分離工程論文[沐風(fēng)文苑]

1、 萃取精餾的分析與探究 姓名：王玉虎 學(xué)號(hào)：20121839 班級(jí)：工藝2班 學(xué)院：化學(xué)與化學(xué)工程 論文時(shí)間：2015.6.24詳參照 萃取精餾的分析與探究摘要：萃取精餾在近沸點(diǎn)物系和共沸物的分離方面是很有潛力的操作過程。萃取精餾是一種特殊的精餾方法。以改變塔內(nèi)需要分離組分的相對(duì)揮發(fā)度 。選擇合適的溶 劑可以增強(qiáng)分離組分之間的相對(duì)揮發(fā)度, 從而可以使難分離物系轉(zhuǎn)化為容易分離的物系.關(guān)鍵詞： 萃取 分離 溶劑 一、萃取精餾的簡(jiǎn)介 萃取精餾：向精餾塔頂連續(xù)加入高沸點(diǎn)添加劑，改變料液中被分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度，使普通精餾難以分離的液體混合物變得易于分離的一種特殊精餾方法。二、萃取精餾的原理： 若采用

2、普通精餾的方法進(jìn)行分離，將很困難，或者不可能。對(duì)于這類物系，可以采用特殊精餾方法，向被分離物系中加入第三種組分，改變被分離組分的活度系數(shù)，增加組分之間的相對(duì)揮發(fā)度，達(dá)到分離的目的。如果加入的溶劑與原系統(tǒng)中的一些輕組分形成最低共沸物，溶劑與輕組分將以共沸物形式從塔頂蒸出，塔底得到重組分，這種操作稱為共沸精餾；如果加入的溶劑不與原系統(tǒng)中的任一組分形成共沸物，其沸點(diǎn)又較任一組分的沸點(diǎn)高，溶劑與重組分將隨釜液離開精餾塔，塔頂?shù)玫捷p組分。三、萃取精餾的流程：由于溶劑的沸點(diǎn)高于原溶液各組分的沸點(diǎn)，所以它總是從塔釜排出的。為了在塔的絕大部分塔板上均能維持較高的溶劑濃度，溶劑加入口一定要在原料進(jìn)入口以上。但一

3、般情況下，它又不能從塔頂引入，因?yàn)槿軇┤肟谝陨媳仨氝€有若干塊塔板，組成溶劑回收段，以便使餾出物從塔頂引出以前能將其中的溶劑濃度降到可忽略的程度。溶劑與重組分一起自萃取精餾塔底部引出后，送入溶劑回收裝置。一般用蒸餾塔將重組分自溶劑中蒸出，并送回萃取精餾塔循環(huán)使用。一般，整個(gè)流程中溶劑的損失是不大的，只需添加少量新鮮溶劑補(bǔ)償即可。四、萃取精餾流程安排 萃取精餾過程一般采用雙塔流程, 由萃取精餾塔和溶劑回收塔組成。萃取精餾的流程設(shè)計(jì)非常重要。一個(gè)好的萃取精餾工藝流程, 不僅能耗可以降低, 而且能夠充分地發(fā)揮設(shè)備的潛力, 提高生產(chǎn)能力。在有些情況下, 萃取精餾過程的雙塔流程模式并不是一成不變的。如溶劑

4、沸點(diǎn)太高時(shí), 可以對(duì)溶劑回收塔進(jìn)行改進(jìn), 如加入一定量水以降低沸點(diǎn), 在下一個(gè)塔中再回收溶劑, 這時(shí)就是雙塔流程, 就需要再增加塔設(shè)備。近年來在開發(fā)新的分離技術(shù)過程中, 各種分離方法之間的結(jié)合日益受到重視, 對(duì)萃取精餾亦如此。例如分離醇水溶液如果采用萃取精餾與恒沸精餾結(jié)合, 就可以較好地發(fā)揮出萃取精餾能耗低、產(chǎn)品純度高的優(yōu)點(diǎn)。首先利用萃取精餾得到純度較高的醇溶液, 然后經(jīng)過恒沸精餾制得高純度的醇產(chǎn)品, 這種方法比單獨(dú)的萃取精餾或恒沸精餾流程從能耗和操作控制難易綜合方面都要好。五、萃取精餾的分類 萃取精餾按照其操作方式可以分為兩類，即連續(xù)萃取精餾和間歇萃取精餾。 （一）連續(xù)萃取精餾 連續(xù)萃取精溜

