液、釜液流率、組成表,(2)計(jì)算最小回流比Rm,(3)求平衡級(jí)數(shù)N,(4)進(jìn)料位置的確定,例 已知：精餾塔進(jìn)料量=100 mol/h；70℃(泡點(diǎn))進(jìn)料，操作壓力=405.3kPa 。進(jìn)料組成（摩爾分?jǐn)?shù)）： 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(jì)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(shù)和組分分配； (4) 最小回流比和實(shí)際回流比（R=1.5Rm）； (5) 理論板

35、數(shù)； (6) 進(jìn)料位置。,(1) 餾出液和釡液的流率和組成,假定清晰分割，根據(jù)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(diǎn)溫度即塔頂溫度根據(jù)餾出液組成和壓力進(jìn)行露點(diǎn)溫度計(jì)算,塔釜溫度：,釜液泡點(diǎn)溫度即塔釜溫度根據(jù)釜液組成和壓力進(jìn)行泡點(diǎn)溫度計(jì)算,(3) 最少理論板數(shù)（ Nm ）和組分分配,Nm：,組分分配：,,,,(4) 最小回流比（Rm）和實(shí)際回流比（R=1.5Rm）,Rm：Underwoo

36、d eq.,飽和液體進(jìn)料，q=1,,,R=1.5Rm,(5) 理論板數(shù) N,,Erbar-Maddox圖,(6) 進(jìn)料位置,,Kirkbride empirical correlation,對(duì)于無(wú)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(jì)算理論板數(shù)，再校驗(yàn)是否清晰分割。,清晰分割假定比較適用的情況：輕重關(guān)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(diǎn)注意：,對(duì)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(jù)C的相對(duì)揮發(fā)度是靠近B還是靠近D來(lái)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(yīng)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(duì)揮發(fā)度較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)揮發(fā)度最少應(yīng)大于1.05。（2）待分離的混合物不存在恒沸點(diǎn)。（3）組分間無(wú)化學(xué)反應(yīng)，

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(jié)：,★ 多組分精餾過(guò)程分析（溫度、濃度變化）★ 最小回流比（Underwood eq.）★ 最少理論板數(shù)（Fenske eq.）★ 實(shí)際回流比（經(jīng)驗(yàn)R=1.1~1.5Rm）★ 理論板數(shù)（Gilliland 圖、Erbar-Maddox圖）★ 簡(jiǎn)捷計(jì)算（FUG法）,作業(yè)：P110： 1、4、10題,,認(rèn)真思考 獨(dú)立完成

39、,二組分精餾實(shí)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(shí)例：苯(LK)－甲苯(HK)－異丙苯,塔底,塔底,四組分精餾實(shí)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(dāng)待分離組分之間形成共沸物或相對(duì)揮發(fā)度接近1時(shí)，用普通精餾是無(wú)法實(shí)

40、現(xiàn)分離或是經(jīng)濟(jì)上不合理的。此時(shí)，向體系中加入一種適當(dāng)?shù)男陆M分，通過(guò)與原體系中各組分的不同作用，改變組分之間的相對(duì)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(zhì)量分離劑的精餾稱為特殊精餾或稱增強(qiáng)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(zhì)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(diǎn)又較原有的任一組分高，從塔釜離開。加入的質(zhì)量

41、分離劑稱為溶劑。,（2）共沸精餾（Peotropic Distillation）：,加入的質(zhì)量分離劑與被分離系統(tǒng)中的一個(gè)或幾個(gè)組分形成共沸物，從塔頂蒸出。加入的質(zhì)量分離劑稱為共沸劑。,（3）反應(yīng)精餾：,加入C，使之與原體系中的A發(fā)生反應(yīng)，從而減弱A與B的結(jié)合力。例如：催化精餾。,（4）加鹽精餾：,加鹽，利用鹽溶和鹽析效應(yīng)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?yàn)檫^(guò)程需加熱，且組分在一側(cè)汽

