特殊精馏方法介绍资料

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11 特殊精馏

11 特殊精馏
特殊精馏
1
第1页
特殊精馏
一般的蒸馏或精馏操作是以液体混合物 中各组分的相对挥发度差异为依据的。组 分间挥发度差别愈大愈容易分离。 但对某些液体混合物,组分间的相对挥发 度接近于1或形成恒沸物,以至于不宜或 不能用一般精馏方法进行分离。则需采用 特殊精馏方法。
第2页
特殊精馏
特殊精馏方法有膜蒸馏、催化精馏、吸附 精馏、恒沸精馏、萃取精馏、盐效应精馏 等。 对恒沸精馏、萃取精馏、盐效应精馏都是 在被分离溶液中加入第三组分以加大原溶 液中各组分间相对挥发度。
第14页
流程收敛
• 介绍概念
✓模块收敛(convergence blocks) ✓撕裂流股(tear streams) ✓流程顺序(flowsheet sequences)
第15页
流程收敛
评估流程的收敛性,需确定
• 计算顺序 • 撕裂流股 • 求解的迭代次数 • 收敛容差 • 收敛的计算方法
关于流程收敛性的所有信息都会写入控制面板(Control Pan nel)
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流程收敛---收敛模块
• 每个设计规定和撕裂流都有一个相关联的收敛模块 • 收敛模块确定撕裂流估算初值或设计规定中控制变
量值在逐次迭代过程中的更新方法。 • Aspen Plus定义的收敛模块的名字以字符“$.”开

• 用户定义的收敛模块的名字一定不要用字符“$.”开头 。
• 要确定由Aspen Plus定义的收敛模块,请看Control Panel(控制面板)信息中的“Flowsheet Analysis (流程分析)” 部分。
第24页
特殊精馏—多效精馏
• 例题:
甲醇分离塔,要将60wt%甲醇水溶液提纯。分别用单塔 和双效塔进行分离,并比较当两种产品一致时的能量 利用情况。已知条件: 进料温度为20C,压力为101.325kPa,流率为100kg/h 。单塔的压力为101.325kPa,理论板数为22, 进料板 位置为11, 塔顶产品流率为63kg/h,摩尔回流比为0. 65.

特殊精馏方法介绍

特殊精馏方法介绍

(2-162) ln 12 p1s (1 2 x1 ) ln( s ) Ts A12 p2 (2-161)
讨论溶剂S对 1, 2 的影响:
第三项: x ( A A ) 反映了溶剂S对组分1,2不同作用效果.
s 1S 2S
使 1, 2 / s 1 A1s 0
3)当三元系中有二对二元最低恒沸物,而另一对是二元最 高恒沸物时,压力曲面上就可能出现“谷”;温度曲面 上 就可能出现“脊”; 当三元系中有二对二元最高恒沸物,而另一对是二元最 低恒沸物时,温度曲面上就可能出现“沟”;压力曲面 上 就可能出现“脊”;
2.恒沸点的预测
12
恒沸点时: 12 1 ki ˆV i P
sn x s
结合(2-164)和(2-167) 精:
xs S D sn (1 sn ) L 1 xs
(2-168)
S
RDxs (1 sn )
D sn x s
(1 x s )
1 (1 sn ) x s
(2-169)
提:
xs
其中:
S (1 sn ) L
xs [A 1s A s2 2x1(A s1 A 1s ) xs (A 2s A s2 ) C(x2 x1)]
若 r~X 曲线近似对称,即 Ai,j=Aj,i , C=0
A1, 2 A2,1 A12
A12 A1, 2 A2,1 2
S A1, S AS ,1 A1
V i
0
ˆ P
0
1, 2
V 0 ˆ K1 2 1 f1 V ˆ f0 K2 1 2 2
一般萃取精馏操作压力不高,所以