5、過程中，進(jìn)料、溶劑的加入及回收都是連續(xù)的。連續(xù)萃取精餾一般采用雙塔操作，第一個(gè)塔是萃取精餾塔，被分離的物料由塔的中部連續(xù)進(jìn)入塔內(nèi)，而溶劑則在靠近塔頂?shù)牟课贿B續(xù)加人。在萃取精餾塔內(nèi)易揮發(fā)組分由塔頂餾出，而難揮發(fā)組分和溶劑由塔底餾出并進(jìn)入溶劑回收塔。在溶劑回收塔內(nèi)，可使難揮發(fā)組分與溶劑得到分離，難揮發(fā)組分由塔頂餾出，而溶劑由塔底餾出并循環(huán)回送至萃取精餾塔。 （二）間歇萃取精餾 間歇萃取精餾是近年來興起的新的研究方向，由于間歇萃取精餾具有間歇精餾和萃取精餾的優(yōu)點(diǎn)，近年來引起了一些學(xué)者的注意。間歇萃取精餾比連續(xù)萃取精餾復(fù)雜得多，其流程及操作方法與連續(xù)萃取精餾不同。間歇萃取精餾的操作步驟如下：不加溶劑進(jìn)

6、行全回流操作；加溶劑進(jìn)行全回流操作；加溶劑進(jìn)行有限回流比操作；有限回流操作，停止向萃取精餾塔加溶劑。恒塔頂組成操作包括3種方法：(1)溶劑的進(jìn)料速率保持不變，改變回流比；(2)保持回流比恒定，改變?nèi)軇┑倪M(jìn)料速率，此方法在理論上是可行的，但在實(shí)踐中卻難以實(shí)現(xiàn)；(3)同時(shí)改變回流比和溶劑進(jìn)料速率。六、 溶劑篩選原理 由于萃取精餾混合物多為強(qiáng)非理想性的系統(tǒng)，所以工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜溶劑時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：(1)選擇性：溶劑的加人要使待分離組分的相對(duì)揮發(fā)度提高顯著，即要求溶劑具有較高的選擇性，以提高溶劑的利用率；(2)溶解性：要求溶劑與原有組分間有較大的相互溶解度，以防止液體在塔內(nèi)產(chǎn)生分層現(xiàn)象，但具有

7、高選擇性的溶劑往往伴有不互溶性或較低的溶解性，因此需要通過權(quán)衡選取合適的溶劑，使其既具有較好的選擇性，又具有較高的溶解性；(3)沸點(diǎn)：溶劑的沸點(diǎn)應(yīng)高于原進(jìn)料混合物的沸點(diǎn)，以防止形成溶劑與組分的共沸物。但也不能過高，以避免造成溶劑回收塔釜溫過高。目前萃取精餾溶劑篩選的方法有實(shí)驗(yàn)法、數(shù)據(jù)庫查詢法、經(jīng)驗(yàn)值方法、計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)法用實(shí)驗(yàn)法篩選溶劑是目前應(yīng)用最廣的方法，可以取得很好的結(jié)果，但是實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)較大，實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)法有直接法、沸點(diǎn)儀法、色譜法、氣提法等。實(shí)際應(yīng)用過程中往往需要幾種方法結(jié)合使用，以縮短接近目標(biāo)溶劑的時(shí)間。溶劑篩選的一般過程為：經(jīng)驗(yàn)分析、理論指導(dǎo)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。若文

