第三章3 多组分多级平衡分离过程分析与简捷计算
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h h
⑵吉利兰法
3.3
Nm
xl Dl W h xh lg( ) D ( ) W lg( )( ) xl xh D h Wl lg lh lg lh
El Eh lg 1 E l 1 E h lg lh
特 殊 精 馏
⑶恒沸组成的计算
• 恒沸点时： 12 1
3.3
Pi S f (T ), i f ( xi )
1 P2S S 2 P1
特 殊 精 馏
a 求T、P下的恒沸组成
Pi S ，代入 i f ( xi ) 已知T，求出 及关联式，求解 x i
x i 有物理意义，则有恒沸物产生
xB 1 (xS x A )
SB
PSS S
S PB B
• 计算步骤： • A 根据恒沸剂的性质，求C。 • B 等分取 x SA 为0.1、0.2、0.3…..0.9、1.0，求
x SA xS 1 C
x A C xS
xB 1 (xS x A )
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
a 压力-组成立体图 B 恒温下的等压三角相图
三个二元最低共沸物(m1,m2,m3)及一个三元最低共沸物(m)相图
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
压力组成立体图
P3*>P2*>P1*,Pm1>Pm2,沿m1-m2有脊
恒压下的等温线三角相图
3.3
1
P1S P2S
1
1 P1S
2 P2S
1
P2S P1S
1
2
特 殊 精 馏
最高沸点体系： 1
1
甲苯-乙腈 3.93
P2S P1S P2s
1
2
1
2
P1S
最低沸点恒沸物
0.287
2.807
甲苯-丙酮
1.96
0.515
6.897
不形成恒沸物
⑴图解法
• C 查出各组分物系之 Aij 求得 A B 及
3.3
S B
特 殊 精 馏
Pi S D 根据恒沸点温度T，求出各饱和蒸汽压
分别求 AB , SB E 计算 y B ，再按 y SA 1 y B 求 y SA F 将一系列 x SA y SA 数据列表并作图 G 计算最小回流比，再取 R (1.2 2) Rm
①恒沸剂用量的确定
S FM F SM
3.3
特 殊 精 馏
SA MB • 塔顶产品SA量： M SA B
FM S F SM
xM xB MB SA M M x SA x B SA B 塔釜产品W量：
B SA M M SA B
x SA x B SA M BM M x SA x M SA B
• 2、怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量。 • 3、恒沸精馏的基本原理，说明沸点相近和相对 挥发度相近是否为同一概念。
• 4、当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏 都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同， 为什么？ • 5、请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。
恒沸精馏过程最好形成最低沸点恒沸物 还是最高沸点恒沸物? 恒沸物组成与压力有关吗？ 通过改变压力能使恒沸点消失吗?
j
20% 40%
80% 60% 40% 20%
60%
80%
i
20%
40%
60%
80%
k
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
• 用正三棱柱表示 • 底面的正三角形表示组成，立轴表示压 力（恒温系统）或温度（恒压系统） • 分别用压力面或温度面表示物系的汽液 平衡关系。 • 由于恒沸物的产生，使图上的压力（温 度）面上出现上突或下陷，且使压力面 上出现脊或谷
F x FB M x MB
x MB F x FB SF
①恒沸剂用量的确定
3.3
特 殊 精 馏
• 合理的恒沸剂加入量应该是使塔釜组成 W恰好落在三角相图的一个顶点，即组 分B上，根据杠杆原理进行物料衡算 • 利用相图，作F与S连线BS及A连线，两 线交点M便是总物料点，再由杠杆规则 确定恒沸剂S的用量
P2S 2
