3.2特殊精馏

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问题:如何分离α12=1,α12≈1的混合物?
欲分离组分的沸点差<3℃;相对挥发度<1.05
特殊精馏的定义: 在 12 1 和 12 1 的溶液中加入一个新组分
S,使它对原溶液中各组分产生不同作用,从而 改变原溶液组分之间相对挥发度,使系统变的易 于分离。 即:特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的 精馏。
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三、萃取精馏过程分析
1.塔内流量分布
a.溶剂存在下塔内的液汽比大于脱溶剂情况下的液汽比; b.各板下流之溶剂流率均大于加入的溶剂流率,溶剂挥发性 越大,则差值也越大; c.大量溶剂温升导致塔内汽相流率越往上走越小,液相流率 越往下流越大。
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2. 塔内溶剂浓度分布
由于S量大,挥发性小,可视为S浓度恒定作为简化计算。
3.2 萃取精馏和共沸精馏
问题的引出:

分离乙醇~水混合物

分离丁烯-2~丁烷
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。
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(2) 溶剂的选择
(a)考虑被分离组分的极性:(选择在极性上更类 似于重关键组分的化合物作溶剂,能有效地减小重
关键组分的挥发度。)
常见有机物极性增加顺序:




酯Βιβλιοθήκη Baidu

二醇

例:甲醇( 64.7℃)+丙酮(56.4℃)
选烃作溶剂:丙酮难挥发
选水作溶剂:甲醇难挥发
(b)考虑组分间能否形成氢键:(选择能于难挥
形成较强的正偏差溶液( A1s>0),与组分2形成负 偏差溶液( A2s<0)或理想溶液( A2s=0),从而提
高了组分1对组分2的相对挥发度。
(b)稀释作用:
当被分离物系非理想性较大,在一定浓度范围内难 以分离时,加入溶剂后,原有组分的浓度均下降, 减弱了它们之间的相互作用。
ln(αs)=ln(P1s/P2s)T3+ A12(1- xs)(1-2 x1)+ xs(A1s- A2s) Xs足够大时, A12(1- xs)(1-2 x1)一项足够小,因而 突出了ln(P1s/P2s)T3对αs的贡献,也就是突出了组分 1和组分2蒸汽压的差异对相对挥发度的贡献。
溶剂在操作中热稳定性要好(长期循环使用)
不与任何被分离组分发生化学反应
溶剂比(溶剂/进料)不得过大
无毒、不腐蚀、价格低廉、易得等
3. 溶剂选择方法
(1)实验方法 一般以等摩尔组成的溶液加等重量的溶剂,直接测定多 元系的汽液平衡数据,并计算其相对挥发度 (α12)s=(y1x2)/( y2x1 ), (α12)s愈大,则萃取剂的效果愈佳。但 (α12)s 过大会增加萃取精馏设备的投资费用。 (一般取0.6~0.8) (2)用气相色谱法快速测定关键组分在溶剂中的无限稀释 的活度系数和选择性。 (α12)s=(P1S γ1)/(P2S γ2 ) (3)从同系物中选择
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一、定义 萃取精馏:加入组分只起改变挥发度的作用,不与
原系统中的任一组分形成共沸物,沸点高于任一组
分,从釜液离开精馏塔。(溶剂、萃取剂)
共沸精馏:加入组分与原溶液中一个或几个组分形
成最低共沸物,从塔顶蒸出。(共沸剂)
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是否形成共沸物
离开塔的位置
名称
萃取精馏
共沸精馏
不形成
形成
塔底
塔顶
溶剂/萃取剂
共沸物的可能性大。
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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。
不用试差!
i P
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B:二元非均相共沸物(都为正偏差共沸物)
系统正偏差较大时:形成二个液相,一个汽相
三相共存时: f C 2 1 (C 2) 若P或T不变时,f 0
1——形成非均相 共沸物。
2——形成均相共 沸物。