42、化，所以可稱為精餾。好處：無(wú)需再生，但目前由于膜材料和制膜工藝的不成熟尚無(wú)工業(yè)應(yīng)用。,1.問(wèn)題的引出,分離乙醇～水混合物,分離丁烯-2～丁烷,問(wèn)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(gè)新組分S，使它對(duì)原溶液中各組分產(chǎn)生不同作用，從而改變?cè)芤航M分之間相對(duì)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(zhì)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(diǎn)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(diǎn)：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(fù)偏差溶液，越大越好(揮發(fā)度減小)。,（2） 稀釋原溶液,體現(xiàn)：當(dāng)原溶液沸點(diǎn)差大，非理想性很強(qiáng)時(shí)， 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(lái)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(duì)揮發(fā)度（0.1013MPa，40 ℃ ）,討論：,當(dāng)原溶液中兩個(gè)組分沸點(diǎn)差很小，非理想性不大時(shí)，溶劑的稀釋作用很小，所選溶劑應(yīng)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(dāng)強(qiáng)，溶劑主要起稀釋作用，增加溶劑用量可提高效果；但是當(dāng)通過(guò)提高溶劑用量提高選擇性時(shí)，溶劑使用

46、量不能太高，否則成本很高。,對(duì)于一個(gè)具體的萃取精餾過(guò)程，溶劑對(duì)原溶液關(guān)鍵組分的相互作用和稀釋作用是同時(shí)存在的，對(duì)相對(duì)揮發(fā)度的提高均有貢獻(xiàn)。到底哪個(gè)作用是主要的，隨溶劑的選擇和原溶液的性質(zhì)不同而異。,改變相互作用實(shí)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(duì)苯的相對(duì)揮發(fā)度明顯提高，特別是在原共沸點(diǎn)處，隨溶劑濃度的增加，相對(duì)揮發(fā)度顯著增大。,,稀釋作用實(shí)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(duì)揮發(fā)度在原共沸點(diǎn)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(diǎn)64.7℃），丙酮（沸點(diǎn)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(fù)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?yàn)槿缬帽耐滴镒鬏腿r(shí),該萃取劑要克服原溶液中沸點(diǎn)差異,使低沸

50、點(diǎn)物質(zhì)與萃取劑一起由塔釜排出。,甲醇-丙酮(甲醇沸點(diǎn)64.7℃，丙酮沸點(diǎn)56.4℃)溶液具有最低共沸點(diǎn)（55.7℃、x(CH3OH)=0.2）,考慮其它因素 1. 沸點(diǎn)高、不與1、2組分共沸，不起化學(xué)反應(yīng)。 2. 溶解度大。 3. 溶劑比（溶劑/進(jìn)料）不得過(guò)大。 4. 穩(wěn)定性好。 5. 無(wú)毒、不腐蝕、低廉、易得。,三、萃取精餾過(guò)程分析和計(jì)算(自學(xué)),1.塔內(nèi)流量分布,設(shè)S為純組分，在塔頂采出為0。,2.萃

51、取精餾的操作特點(diǎn),（1）因塔內(nèi)萃取劑濃度較大，一般Xs=0.6-0.8，液汽比遠(yuǎn)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(lái)調(diào)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(yán)格控制，不能任意調(diào)節(jié)。加大回流比反而降低塔內(nèi)萃取劑的濃度，使分離困難。故當(dāng)塔頂產(chǎn)品不合格時(shí)，可加大萃取劑用量或減少進(jìn)料量和減少出料量以保持恒定的回流量來(lái)改善分離效果

52、。（3）由于萃取劑用量較大，塔內(nèi)液體的顯熱在全塔的熱負(fù)荷中占較大比例，所以在萃取劑加入時(shí)，溫度的微小變化往往引起較大的內(nèi)回流比變化，直接影響上升蒸汽量，從而波及全塔。因此應(yīng)嚴(yán)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(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、

53、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,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(diǎn)（恒沸點(diǎn)）： 共沸時(shí)的溫度。 對(duì)共沸物： 一個(gè)汽相，一個(gè)液相， —均相 一個(gè)汽相，多個(gè)液相， —非均相,系統(tǒng)偏離拉烏爾定律,,對(duì)于二元共沸物，混合物的ps~x曲線

54、上之極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jì)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(diǎn)，相當(dāng)于汽液平衡相組成相等。,,,共沸物的特點(diǎn)：,1）當(dāng)P不變時(shí)，共沸組成（共沸點(diǎn)）一定，Tb=Td，汽化過(guò)程中溫度T不變；,2）在泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線交點(diǎn)，汽化時(shí)組成不變，α＝ 1 ；,3）共沸物體系特殊在共沸點(diǎn)，用普通精餾的方法不能通過(guò)共沸點(diǎn)，但在共沸點(diǎn)