恒沸点： 12 1
P1S P2S
特 殊 精 馏
x1 0, 2 1, 1 1 , ( 12 ) x1 0 1
x 2 0, 1 1, 2 2 , ( 12 ) x2 0
1 P1S
2
S P2
⑵判断
• 最低沸点体系： (12 ) x1 0 1 (12 ) x1 1
T1>T2>T3,Tm1<Tm2,m1-m2有谷
具有两个二元正偏差共沸物的三元系相图
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
压力组成图 恒压下的等温线三角相图
形成鞍形共沸物的三元系相图
③恒沸组成与压力的关系
3.3
特 殊 精 馏
• 恒沸物组成是指在某一定压力下的，不 同的压力下恒沸物的组成、温度均会有 所改变，压力变化到一定程度可以使恒 沸点消失 • 定性规律：最低沸点恒沸物，压力升高 时，恒沸物组成中分子（摩尔）汽化潜 热大的组分增大 • 反之亦然
2、恒沸剂的选择
• ①必须与原溶液中至少一组分形成最低 恒沸物，且其沸点较低 T 10 ℃
3.3
特 殊 精 馏
②恒沸剂在恒沸物中的比例越小越好， 且汽化潜热应小，使恒沸剂的用量少
③恒沸剂易分离和回收，即形成非均相恒沸物 ④无毒、无腐蚀、热稳定性好，价廉易得
3 、恒沸精馏流程
• ①二元非均相恒 沸物的精馏 • 不加恒沸剂 • 利用温度降低后 恒沸物出现相分 离现象
• 1、二元非均相恒沸精馏的图解法，化工 设计，1993年02期 • 2、二元非均相共沸物分离过程模拟计算， 化学工程，1994年05期 • 3、几何法设计共沸精馏塔，天津化工， 2001年01期 • 4、分离共沸混合物，化工设备与管道， 2001年03期
• 1、什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸 精馏流程。
4.恒沸精馏的计算
• • ①恒沸剂用量的确定 恒沸剂用量应保证与被分离组分形成恒 沸物时的需要
3.3
特 殊 精 馏
①恒沸剂用量的确定
M F S
3.3
特 殊 精 馏
• S组分物料衡算： S M x MS
S S x MS M SF A B组分物料衡算： F x FA x MA F x FA M x MA SF
⑶恒沸组成的计算
• b 恒压下求恒沸温度与组成
3.3
P
S 1 x1 P1
S 2 x 2 P2
S
Pi i xi Pi
S
特 殊 精 馏
设T，求出相应的 Pi ，代入关联式求解 x i S 判断已知的P是否等于 i xi Pi 不相等，则调整T
②三元恒沸物
• ⑴三元物系组成表示方法 • 3.3 用正三角形或直角三角形 来表示三元组成，正三角 特 形的每个顶点1、2、3均 殊 代表纯组分，顶点对面的 精 底线之间划等浓度线表示 馏 各顶点组分的浓度
⑵判断
3.3
• 均相恒沸物的特征：恒沸点 12 1, y1 x1 a根据体系的压力
P1 S P P2 S
P P1S P2S
特 殊 精 馏
不形成恒沸物
形成最低沸点恒沸物 形成最高沸点恒沸物
P P1S P2S
⑵判断
• b根据无限稀释活度系数
3.3
12
1 P1S
1、恒沸物
•
3.3 •
特 殊 精 馏
• • •
恒沸物是指在一定压力下，汽液相组成与沸腾 温度始终不变的这一类溶液 ①二元恒沸物 ⑴相图 二元恒沸物的性质： 混合物的蒸汽压Biblioteka Baidu成曲线上之极值点相当于汽、 液平衡相的组成相等。且温度的极大（或极小） 总是相当于压力的极小(或极大）值
⑴相图
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
② 分 离 有 恒 沸 剂 的 非 均 相 恒 沸 物
③分离均相恒沸物
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
分离对象？ 苯—环己烷 分离手段？ 恒沸精馏 恒沸剂？ 丙酮 恒沸物的类型？
均相 辅助分离手段？ 液液萃取 萃取剂回收？ 普通精馏
④塔顶产品为三元恒沸物的分离
第三章 多组分多级平衡分离过程分 析与简捷计算
第三节
特殊精馏
Special rectification
二、恒沸精馏
3.3
特 殊 精 馏
• 恒沸精馏是在原溶液中添加恒沸剂S使其 与溶液中至少一个组分形成最低（最高） 恒沸物，以增大原组分间相对挥发度差 的非理想溶液的多元精馏 • 形成的恒沸物从塔顶（塔釜）采出，塔 釜（塔顶）引出较纯产品，最后将恒沸 剂与组分分离。