3——不形成共沸 物。
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适用情况:
P1 P2 P共存 P1 S , P2 S;且 x 11 y x 1 P1 P1 P2 1 1 11 11 又 P1 P1S 1 x1 P2 P2S 2 x2 S 1 1 P1 S P1 P1( 11 x1) 有: 1 S 11 11 P2 P x
对于理想气体、非理溶 想液:
s γ 1 p1 α 1 2 ( )( s ) γ 2 p2
( 3 — 20)
s p1 : 组分一定、温度一定 不 ,可 改 变 。 s p2
γ1 只有 增加,α 1 2才 会 增 加 。 γ2
问题:如何增加α12 ?
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三元物系Margules方程
ln(γ1/γ2)s=A21(x2-x1)+x2(x2-2x1)(A12-A21)+
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例1.分离环己烷(1)—苯(2),共沸剂的选取。
沸点:T1=80.8℃ T2= 80.2℃
特点:1、2形成正偏差(或最低)共沸物
(共沸点:T=77.4 ℃ X2=0.54)
方法:
1.找出与1、2形成共沸物的物质。 2.筛选
在所有能形成共沸物的物质中选出共沸点低 于77.4 ℃ 的物质。(丙酮、甲醇)
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4.萃取精馏的操作特点
a)
b)
c)
因塔内萃取剂浓度较大,一般为0.6-0.8,液汽比 远大于普通精馏,两相接触不佳,塔板效率低,为 普通塔板效率一半左右;设计时要注意板上液体流 动水力学问题,以免效率过低。 由于组分挥发度借助萃取剂的量来调节,因此回流 比要严格控制恒定,加大回流比反而降低塔内溶剂 浓度,使分离困难。 溶剂入塔温度要严格控制,会影响内回流的较大变 化,直接影响上升蒸汽量。
lnγ1=x22(0.59+1.66x1)
lnγ2=x12(1.42-1.66x2)
(A)
lg P1S=6.02818-1163.0/(227+t)
lg P2S=7.33827-1652.05/(231.48+t) (B)
(B) γ1, γ2
P=P0
设温度 t
PiS
ln(γ1/γ2)
P≠P0 重设t
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ln(αs)=ln(P1s/P2s)T3+ A12(1- xs)(1-2 x1)+ xs(A1s- A2s)
αs: 溶剂存在下,组分1对2的相对挥发度 T3:三组分物系泡点温度 溶剂作用:
(a)溶剂对组分1和组分2的相互作用不同:
当原有两组分沸点相近,非理想性不大时,加入溶剂
后,xs(A1s- A2s)一项对αs起主导作用,溶剂与组分1
A12,A21 分别代替 A2s,As2 有: As1,A1s
A12 (x2-x1)+xs( A1s - A2s)
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定义相对浓度(脱溶剂浓度):
x1=x1/(x1+x2) x1=x1 (x1+x2)
x2=x2/(x1+x2)
x2=x2 (x1+x2)
绝对浓度: x1+x2 +xs=1,x1+x2 =1
3.相图分析确定:
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分离情况:
丙酮作共沸剂,塔顶分出环己烷与丙酮; 甲醇作共沸剂,塔顶分出三元共沸物。
结论:选丙酮为共沸剂。
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例2.分离氯仿(沸点61.2℃) 丙酮(沸点56.4 ℃),共沸剂的选取。 特点:形成负偏差共沸物。
选二硫化碳为共沸剂: 塔顶:二硫化碳—丙酮 共沸点;39.3 ℃ 塔釜: 较纯的氯仿。
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4、分离共沸物的双塔双压精馏过程
利用不同压力下,共沸组成不同分离。 例:分离甲乙酮—水
相图: 工艺流程图:
共沸物 0.7MPa F
1 常 压
共沸物 2 加 压 MEK
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101.3kPa