特殊精馏

特殊精馏

第四章特殊精馏精馏过程是利用组分间相对挥发度的差异达到分离提纯的目的,但是有时所处理的物料会是以下各种情况:(1)各组分的相对挥发度差异极小,相对挥发度接近于1;(2)相对挥发度等于1,能产生共(恒)沸物;(3)在通常的操作条件下分离组分会分解或发生化学变化。

这时如果采用普通精馏方法,则或者无法分离得到纯组分,或者即使能得到纯组分,但都是十分不经济的和不实际的,需要许多块塔板。

对于这类液体混合物的分离则需要采用特殊的精馏方法即本章讨论的—恒沸精馏和萃取精馏。

定义:特殊精馏的原理是在原溶液中加入另一溶剂,由于该溶剂对原溶剂中关键组分作用的差异,这样就改变了关键组分间的相对挥发度。

因此,就可以用精馏方法分离关键组分。

这种加入第三组分溶剂以后实现将组分分离的精馏被称为特殊精馏。

如果加入的溶剂和原溶液中一个或几个组分形成新的最低共恒沸物,从塔顶蒸出,这种精馏操作被称为共恒沸精馏,所加入的溶剂称共恒沸剂或夹带剂。

如果加入的溶剂仅改变各组分间的相对挥发度,并不产生新的共恒沸物,一般该溶剂的沸点均比较高,故随塔底产品流出,这种精馏操作被称为萃取精馏,所用的溶剂为萃取剂。

共沸精馏与萃取精馏实质上都是多组分非理想溶液的精馏,计算这类精馏过程所用的基本关系仍是相平衡物料衡算和热量衡算,但若保持适当的溶剂浓度,除加料口外,一般均有共沸剂或萃取剂入口,因此是一个多股进料的复杂塔。

第一节萃取精馏及其计算3.1.1萃取精馏的基本原理萃取精馏是在原溶液中加入萃取剂S后,改变了原溶液中关键组分的相对挥发度(改变了组分间的相互作用力),从而达到把组分分离的一种特殊精馏操作。

萃取剂不和原溶液中任一组分形成共沸物,但萃取剂改变了原溶液中关键组分之间的相对挥发度。

萃取剂的沸点均比原溶液中任一组分的沸点高,所以它随塔底产品一起从塔底引出,萃取精馏主要用来分离组分间相对挥发度接近于1,却相对含量又比较大的物系。

如丁烯(1)、丁二烯(2),常压沸点-6.3℃、-4.5℃,α=1.03。

特殊精馏(

特殊精馏(

按萃取剂的萃取原理,通常希望所选的萃取
剂应与塔釜产品形成理想溶液或具有负偏差的非 理想溶液。与塔釜产品形成理想溶液的萃取剂容
易选择,一般可由同系物或性质接近的物料中选
取。对萃取精馏希望萃取剂与塔顶组分1形成具
有正偏差的非理想溶液,且正偏差越大越好。

例如甲醇-丙酮(甲醇沸点64.7℃,丙酮沸点56.4℃)溶液 具有最低共沸点,t恒=55.7℃、x(CH3OH)=0.2的非理想溶 液,如用萃取精馏分离时,萃取剂可有两种类型




(1)挟带剂应能与被分离组分形成新的恒沸液, 其恒沸点要比纯组分的沸点低,一般两者沸点差 不小于10℃; (2)新恒沸液所含挟带剂的量愈少愈好,以便减 少挟带剂用量及气化、回收时所需的能量; (3)新恒沸液最好为非均相混合物,便于用分层 法分离; (4)无毒性、无腐蚀性,热稳定性好; (5)来源容易,价格低廉。