H 图解法求得理论板数
⑵吉利兰法
3.3
• 计算原理同精馏方法，但可用回收度来 计算 D W
El
l
Fl
, Eh
h
Fh
特 殊 精 馏
Fl Dl Wl , Fh Dh Wh Wl Dh 1 E l , 1 Eh Fl Fh Dl El Dh 1 E h Wl 1 E l W E
②恒沸剂引入位置
3.3
特 殊 精 馏
• ⑴恒沸剂挥发度小，可在靠近塔顶部分 引入，从而保证塔内有足够的恒沸剂浓 度。
• ⑵恒沸剂为最低恒沸物，则恒沸剂分段 引入，一部分随进料另一部分在提馏段。 • ⑶恒沸剂与两个组分都形成恒沸物，则 在塔任何地方均可引入
③恒沸精馏理论板数的计算 （简捷法）
3.3
y SA 1 y B
假定：三组分物系中 x A 与 x S 的比值和 SA恒沸物中组分A与组分S的相对量一样
C x A xS
x A C xS
x SA x A x S (1 C ) x S
xB 1 (xS x A )
⑴图解法
3.3
特 殊 精 馏
x SA xS 1 C S PA A AB S PB B
③恒沸组成与压力的关系
3.3
特 殊 精 馏
• 乙醇-水物系为正偏差且有极值点的非理 想溶液，在760mmHg下 ， • t共=78.1℃，x乙醇=0.9
H 水 9920Kcal Kg H乙醇 9320Kcal Kg
压力降低，使恒沸组成中乙醇量增加 当P=70mmHg，x乙醇=1.0，恒沸点消失
• 同理： D l
Wl
Nm lh
Dh Nm 1 Eh lh Wh Eh
⑵吉利兰法
3.3
特 殊 精 馏
• 计算步骤： A 选定合适的恒沸剂并计算用量。 B 按分离要求规定关键组分的回收度 El , E h C 按Fensken公式确定N m D 按Fensken确定各组分在塔顶、塔釜的分 布及浓度 x Di , xWi E 按Underwood公式确定 R m 并选R F按Gilliland图计算实际回流比下的理论板数
特 殊 精 馏
• ⑴图解法 • 把恒沸物看成为一个单一组分SA • 在恒沸塔内当作恒沸物SA与组分B的双 组分精馏过程 • 各物料量均以SA为基准 x SA x A x S 关键是如何作恒沸物SA与组分B的相图
⑴图解法
• 相平衡关系
3.3
特 殊 精 馏
BB x B yA AB x A BB x B SB x S
• 苯-乙醇、水形成三元恒沸物， • t共=64.86℃，x苯=53.9%，x乙醇=22.8%， x水=23.3%。
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
⑤分离恒沸物的双压精馏过程
• 若压力变化明显影响恒沸组成，则采用 两个不同压力操作的双塔流程，可实现 二元混合物的完全分离。塔Ⅰ通常在常 压下操作，塔顶为恒沸物进入塔Ⅱ为高 （低）压力下操作 • 流程见P87，图3-25
⑵吉利兰法
3.3
Nm
xl Dl W h xh lg( ) D ( ) W lg( )( ) xl xh D h Wl lg lh lg lh
El Eh lg 1 E l 1 E h lg lh
特 殊 精 馏
⑶恒沸组成的计算
• 恒沸点时： 12 1
3.3
Pi S f (T ), i f ( xi )
1 P2S S 2 P1
特 殊 精 馏
a 求T、P下的恒沸组成
Pi S ，代入 i f ( xi ) 已知T，求出 及关联式，求解 x i
x i 有物理意义，则有恒沸物产生
xB 1 (xS x A )
SB
PSS S
S PB B
• 计算步骤： • A 根据恒沸剂的性质，求C。 • B 等分取 x SA 为0.1、0.2、0.3…..0.9、1.0，求
x SA xS 1 C
x A C xS
xB 1 (xS x A )
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
a 压力-组成立体图 B 恒温下的等压三角相图
三个二元最低共沸物(m1,m2,m3)及一个三元最低共沸物(m)相图
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
压力组成立体图
P3*>P2*>P1*,Pm1>Pm2,沿m1-m2有脊
恒压下的等温线三角相图
