天津大學(xué)化工分離工程教案第3章多組分精餾和特殊精餾課件

分離過程第3章多組分精餾和特殊精餾主要內(nèi)容及要求：深入理解多組分精餾過程，會分析；掌握多組分精餾的簡捷計(jì)算方法；掌握萃取精餾和共沸精餾的原理和過程分析。1精餾塔中的平衡級就是一簡單絕熱閃蒸級。2第3章

多組分精餾和特殊精餾3.1多組分精餾過程

3.2萃取精餾和共沸精餾3.3反應(yīng)精餾3.4加鹽精餾√√33.1.1多組分精餾過程分析一、關(guān)鍵組分（KeyComponents）多組分精餾過程分析就是分析精餾塔內(nèi)的溫度、流率和濃度分布。FNa=串級數(shù)(2)＋分配器(1)＋側(cè)線采出(0)＋傳熱單元(2)=5已被指定的可調(diào)變量：（1）進(jìn)料位置；（2）回流比；（3）全凝器飽和液體回流或冷凝器的傳熱面積或餾出液溫度。余下的2個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量往往用來指定組分在餾出液和釜液中的濃度。5對于兩組分精餾，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)組分的濃度，其他組分的濃度則相應(yīng)確定。通常，把由設(shè)計(jì)者指定分離要求的這2個(gè)組分稱為關(guān)鍵組分。其中相對易揮發(fā)的組分稱為輕關(guān)鍵組分（LK），相對不易揮發(fā)的組分稱為重關(guān)鍵組分（HK）。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6根據(jù)組分是否在精餾塔的兩端都出現(xiàn)，可分為分配組分和非分配組分。清晰分割：

餾出液中除了重關(guān)鍵組分之外，沒有其它重組分；釜液中除了輕關(guān)鍵組分之外，沒有其它輕組分。7二組分精餾實(shí)例：苯－甲苯圖3-1二組分精餾流率、溫度、濃度分布9三組分精餾實(shí)例：苯(LK)－甲苯(HK)－異丙苯圖3-2三組分精餾流量分布圖3-3三組分精餾溫度分布10四組分精餾實(shí)例：苯－甲苯(LK)－二甲苯(HK)-異丙苯圖3-6四組分精餾液相組成分布11精餾過程的內(nèi)在規(guī)律：在精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成，而總的級間流量分布則主要反映了熱衡算的限制。133.1.2最小回流比（Rm）多組分精餾：最小回流比下，也有恒濃區(qū)，但由于非關(guān)鍵組分的存在，恒濃區(qū)出現(xiàn)的部位要較二組分精餾復(fù)雜。二組分精餾：最小回流比下，進(jìn)料板上下出現(xiàn)恒濃區(qū)或稱夾點(diǎn)。恒濃區(qū)14多組分精餾中的恒濃區(qū)（1）輕、重組分均為非分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)進(jìn)料板以上必須緊接著有若干塔板使重組分的濃度降到零，這一段不可能是恒濃區(qū)，恒濃區(qū)向上推移而出現(xiàn)在精餾塔段的中部。同理，輕組分恒濃區(qū)出現(xiàn)在提餾段中部。15（4）輕、重組分均為分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)最小回流比條件下會出現(xiàn)恒濃區(qū)，區(qū)內(nèi)無分離效果，需無窮多理論板。如何計(jì)算最小回流比？17計(jì)算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式：假設(shè)：1、各組分相對揮發(fā)度是常數(shù)；2、塔內(nèi)汽液相流率為恒摩爾流。Underwood（恩德伍德）公式：（3-1）18Underwood（恩德伍德）公式中參數(shù)的含義：（3-1）i

—組分i的相對揮發(fā)度；(xiD)m—最小回流比下餾出液中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；

xiF—進(jìn)料中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；

q—進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)（進(jìn)料液相分率）；

—方程的根。

以全回流下的xiD代替

取LK>>HK的根19計(jì)算最少理論板數(shù)的Fenske（芬斯克）方程：推導(dǎo)前提：1、塔頂采用全凝器；（若采用分凝器，則分凝器為第1塊塔板）；2、所有板都是理論板。從塔頂向下排序，由相對揮發(fā)度的定義有：對第2塊板作物料衡算：全回流下，D=0（3-2）21因此：同理：兩式相除，可得：代入（3-2）式：（3-2）可得：22再由相平衡關(guān)系可得：

由物料衡算：可得：

依此類推到塔釜：

（3-5）

23幾點(diǎn)說明：

2、相對揮發(fā)度（1）方程的精度取決于相對揮發(fā)度數(shù)據(jù)的可靠性。（2）AB

的近似處理：1）兩點(diǎn)平均：2）三點(diǎn)平均：3）單點(diǎn)值1、推導(dǎo)中未作任何假設(shè)，因而是嚴(yán)格的。253、方程的變形形式：