由于加入的萃取剂是大量的(一般要求xs>0.6), 因此塔内下降液量远大于上升蒸汽量,造成汽液 接触不佳,设计时要考虑塔板及流体动力情况。 由于组分间相对挥发度是借助萃取剂的加入量来 调节,当塔顶产品不合格时,不能采用加大回流 的办法调节,一般调节方法:①加大萃取剂用量; ②减少进料量,同时减少塔顶产品的采出量;
精馏是化工过程中重要的分离单元操作,其 基本原理是根据被分离混合物中各组分相对挥发 度(或沸点)的差异,通过一精馏塔经多次汽化 和多次冷凝将其分离。在精馏塔底获得沸点较高 (挥发度较小)产品,在精馏塔顶获得沸点较低 (挥发度较大)产品。但实际生产中也常会遇到 各组分沸点相差很小或者具有恒沸点的混合物, 用普通精馏的方法难以完全分离。此时需采用其 他精馏方法,如恒沸精馏、萃取精馏、溶盐精馏 或加盐萃取精馏等。

特殊精馏方式

特殊精馏方式

分离原理
过程 特点
4.常温下呈固态或粘性很大的物质分离
5.产品与催化剂的分离
应用
共沸精馏
共(恒)沸精馏
分离原理
分离原理:在体系中加入一个新的组分 (称为共沸剂),共沸剂与待分离的组分 形成新的共沸物,用精馏的方法使原体系 中的组分得到分离。 特点
共沸剂
共(恒)沸精馏
分离原理
1.显著影响关键组分汽液平衡关系 2.新恒沸液所含挟带剂的量愈少愈好,减 少挟带剂用量及气化、回收时所需的能量 共沸剂
特点:萃取剂比挟带剂易于选择
萃取剂基本上不汽化,耗能量较恒沸精馏少
萃取精馏操作较灵活,易控制,适宜连续操作
反应精馏
反应精馏
分离原理
分离原理: 反应蒸馏是进行反应的同时 用精馏的方法分离出产品的过程 条件
类型:利用精馏促进反应 通过反应来促进精馏分离
特点
反应精馏
分离原理
基本条件: 1.生成物的沸点必须高于或低于反应物 2.在精馏温度下不会导致副反应等不利影 响的增加 条件
特点
使被分离组分间的相对 挥发度产生比较显著的变化。 ②溶解度大,能与任何浓度的原溶液完全 互溶,以充分发挥各块塔板上萃取剂的作 用。 ③本身的挥发性小,使产品中不致混有萃 取剂,也易于和另一组分分离。 ④其他经济和安全要求。 萃取剂
特点
项目简介 分离原理
萃取剂 特点
3.新恒沸液最好为非均相混合物,便于分 层法分离。
4.无毒性、无腐蚀性、热稳定性好 5.来源容易,价格低廉
特点
共沸精馏 分离原理
共沸剂
特点
特点:共沸精馏从塔顶蒸出,消耗热能大 既可以连续,也可以间歇。 温度比较低,易于分离热敏性物料。

3.2特殊精馏

3.2特殊精馏
醇、水 二元共沸物 进料 X111 X11 丁 水 醇 塔 塔 直接蒸汽 水
2 2 2
25
S
若互溶度很小:
1 11 1 11 x1 1, x2 1则: 1 1, 2 1 S 1 P1 x2 E S 11 1 ( 3 54) P2 x 2
二元非均相共沸物特征
可用(3 54)定性分析:
★ 若E 1,形成非均相共沸物。 ★ P S 相差小,且互溶度小,形成 i
a.提高板上溶剂浓度的主要手段是增加溶剂的进料流率, 但增加了溶剂回收段的负荷和回收溶剂的难度; b. 增大回流比并不总是提高萃取精馏分离程度,对于一定 的溶剂/进料,通常有一个最佳回流比; c.溶剂浓度在再沸器中发生跃升,不能以塔釜液溶剂浓度 当作塔板上溶剂的浓度。
新教材117-120,旧教材76-78页
共沸物的可能性大。
26
3、共沸剂的选择
一般原则: 1.分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物 a.共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物。 b.分别与两组分形成二元正偏差共沸物,且共沸 点有明显差别。(>10℃) c.与两组分形成三元正偏差共沸物,共沸点温度 显著低。 2.分离二元正偏差共沸物 a.共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物,共 沸温度明显低。 b.形成三元正偏差共沸物,共沸点温度显著低。
某板: y醇 x醇 0.894 o t 78 . 15 C 呈共沸现象 12 1, 普通精馏得不到高 含量的醇。
沸点:丁烯: 273.9 K 丁烷: 272.5 K 12 1 若x F 0.5;x D烷 0.95 需N 300块 — 生产上难采用。
不用试差!
i P
23
B:二元非均相共沸物(都为正偏差共沸物)

