萃取精馏和共沸精馏-分离工程

四、萃取精馏过程的计算
萃取精馏过程特点： （1）物系非理想性强； （2）塔内汽液相流率变化大； （3）相平衡和热量衡算关系复杂。
适于用严格计算法（见第6章）。 有些情况下，特别是当原溶液组分性质相近时，可按二元 精馏方法，用图解法或解析法处理，使计算得以简化。
五、萃取精馏实例
环己烷－苯的萃取精馏分离
代入相对挥发度的表达式，可得有溶剂存在 下组分1和2间的相对挥发度：
三组分物系的泡点温度 无溶剂S时，xS＝0，则二组分体系的相对挥发度：
二组分物系的泡点温度
若（p1S/p2S）与温度关系不大，x1=x1’，则：
（3-24）
溶剂的选择性
提高溶剂的选择性可以： 1）提高xS，即加大溶剂用量——稀释作用； 2）选择适宜溶剂，改变组分相互作用，如使A1S’变大（正 偏差），A2S’变小（负偏差），从而提高相对挥发度。
（2）非均相二元共沸物
除考虑汽液平衡外，还要考虑液液平衡。 计算方程：
校核方程：
联立求解上述三式，可得到共沸温度（共沸压力）和液相组 成。
2、三元系
计算方程：
校核方程：
二、共沸剂的选择
理想的共沸剂应具备以下特性：
（1）显著影响关键组分的汽液平衡关系； （2）共沸剂容易分离和回收； （3）用量少，汽化潜热低； （4）与进料组分互溶，不生成两相，不与进
溶剂的作用：改变组分间的相互作用；稀释作用。
（2）溶剂的选择
1）沸点要较组分的高； 2）与被分离物系有较大的溶解度； 3）一般溶剂浓度>60%，所以成本要低； 4）污染小，环境友好。
三、萃取精馏过程分析
（1）塔内流量分布 精馏段： 总物料衡算：
S
组分物料衡算：
F
或：
D
n-1 n n+1
m-1 m m+1
第n板的液相流率为：
原有液体流率 溶剂量 溶剂温升冷凝的蒸汽量
同理，可以得到提馏段第m板的液相流率为：
③A 液相流率越往下越大。
精馏段的汽相流率：
提馏段的汽相流率：
S
③B汽相流率越往下越大，即越往上 F 越小。
D
n-1 n n+1
m m-1 m+1
W
（2）塔内溶剂含量分布
假定：1）恒摩尔流； 2）（xS)D=0
W
将上式的浓度改为脱溶剂的相对浓度：
（3-29）
以l代表液相中原溶液组分之流率，以v 代 表汽相中原溶液组分之流率，即：
则： 当(xS)D=0 时：
S F
（3-32）
D
n-1 n n+1
m m-1 m+1
W
比较（3-29)式和（3-32）式：
（3-29）
可得：
（3-32）
（3-33）
因为S为重组分，(yS)n+1<(xS)n ，所以：
3.2 萃取精馏和共沸精馏
3.2.1 萃取精馏 3.2.2 共沸精馏
3.2.1 萃取精馏
一、流程
二、萃取精馏的原理和溶剂的选择
（1）溶剂的作用 设组分1和组分2组成的混合物，加入溶剂S进行分离。 常压下的相对挥发度：
代
液相活度系数可由三组分Margules方程求算：
入
组分1的脱溶剂浓度x1’=x1/(x1+x2)
溶剂对非溶剂的相对挥发度一般很小，当≈0 时：
类似地，提馏段溶剂浓度：
（3-45）
当≈0 时：
分析：将塔分为四部分
溶剂回收段：
D
精馏段： 提馏段：
S
n-1 n n+1
F
m m-1 m+1
塔 釜：
W
x x 当进料为饱和蒸汽时，
；
当进料为液相或汽液混合物时， S S 。
xS xS
溶剂在塔釜中浓度有明显跃升。
图3-33 分离非均相共沸物的流程
（三）其他
均相共沸物需要用萃取等方法来分离。 为了得到高纯的塔底产品，采用稍过量的共沸剂，再增加一 个溶剂回收塔，往往是一个行之有效的方法。
四、共沸精馏的计算
共沸物精馏体系非理想性强、组分多、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量多，不宜使 用简捷法，而严格计算也变得非常复杂。
五、共沸精馏实例
① 溶剂存在下塔内的液汽比大于脱溶剂情况下的液汽比。 对溶剂作物料衡算： 当（xS)D=0 时：
设Sn=Ln(xS)n，即n板下流液体中溶剂的流率：
可见：Sn>S ②各板下流之溶剂流率均大于加入的溶剂流率，且溶剂挥 发度越大，差值也越大。
萃取精馏中，溶剂沸点高，溶剂量大，下流 过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽， 使塔内流率发生明显变化。
一、共沸物的特性与其组成的计算 二、共沸剂的选择 三、共沸精馏流程 四、共沸精馏的计算 五、共沸精馏与萃取精馏比较
一、共沸物的特性与其组成的计算
对于共沸物，混合物的蒸汽压－组成曲线上之极值点相当 于汽、液平衡相的组成相等。
多元共沸物汽液相组成相等点并不一定对应于恒压下T—x 图上的极值点或恒温下P—x 图上的极值点。
料中组分起化学反应； （5）无腐蚀、无毒； （6）价廉易得。
三、共沸精馏流程
（一）双压精馏 如果压力变化明显影响共沸组成，则采用两不同压力操作的 双塔流程，可实现二元共沸物完全分离。
图3-31 双压精馏流程
（二）二元非均相共沸物的精馏
如果二组分能够形成非均相共沸物，那么不必另加共沸剂便 可实现二组分的完全分离。
1、二元系 （1）二元均相共沸物
系统压力不高时，汽相视为理想气体：
共沸点处：
即：
或
——计算方程
？已知总压P，如何求共沸组成x和共沸温度T
1）假定T； 2）计算P1S和P2S； 3）由1＝f(x1,T,P)、2＝f(x1,T,P)和1/2 =P1S/P1S计算x1；
4）代入：
——校核方程
5）如上式成立，则结束计算，如不成立，则假定新的T，继 续试差计算。
S
精馏段物料衡算：
F
（3-26）
（3-41）
D
n-1 n n+1
m m-1 m+1
W
溶剂与原溶液之间的汽液平衡关系： （3-42）
溶剂对非溶剂的 相对挥发度
将（3-26）式和（3-41）式代入（3-42）消去V 和yS：
（3-43）
表示了溶剂含量与溶剂加入量、溶剂对非溶 剂的相对挥发度以及塔板间液相流率的关系。
乙醇－水共沸精馏
乙醇－水溶液共沸点：78.3℃；共沸组成：乙醇 0.894； 水 0.006。乙醇－水－苯共沸点：64.6℃；共沸组成：乙 醇 0.23；水 0.226；苯 0.544。
萃取剂：糠醛
O CHO
环乙烷对苯的相对挥发度
糠醛组成，x 0 0.2 0.6 0.7
环乙烷／苯
0.98 1.38 2.35 2.7
3.2.2 共沸精馏
共沸精馏又称恒沸精馏。
分离原理： 与萃取精馏基本相同，不同之处是共沸剂（夹带剂，携
带剂）在影响原溶液组分的相对挥发度的同时，还要与原溶 液中一个或多个组分形成共沸物。