8、獻(xiàn)資料和數(shù)據(jù)不全，則只有采取最基本的實(shí)驗(yàn)方法，或者采取頗具應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法以尋求最佳溶劑。七、萃取劑篩選的方法 實(shí)驗(yàn)法、數(shù)據(jù)庫查詢法、經(jīng)驗(yàn)值方法、計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)法用實(shí)驗(yàn)法篩選溶劑是目前應(yīng)用最廣的方法，可以取得很好的結(jié)果，但是實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)較大，實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)法有直接法、沸點(diǎn)儀法、色譜法、氣提法等。實(shí)際應(yīng)用過程中往往需要幾種方法結(jié)合使用，以縮短接近目標(biāo)溶劑的時(shí)間。篩選的一般過程為：經(jīng)驗(yàn)分析、理論指導(dǎo)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。若文獻(xiàn)資料和數(shù)據(jù)不全，則只有采取最基本的實(shí)驗(yàn)方法，或者采取頗具應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法以尋求最佳溶劑。八、分離劑或溶劑的選擇一般來說, 萃取精餾流程和塔板結(jié)構(gòu)的

9、改進(jìn)是有限的。因此選擇好的萃取劑或?qū)腿┻M(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化是提高萃取精餾塔生產(chǎn)能力和降低能耗的最有效途徑。以加鹽萃取精餾制取無水乙醇為例 。對(duì)萃精餾和溶鹽萃取精餾進(jìn)行了分析和綜合, 利用溶鹽萃取劑效果好的優(yōu)點(diǎn)和利用溶劑是液體, 可循環(huán)回收, 工業(yè)上易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn), 形成了一種新的萃取精餾方法即加鹽萃取精餾。采用乙二醇加鹽萃取精餾所生產(chǎn)的無水乙醇試劑, 達(dá)到國內(nèi)優(yōu)級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)。它與國外乙二醇萃取精餾的方法比較, 加鹽后溶劑比降低4 5 倍, 塔高降低3 4 倍, 因而節(jié)約了操作費(fèi)用, 減少了設(shè)備投資, 效果十分明顯。萃取精餾是能量分離劑與質(zhì)量分離劑并重的分離過程。目前在很多分離領(lǐng)域涉及質(zhì)量分離劑的研究

10、, 研究質(zhì)量分離劑即溶劑是一個(gè)有意義的課題。溶劑的研究分為兩類, 一類是在工藝流程一定的情況下, 選擇分離能力強(qiáng)的基礎(chǔ)溶劑;另一類是在基礎(chǔ)溶劑一定的情況下加入一定的添加物即助溶劑,對(duì)之進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化。由于第二類的研究不改變基礎(chǔ)溶劑, 因此具有較強(qiáng)的實(shí)用性。尋找最佳的溶劑是一個(gè)復(fù)雜的課題。九、萃取精餾塔的塔板結(jié)構(gòu) 一般萃取精餾最大的缺點(diǎn)是溶劑量太大, 溶劑比均在5 9 以上。國內(nèi)分離C4 的兩套裝置ACN 法和DMF 法的溶劑量都很大, 一萃塔溶劑比在7 8 ,不僅能量、溶劑消耗高, 且萃取精餾塔內(nèi)液體負(fù)荷很高, 降低了塔的生產(chǎn)能力和塔板效率, 使實(shí)際塔板數(shù)增加, 抵消了由于加入溶劑后提高相對(duì)揮

11、發(fā)度使所需塔板數(shù)減少的效果。而且, 由于板上液體負(fù)荷大, 容易液泛, 降低了塔操作的允許汽液負(fù)荷。因此, 萃取精餾塔的生產(chǎn)能力一般較低。在萃取精餾工藝路線以及溶劑不便改動(dòng)的情況下, 采用高效新型的塔板內(nèi)構(gòu)件, 是提高萃取精餾塔生產(chǎn)能力的有效策略。如近年來開發(fā)出來的多溢流復(fù)合斜孔塔板就可以代替原有的浮閥塔板以提高生產(chǎn)能力。多溢流斜孔塔板是在斜孔塔板的基礎(chǔ)上, 對(duì)MD 塔板進(jìn)行了研究和分析后, 開發(fā)出的一種具有MD 塔板多溢流結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn), 又有斜孔塔板優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合型塔板。它采用類似MD 塔板的降液管形式,但降液管只用一根或者兩根而不是很多根, 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 液體流動(dòng)距離較長(zhǎng), 塔的處理能力與板效率