新型分离技术--第3部分-特殊精馏技术

新型分离技术--第3部分-特殊精馏技术

产物外观(纯度)
分子蒸馏装置
刮膜式分子蒸馏器 利用刮膜器将料液在蒸发面上 刮成厚度均匀且连续更新的涡 流液膜,大大增强了传质和传 热效率,能有效控制液膜的厚 度、均匀性及物料的停留时间。 目前应用最广。
分子蒸馏的应用
如鱼油中 EPA(二十 碳五烯酸) 和DHA(二 十二碳六烯 酸的分离精 制); 鱼肝油、小 麦胚芽油、 维生素、辣 椒红色素、 玫瑰油等的 提取分离
二异丙苯
丙烯
异丙苯
异丙苯、丙烯
1-催化精馏塔 2-异丙苯塔 3-多烷基苯塔 4-反烃化反应器
二异丙苯等
异丙苯、二异丙苯等
4 分子蒸馏
分子蒸馏又称短程蒸馏,是在高真空下进行,根据分子运动平 均自由程的差别,使液体在远低于沸点的温度下蒸馏分离,受 热时间短,特别适于处理高沸点及热敏性物系。 基本原理:不同分子的有效直径不同,平均 自由程也有差异,即混合液的分子受热后从 液面逸出,不与其它分子发生碰撞所运行的 距离是不相同的。一般来讲,轻分子的平均 自由程比重分子大,若在离蒸发面小于轻分 子平均自由程而大于重分子平均自由程处设 置一个冷凝面,轻分子可到达冷凝面,破坏 平衡,使其继续逸出。而重分子则不能到达 冷凝面,很快会与液相重分子处于动态平衡, 表观上不再从液面逸出,从而使混合物得以 分离。

苯烷基化制异丙苯
苯(A)与丙烯(B)催化反应合成异丙苯(C),苯 的沸点远大于丙烯,故苯从反应段上部进料,可 只设反应段和提馏段。 烷基转移反应过程中同时伴有烷基转移反应: 烷基化反应:A+B→C(主);B+C→D(副) 烷基转移反应:A+D=2C(副)D为二异丙苯; 催化填料为酸性沸石或酸性阳离子树脂
废水处理

特殊精馏

特殊精馏

相对挥发度 接近1的体系
0
x
1.0
y
0
x
1.0
2
一.共沸精馏(Azeotropic Distillation)
恒沸现象:指溶液在一定的压力下进行汽化时,平 衡的汽相组成和液相组成相等, 温度始终不变。
恒沸现象的形成是由于组成溶液的各组分的分子 结构不相似, 在混合时引起与理想溶液发生偏差所致。 如果溶液对理想溶液发生正偏差 ,组分在汽相中 的分压比拉乌尔定律预计值大,则形成最低恒沸物(常 见)。 如果溶液对理想溶液发生负偏差,组分在汽相中的 分压比拉乌尔定律预计值小,则形成最高恒沸物(少 见)。
9
萃取剂作用原理: 通过改变两组分的活度系数来提高相对挥 发度(如使一组分活度系数增加而使另一组分 的活度系数降低),而活度系数的大小是由分 子间作用力的大小决定的(作用力增大则活度 系数减小)。 分子间作用有①物理和②化学作用两类, 物理作用主要指范德华力,化学作用主要指氢 键和络合作用。
10
例:用糠醛(沸点161.7℃)作萃取剂分离环己烷-苯
5
例:以苯为夹带剂分离乙醇-水共沸物
流程:料液和苯分别加入共沸精馏塔,该塔底得到乙
醇,塔顶得到苯、乙醇和水的三元共沸液, 冷凝后在
分层器中形成俩个液层 ,上层(苯层)作为回流进入
共沸精馏塔,下层(水层)进入苯回收塔,该塔顶也 得到苯、乙醇和水的三元共沸液,塔底得到稀的乙醇
水溶液,作为进料进入乙醇回收塔,该塔底得到水,
盐的回收通常采用蒸发、结晶、干燥等。
18
例:盐效应精馏制无水乙醇 无水乙醇
乙醇-水
水+盐