物料衡算说明:共沸组成相差越小,则循环流率越大,越不经济。
5、二元非均相共沸物的精馏
系统本身形成非均相共沸物 流程较特殊 例:分离正丁醇(1)—水(2)
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理想共沸剂的特性:
1. 显著影响原组分的平衡关系
2. 共沸剂易回收、分离
3. 量少、汽化潜热小
4. 溶解度大、不起化学反应 5. 无腐蚀、无毒 6. 价廉、易得
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共沸剂的用量
例题:
AH-原料物平线; BD-产品物平线; T-交点,原料与共沸剂总组成; HT/AT-丙酮/进料烃比。
结论:要根据原料组成,严格控制共沸剂加 入量。加多或加少塔底都不能得到纯物质。
x2 -x1= (x1+x2) (x2- x1)=(1- xs)(1-2 x1)
则 ln(γ1/γ2)s= A12(1- xs)(1-2 x1)+ xs(A1s- A2s) 将上式代入α= K1/K2=(P1s/P2s ) (γ1/γ2),得: ln(αs)=ln(P1s/P2s)T3+ A12(1- xs)(1-2 x1)+ xs(A1s- A2s)
醇、水 二元共沸物 进料 X111 X11 丁 水 醇 塔 塔 直接蒸汽 水
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
2 2 2
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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
xs[A1s- As2+2x1(As1-A1s)-xs(A2s-As2)-C(x2-x1)] A12,A21 A1s,As1 二组分系统的端值常数 A2s,As2
C: 三组分系统性质常数
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假定三对二组分溶液均为对称溶液,则: A12=A21 A2s=As2 As1=A1s A12=(A12+A21)/2 令 A1s=(A1s+As1)/2 A2s=(A2s+As2)/2 ln(γ1/γ2)s= 且 C=0
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三、共沸精馏
共沸精馏与萃取精馏的基本原理是一样的,不同 点仅在于:共沸剂在影响原溶液组分相对挥发度同时, 还与他们中的一个或数个形成共沸物。 1、共沸物特征和共沸物组成 a. 共沸点对应共沸组成x=y; b. 过了共沸点,轻、重组分 互换; c. 原料组成在共沸点一侧, 可得一纯组分和一组共沸 物。 y A>B B>A
共沸点
0
x
20
1
2. 共沸组成的计算
A.二元均相: α12=(P1S γ1)/(P2S γ2 )=1
--------共沸组成特征与计算式
所以:
P1S/ P2S=γ2/γ1
或 γ1/γ2=P2S/P1S P=γ1x1 P1S+γ2x2 P2S (3-49) (3-50)
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还有:
例 3-6 试求总压为86.659 kPa时,氯仿(1)—乙醇(2) 之共沸组成与共沸温度。已知:
发组分形成氢键的溶剂。) Ewell根据液体中是否具有活泼氢原子和供电原子, 将液体分为五类(75页),各类液体混合形成溶 液时的偏差情况列于表3-2。
规律:仅有氢键生成
仅有氢键断裂 既生成又断裂
负偏差
正偏差 情况复杂
(c)溶剂的沸点要足够高,以避免和系统中任何组分形
成共沸物。 (d)对溶剂的工艺要求: 溶剂与被分离组分有较大的相互溶解度(防止分层)
共沸剂
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二、萃取精馏
1. 流程
S
S
A
B
1
A+B
B+S
2
S
1:萃取精馏塔
2:溶剂回收塔
5
!注意溶剂加入位置及原因。
(进料上方、回流下方)

萃取精馏流程特点: 1. 二塔串联; 2. S为难挥发组分, 一般在进料上方加入; 3. 溶剂回收段有6-7块塔板。
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2、原理和溶剂选择
(1)原理——溶剂的作用
(A) x ,x 1 2 t,x
计算P
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另外:
★ 已知共沸组成x ,求:P、t i S P 计算 解出 1 2 由x i ( S ) t 2 P1 由t PiS P
★ 已知t时形成共沸物,求:P、x S P 1 解出 计算 2 由t ( ) xi S 2 P1
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