12、都比較高。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和塔板設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展, 塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)還可以根據(jù)塔內(nèi)的汽液負(fù)荷利用塔板設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)備設(shè)計(jì)與工藝過程的結(jié)合, 是化學(xué)工程的一個(gè)發(fā)展方向。發(fā)明和采用高效新型的塔板結(jié)構(gòu)可以在一定程度上削弱萃取精餾所帶來的缺點(diǎn), 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。十、加鹽萃取精餾技術(shù)的主要應(yīng)用 (一)醇類物系 加鹽萃取精餾最早被應(yīng)用在無水乙醇的生產(chǎn)中。段占庭等以無水乙醇為制取對(duì)象，分別采用含氯化鈉、氯化鈣、醋酸鉀等9種鹽的乙二醇溶液為溶劑，測(cè)定了相關(guān)的汽液平衡數(shù)據(jù)，經(jīng)過比較，優(yōu)選出了醋酸鉀一乙二醇復(fù)合溶劑，用于工業(yè)制備乙醇。實(shí)踐表明，乙二醇的用量減少了7580，相同產(chǎn)量的操作時(shí)間比普通精餾縮短了65

13、75。趙林秀等用改進(jìn)的汽液平衡釜測(cè)定了1013kPa下醋酸甲酯一甲醇物系在萃取劑和鹽存在下的相對(duì)揮發(fā)度，測(cè)定了全濃度范圍內(nèi)的汽液平衡數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了加鹽萃取精餾工藝的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，水作為萃取劑，加入醋酸鉀，可提高醋酸甲酯一甲醇物系的相對(duì)揮發(fā)度，加鹽萃取精餾比普通精餾有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)溶劑體積比為1:1時(shí)，萃取精餾塔塔頂采出的醋酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到99以上，萃取劑回收率達(dá)98，鹽可全部回收。異丙醇和水形成共沸物系，共沸點(diǎn)為80.3。為獲得高純度的異丙醇，柳陽等采用間歇加鹽的萃取方式，以含鹽乙二醇溶劑為萃取劑，考察了鹽的類型、回流比、溶劑比等因素對(duì)異丙醇一水混合液精餾分離效果的影響，小型工藝試驗(yàn)裝置的操

14、作結(jié)果表明，在回流比0.5、溶劑比0.625、萃取劑進(jìn)料速率20mL/min的條件下，異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)98.87，能夠滿足工廠生產(chǎn)的要求。 (2) 非極性物系 加鹽萃取精餾不僅可以分離極性組分，也可以應(yīng)用在非極性組分的分離過程中。而對(duì)于分離非極性物系，加鹽萃取精餾研究的報(bào)道較少。碳四組分中丁二烯是合成橡膠的重要單體，工業(yè)上生產(chǎn)丁二烯最具競(jìng)爭(zhēng)力的方法是萃取精餾法。萃取精餾的缺點(diǎn)是溶劑比大，大溶劑量降低了塔的生產(chǎn)能力和塔板效率，所以降低溶劑比、提高溶劑分離能力，對(duì)分離過程的技術(shù)指標(biāo)有重要的影響。目前常用的溶劑是：乙腈、一甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺。在此基礎(chǔ)上，碳四抽提溶劑改性不僅對(duì)丁二烯的生產(chǎn)具

15、有積極意義，而且對(duì)于烴類物系的萃取精餾分離具有參考和推廣價(jià)值。雷志剛等 副開展了一系列碳四組分的加鹽萃取精餾實(shí)驗(yàn)，考察了鹽的類型、濃度及溫度對(duì)碳四組分間相對(duì)揮發(fā)度的影響。(3) 其他物系 針對(duì)工業(yè)上傳統(tǒng)蒸餾法分離環(huán)己酮一水物系能耗過大的問題，邱學(xué)青等研究了含鹽類的復(fù)合萃取劑對(duì)該物系的萃取分離效果，其結(jié)果表明MgC1能明顯改變環(huán)己酮與水之間的互溶度，大幅度提高復(fù)合萃取劑對(duì)組分的萃取分配系數(shù)和選擇性系數(shù)，為工業(yè)上環(huán)己酮的生產(chǎn)提純提供了一種新的分離方法；劉思周以醋酸異丙酯為萃取劑，用加鹽萃取一恒沸精餾的方法分離醋酸一水溶液?？疾炝瞬煌N類的鹽及其濃度對(duì)萃取劑中醋酸含量的影響，鹽可以大大提高萃取劑的分