19
盐效应精馏的优点: 盐提高相对挥发度的效果好,所需的量较 少 , 一般只有原溶液的百分之几,而萃取 精馏中萃取剂的用量达原溶液的 60%~80% , 故溶盐精馏的设备尺寸较小。 盐不挥发,从塔底流出,不污染塔顶产品。 盐的选择范围更广。
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x2
(2-171)
一般:1s , 2s 相当大,所以 sn 0 .
xs
S L
xs
S L
当饱和蒸汽进料时 L L , xs xs
计算步骤: 塔顶1s , 2s ( sn ) D
加料1s ,2s (sn)F
(2-162) (2-171)
sn
S(xs)
(2-169)
(2)理论板简捷计算(N)
S RDxs (1 sn ) D sn xs (1 xs ) 1 (1 sn )xs
(2-169)
提:
S
xs (1 sn )L sn B(1 xs )
(2-170)
其中:
精: 塔顶,进料
sn (sn )D (sn )W
提: 进料,塔底
( sn
)
1s
x1 x1
x2
2s
2. 1,2 1 (恒沸点)
例:乙醇-水
A1,2 0
(正偏差)
0.9
x1 0.9 0.5 (恒沸组成)
yi
A12
(1
2x1)(1
x S
)
因为: A1,2 0
xi 0.9
(1 2x1) 0
所以: 12/ s
(起不利作用)
而: (1 xs ) 称为溶剂的稀释作用,削弱不利因素。
溶剂的作用:
(1)利用 S 与组分 1,2 的不同作用使 A1s A2s 0
(2)溶剂的稀释作用,xs 越高效果越好 但生产能力降低,一般 xs=0.6~0.8
2.溶剂的选择
要求:
(1) 溶剂选择性高.
(2)易再生,稳定性好.
(3)价格低,毒性小,无腐蚀性
溶剂选择方法(定性)
1)(Ewell)的液体分类法
1,2 / s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(
p1s p2s
)Ts
(
1 2
)s
(2-156)
1,2 / s
溶剂选择性= 1, 2
( 1 2 ) s ( 1 2 )
(2-157)
溶剂的存在使得活度系数发生了变化.
以三元马古斯方程为例:
ln 1 2
A21 (x2
x1 ) x2 (x2
2x1 )(A12
A21 )
ys
Lxs S LDS
(2-164)
相平衡
ys=ksxs yn=knxn
(溶剂) (非溶剂)
相对挥发度 sn ks kn
(2-166)
联例求解:
ys
sn xs ( sn 1)xs
1
(2-167)
结合(2-164)和(2-167) 精:
xs
S
(1 sn ) L
D sn
1 xs
(2-168)
xs[A1s As2 2x1(As1 A1s) xs(A2s As2) C(x2 x1)]
若 r~X 曲线近似对称,即 Ai,j=Aj,i , C=0
A1,2 A2,1 A12
A1,S AS ,1 A1S
A1 2
A1,2
2
A2,1
A1 S
A1,S
2
AS ,1
A2,S AS ,2 A2S
(2-161)
讨论溶剂S对 1, 2 的影响:
第三项: x (A A )
s 1S
2S
反映了溶剂S对组分1,2不同作用效果.
使 1,2 / s 1 A1s 0 A2s 0
(正偏差) (负偏差或理想溶液)
xs
1,2 / s
第二项:(1 xS ) 1.对 1 (全浓度范围)
1, 2
对这类系统一般 A1,2 0,必须依靠第三项 但由于分子结构相似很难找到合适溶剂。
2)从同系物中选择使溶剂S与塔底组分形成理想溶液 即: A2s 0或 A1s 0
3)从分子结构相似(或极性相似)的概念选择溶剂 常见有机化合物按极性增加的顺序排列为: 烃→醚→醛→酮→醇→二醇→水
4)对于多元系 一般将多元系的问题简化为两个关键组分和溶剂 组成的三元系,在选择溶剂时,同样能得到满意 的结果。
A2 S
A2,S
2
AS ,2
组分 1,2 用脱溶剂浓度表示:
x1
x1
x1 x2
代入(2-156)
x2
x2 x1 x2
ln12/s ln(pp12ss )Ts A12(12x1)(1 xs ) xs (A1s A2s )
(2-162)
ln 12
ln(
p1s
p
s 2
) Ts
A12 (1 2 x1 )
盐精馏
加盐 , AB
2.4.1萃取精馏
问题: 1.原理