55、兩側(cè)仍有分離作用。,★,★,★,共沸物組成的計(jì)算,共沸參數(shù)（x、T、P）預(yù)測(cè)：,已知 x、T、P 任一個(gè)參數(shù)，可求出另外二個(gè)。,或 ——計(jì)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(jì)算P1S和P2S；,3）由?1＝f(x1,T,P)、?2＝f(x1,T,P)和?1/?2= P2S/P1S計(jì)算x1；,5）如上式成立，則結(jié)束

56、計(jì)算，如不成立，則假定新的T， 繼續(xù)試差計(jì)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(biāo)準(zhǔn)：,正偏差物系形成最低共沸物的條件：,② 最高共沸物,判別負(fù)偏差物系形成最高共沸物的標(biāo)準(zhǔn)：,負(fù)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(shí)： 形成二個(gè)液相，一個(gè)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：,若互溶度很小：,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(jì)算：,同時(shí)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(duì)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(jì)算：,2. 三元系,科諾瓦洛夫定律也能應(yīng)用,A：相圖（立體圖） P—x圖：,1.三側(cè)面表示三個(gè)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(fù)偏差物系，壓力面位于平面之下。3.三元共沸點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓力極值點(diǎn)。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(diǎn),設(shè) m—正偏差共沸物，（或最低共沸物） M—負(fù)偏差共沸物，（或最高共沸物）,對(duì)于壓力面： ★三個(gè)二元m(或M),有三元共沸物存在. (圖3—14) ★ 二個(gè)m，或一個(gè)m與一個(gè)低沸點(diǎn)組分，使壓力面產(chǎn)

60、生脊； 二個(gè)M，或一個(gè)M與一個(gè)高沸點(diǎn)組分，使壓力面產(chǎn)生谷。 （圖3—14） ★有脊又有谷，會(huì)出現(xiàn)鞍點(diǎn)，為鞍點(diǎn)共沸物.(圖3—14),圖 3-14 具有三個(gè)二元最低共沸物（ m 1 , m 2 , m 3 ）及一個(gè)三元最低共沸物（ m ）三元系相圖,,,圖 3-14 具有二個(gè)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(jì)算,一般原則:1.分離負(fù)偏差共沸物或沸點(diǎn)相近的混合物 a.共沸劑僅與一個(gè)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(diǎn)有明顯差別。 c.與兩組分形成三元正偏差共沸物，共沸點(diǎn)溫度顯著低。2.分離二元正偏差共沸物 a.共沸劑與一個(gè)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(diǎn)溫度顯著低。,二、共沸劑的選擇,注：

62、一般沸點(diǎn)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(diǎn)：T1=80.8℃ T2= 80.2℃ 特點(diǎn)：1、2形成正偏差（或最低）共沸物 （共沸點(diǎn)：T=77.4 ℃ X2=0.54）方法：

63、 1.找出與1、2形成共沸物的物質(zhì)。 2.篩選 在所有能形成共沸物的物質(zhì)中選出共沸點(diǎn)低于77.4 ℃ 的物質(zhì)。（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(diǎn)61.2℃) 丙酮(沸點(diǎn)56.4 ℃),共沸劑的選取。特點(diǎn)：形成負(fù)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(diǎn)；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(diǎn)：形成一個(gè)三元共沸物，三個(gè)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(guān)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(xué)反應(yīng) 5. 無(wú)腐蝕、無(wú)毒 6. 價(jià)廉、易得。,三、分離均相共沸物的變壓精餾過(guò)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(diǎn)組分多的濃度區(qū)移動(dòng)，最高恒沸物的恒沸組成向高沸點(diǎn)組分多的濃度區(qū)移動(dòng)。 恒沸組成與壓力有關(guān)，根據(jù)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(dòng)；二元負(fù)偏差恒沸物的組成向摩爾汽化潛熱小的組分移動(dòng)。,易揮發(fā)組分或沸點(diǎn)低的組分增加,難揮發(fā)組分或沸點(diǎn)高的組分增加,乙醇水溶液共沸物與壓力的關(guān)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(shí)共沸物中乙醇含量下降，即增加壓力時(shí)，共沸物中汽化潛熱大的組分（水）的含量增加，對(duì)最高

67、共沸物則反之。,雙壓精餾過(guò)程,例：分離甲乙酮—水（最低共沸點(diǎn)）,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(shè)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(jié),二元非均相共沸精餾的計(jì)算,五、共沸精餾實(shí)例,,乙醇－水共沸精餾,乙醇－水溶液共沸點(diǎn)：78.1℃；共沸組成：乙醇 0.956；水 0.044。乙醇－水－苯共沸點(diǎn)：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(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

69、的揮發(fā)度差異，實(shí)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(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