16、配系數(shù)和選擇性系數(shù)；楊金苗等分別用不同濃度的乙二醇、鹽及含鹽乙二醇溶液考察了對(duì)醋酸甲酯一水物系的影響，并進(jìn)行汽液平衡測(cè)定。其研究結(jié)果表明，加鹽萃取精餾比單純的普通精餾、加鹽精餾、萃取精餾的分離效果好。對(duì)于醋酸甲酯一水物系，通過汽液平衡實(shí)驗(yàn)可看出，加入鹽明顯提高了共沸物中醋酸甲酯的含量，可達(dá)到較好的分離效果；針對(duì)醋酸甲酯一甲醇一水物系分離難、生產(chǎn)能耗高的現(xiàn)狀，楊東杰等采用MgCl2、CH3COOK和水組成的復(fù)合鹽萃取劑對(duì)該物系進(jìn)行分離。氣相色譜分析結(jié)果表明，鹽可降低醋酸甲酯在水中的溶解度。十一、結(jié)語與心得一般來說萃取精餾流程和塔板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是有限的。因此, 從本質(zhì)上講選擇好的萃取劑或?qū)腿┻M(jìn)行

17、改進(jìn)和優(yōu)化是提高萃取精餾塔生產(chǎn)能力和降低能耗的最有效途徑。萃取精餾溶劑的篩選一般要經(jīng)過計(jì)算篩選和實(shí)驗(yàn)篩選。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 將分子設(shè)計(jì)應(yīng)用于萃取精餾計(jì)算篩選可以大大減少實(shí)驗(yàn)工作量, 因此值得重視和發(fā)展。溶劑加鹽是萃取精餾溶劑優(yōu)化的一個(gè)重要策略。如果遇到萃取精餾分離過程, 可以嘗試采用加鹽的方式對(duì)溶劑進(jìn)行改進(jìn)。在萃取精餾溶劑選擇和優(yōu)化過程中, 由于基礎(chǔ)溶劑和助溶劑受到諸多方面制約, 使可選擇范圍縮小, 這對(duì)選擇和發(fā)現(xiàn)新的溶劑極為不利。有些情況下, 可以放寬限制條件。如近年來雙液相萃取精餾的研究取得了較大地進(jìn)展, 在萃取精餾塔中允許出現(xiàn)雙液相, 溶劑和被分離組分不一定必須混溶, 降低了溶劑對(duì)

18、被分離組分溶解度的要求;如果溶劑的沸點(diǎn)太高, 溶劑回收塔可以采用減壓操作等。同普通精餾一樣, 萃取精餾易于工業(yè)實(shí)踐。在普通精餾不能完成的分離場(chǎng)合, 應(yīng)該優(yōu)先考慮萃取精餾, 然后是其他的特殊精餾方式和分離方法。因此研究萃取精餾具有較強(qiáng)的實(shí)用性, 其研究成果容易轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力, 這是某些新興的分離方法所不具有的優(yōu)點(diǎn)。在普通精餾不能完成的分離場(chǎng)合，應(yīng)該優(yōu)先考慮萃取精餾，然后是其他的特殊精餾方式和分離方法。其主要的發(fā)展方向?yàn)椋阂环矫?，可以將其與傳統(tǒng)分離過程相結(jié)合，建立新的耦合過程強(qiáng)化分離效果；另一方面，多樣化的萃取劑與鹽的組合吸引了眾多研究者在此領(lǐng)域進(jìn)行探索，并取得了一定的進(jìn)展。 萃取精餾近些年的進(jìn)展主要是間歇萃取精餾的提出和混合溶劑的研究。 間歇精餾是精細(xì)化工生產(chǎn)中的重要單元操作，其主要特點(diǎn)有：(1)能單塔分離多組分混合物；(2)允許進(jìn)料組分濃度在很大