2.溶剂选择
S
A
3.计算
A+B

B+S
1.原理
Ki
i fi0
ˆ
V i
P
1,2
K1 K2
ˆ
V 2
1
f10
ˆ
V 1
2
f
0 2
一般萃取精馏操作压力不高,所以
ˆ Vi 1 , fi0 Pi s
1,2
1 p1s
2
p
s 2
(2-155)
加入溶剂后:
xD,10.99
R
图(2-25) 回流比对馏出物纯度的影响
2.4.2 恒沸精馏
恒沸精馏: 加 S 12
溶剂和原料中某些组分形成恒沸物
1s 1 或 2s 1
1.相图
三元汽液平衡的相图用正三棱柱表示, 纵轴为温度,底为正三角形表示组成.
上曲面是露点面
T
3.萃取精馏计算(简捷计算法)
解决:溶剂用量S和理论板计算.
(1)溶剂用量计算(S) 假定:

1. xs , xs 恒定
S
V,ys
F
D,XDS
L,xs
2. xDS 0 3. S 是纯溶剂 4.塔内恒摩尔
流.
V , ys
L , xs

B
精馏段:
总物料衡算 对溶剂(S)
联例求解:
V+S=L+D
Vys+S=Lxs
2.4 特殊精馏
对有些需采用特殊精馏的物系通过 改变操作条件和工艺仍可采用普通 精馏.
1.相对挥发度随压力变化比较大. 2.恒沸组成随压力变化. 3.恒沸物是非均相.
特殊精馏
既加入热能又加质量分离 剂的精馏
分类:
萃取精馏 加 S , 使 AB
恒沸精馏 加 S , AS 1, AB
水蒸汽精馏 加水 , Ps 油 T
假定: 溶剂只改变原料中各组分的 相对挥发度,所以计算方法同 普通精馏.
计算 N: 12 / s , xi
Nm Rm
N
S: sn , xi
S
1. 萃取精馏的操作特点
溶剂浓度 xs 回流比 R
, 12 / s , xs
所以回流比萃取精馏的影响与普通精馏不同,有一最佳值.
1.00
乙醇(1)~水(2)~乙二醇(S)
类型Ⅰ:能形成三维强氢键网络的液体; 类型Ⅱ:同时含有活性氢原子和施主原子(氧、氮
和氟)的分子组成的液体; 类型Ⅲ:分子中仅含施主原子的液体; 类型Ⅳ:分子中仅含活性氢原子的液体,这些分子
中一个碳原子上连接2或3个氯原子,或在 一个碳原子上连接一个氯原子,但在相邻 碳原子上连接一个以上氯原子; 类型Ⅴ: 其它液体,它们没有形成氢键的能力。
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