摩爾分率可用摩爾數(shù)，體積或重量比來代替，因?yàn)閾Q算因子可以相互抵消，得到另一種常用的一般形式：d/w稱為分配比。（3-9）26p103例［3-2］和例［3-3］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(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，而重組分的揮發(fā)度比HK的揮發(fā)度小得多。幾點(diǎn)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(jù)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。29作業(yè)：p163第7題303.1.4實(shí)際回流比和理論板數(shù)有了實(shí)際回流比和最少理論板數(shù)，求實(shí)際理論板數(shù)常用的經(jīng)驗(yàn)方法有：Gilliland圖、Erbar-Maddox圖。用Underwood方程求出Rm后，實(shí)際回流比R一般取作1.30Rm。適用于相對揮發(fā)度變化不大的情況適用于非理想性較大的情況31圖3-9Gilliland圖圖3-10Erbar-Mddox32適宜進(jìn)料板位置的確定原則：在操作回流比下精餾段與提餾段理論板數(shù)之比等與在全回流下用Fenske方程分別計(jì)算得到的精餾段與提餾段理論板數(shù)之比。p109例［3-4］333.1.5多組分精餾的簡捷計(jì)算方法精餾簡捷計(jì)算——FUG法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N34開始指定進(jìn)料條件指定兩個(gè)關(guān)鍵組分的分離程度估計(jì)非關(guān)鍵組分的分離情況決定精餾塔操作壓力和冷凝器類型在塔壓下作閃蒸計(jì)算計(jì)算最少理論板數(shù)和非關(guān)鍵組分的分離程度計(jì)算值與估計(jì)值是否接近對于指定的實(shí)際回流比（R>Rm）計(jì)算實(shí)際理論板數(shù)N計(jì)算最小回流比Rmyes計(jì)算進(jìn)料級位置計(jì)算熱負(fù)荷結(jié)束no（泡、露點(diǎn)計(jì)算）（絕熱閃蒸計(jì)算）（Underwoodeq.）（R=1.1～1.5Rm，Gilland圖）（Kirkbrideeq.）（能量衡算eq.）（Fenskeeq.）多組分精餾的FUG法計(jì)算框圖35特殊精餾當(dāng)待分離組分之間形成共沸物或相對揮發(fā)度接近1時(shí)，用普通精餾是無法實(shí)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(zhì)量分離劑的精餾稱為特殊精餾或稱增強(qiáng)精餾。36特殊精餾的分類（1）萃取精餾（ExtractiveDistillation）：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)量分離劑稱為溶劑。（2）共沸精餾（PeotropicDistillation）：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。37（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^程需加熱，且B在另一側(cè)也汽化，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(yīng)用。383.2萃取精餾和共沸精餾3.2.1萃取精餾3.2.2共沸精餾393.2.1萃取精餾一、流程40二、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41代入相對揮發(fā)度的表達(dá)式，可得有溶劑存在下組分1和2間的相對揮發(fā)度：三組分物系的泡點(diǎn)溫度無溶劑S時(shí)，xS＝0，則二組分體系的相對揮發(fā)度：二組分物系的泡點(diǎn)溫度42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：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），從而提高相對揮發(fā)度。43（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。44三、萃取精餾過程分析（1）塔內(nèi)流量分布精餾段：

總物料衡算：組分物料衡算：或：將上式的濃度改為脫溶劑的相對濃度：（3-29）FSDWnn+1n-1m-1m+1m45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+1m46比較（3-29)式和（3-32）式：（3-29）（3-32）可得：（3-33）因?yàn)镾為重組分，(yS)n+1<(xS)n，所以：①溶劑存在下塔內(nèi)的液汽比大于脫溶劑情況下的液汽比。FSDWnn+1n-1m-1m+1m47對溶劑作物料衡算：設(shè)Sn=Ln(xS)n，即n板下流液體中溶劑的流率：②各板下流之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。FSDWnn+1n-1m-1m+1m當(dāng)（xS)D=0時(shí)：可見：Sn>S48萃取精餾中，溶劑沸點(diǎn)高，溶劑量大，下流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。FSDWnn+1n-1m-1m+1m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：49精餾段的汽相流率：③B汽相流率越往下越大，即越往上越小。FSDWnn+1n-1m-1m+1m提餾段的汽相流率：50（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=0FSDWnn+1n-1m-1m+1m（3-26）（3-41）溶劑與原溶液之間的汽液平衡關(guān)系：（3-42）溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度

將（3-26）式和（3-41）式代入（3-42）消去V和yS：51表示了溶劑含量與溶劑加入量、溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度以及塔板間液相流率的關(guān)系。

溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度一般很小，當(dāng)≈0時(shí)：

FSDWnn+1n-1m-1m+1m（3-43）類似地，提餾段溶劑濃度：

（3-45）當(dāng)≈0時(shí)：

52分析：將塔分為四部分

精餾段：FSDWnn+1n-1m-1m+1m提餾段：塔釜：溶劑回收段：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。53四、萃取精餾過程的計(jì)算萃取精餾過程特點(diǎn)：

FSDWnn+1n-1m-1m+1m（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(jì)算法（見第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)算得以簡化。作業(yè)：p164第9題54五、萃取精餾實(shí)例環(huán)乙烷對苯的相對揮發(fā)度環(huán)己烷－苯的萃取精餾分離

萃取劑：糠醛糠醛組成，x00.20.60.7環(huán)乙烷／苯0.981.382.352.7553.2.2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(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56一、共沸物的特性與其組成的計(jì)算對于共沸物，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)并不一定對應(yīng)于恒壓下T—x圖上的極值點(diǎn)或恒溫下P—x圖上的極值點(diǎn)。1、二元系（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：57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1＝f(x1,T,P)、2＝f(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。58（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：592、三元系計(jì)算方程：校核方程：60二、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）

無腐蝕、無毒；（6）價(jià)廉易得。61三、共沸精餾流程（一）雙壓精餾如果