3.3
1
P1S P2S
1
1 P1S
2 P2S
1
P2S P1S
1
2
特 殊 精 馏
最高沸点体系： 1
1
甲苯-乙腈 3.93
P2S P1S P2s
1
2
1
2
P1S
最低沸点恒沸物
0.287
2.807
甲苯-丙酮
1.96
0.515
6.897
不形成恒沸物
⑴图解法
• C 查出各组分物系之 Aij 求得 A B 及
3.3
S B
特 殊 精 馏
Pi S D 根据恒沸点温度T，求出各饱和蒸汽压
分别求 AB , SB E 计算 y B ，再按 y SA 1 y B 求 y SA F 将一系列 x SA y SA 数据列表并作图 G 计算最小回流比，再取 R (1.2 2) Rm
①恒沸剂用量的确定
S FM F SM
3.3
特 殊 精 馏
SA MB • 塔顶产品SA量： M SA B
FM S F SM
xM xB MB SA M M x SA x B SA B 塔釜产品W量：
B SA M M SA B
x SA x B SA M BM M x SA x M SA B
• 2、怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量。 • 3、恒沸精馏的基本原理，说明沸点相近和相对 挥发度相近是否为同一概念。
• 4、当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏 都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同， 为什么？ • 5、请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。
恒沸精馏过程最好形成最低沸点恒沸物 还是最高沸点恒沸物? 恒沸物组成与压力有关吗？ 通过改变压力能使恒沸点消失吗?
j
20% 40%
80% 60% 40% 20%
60%
80%
i
20%
40%
60%
80%
k
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
• 用正三棱柱表示 • 底面的正三角形表示组成，立轴表示压 力（恒温系统）或温度（恒压系统） • 分别用压力面或温度面表示物系的汽液 平衡关系。 • 由于恒沸物的产生，使图上的压力（温 度）面上出现上突或下陷，且使压力面 上出现脊或谷
F x FB M x MB
x MB F x FB SF
①恒沸剂用量的确定
3.3
特 殊 精 馏
• 合理的恒沸剂加入量应该是使塔釜组成 W恰好落在三角相图的一个顶点，即组 分B上，根据杠杆原理进行物料衡算 • 利用相图，作F与S连线BS及A连线，两 线交点M便是总物料点，再由杠杆规则 确定恒沸剂S的用量
P2S 2
恒沸点： 12 1
P1S P2S
特 殊 精 馏
x1 0, 2 1, 1 1 , ( 12 ) x1 0 1
x 2 0, 1 1, 2 2 , ( 12 ) x2 0
1 P1S
2
S P2
⑵判断
• 最低沸点体系： (12 ) x1 0 1 (12 ) x1 1
T1>T2>T3,Tm1<Tm2,m1-m2有谷
具有两个二元正偏差共沸物的三元系相图
⑵相图
3.3
特 殊 精 馏
压力组成图 恒压下的等温线三角相图
形成鞍形共沸物的三元系相图
③恒沸组成与压力的关系
3.3
特 殊 精 馏
• 恒沸物组成是指在某一定压力下的，不 同的压力下恒沸物的组成、温度均会有 所改变，压力变化到一定程度可以使恒 沸点消失 • 定性规律：最低沸点恒沸物，压力升高 时，恒沸物组成中分子（摩尔）汽化潜 热大的组分增大 • 反之亦然
2、恒沸剂的选择
• ①必须与原溶液中至少一组分形成最低 恒沸物，且其沸点较低 T 10 ℃
3.3
特 殊 精 馏
②恒沸剂在恒沸物中的比例越小越好， 且汽化潜热应小，使恒沸剂的用量少
③恒沸剂易分离和回收，即形成非均相恒沸物 ④无毒、无腐蚀、热稳定性好，价廉易得
3 、恒沸精馏流程
• ①二元非均相恒 沸物的精馏 • 不加恒沸剂 • 利用温度降低后 恒沸物出现相分 离现象
• 1、二元非均相恒沸精馏的图解法，化工 设计，1993年02期 • 2、二元非均相共沸物分离过程模拟计算， 化学工程，1994年05期 • 3、几何法设计共沸精馏塔，天津化工， 2001年01期 • 4、分离共沸混合物，化工设备与管道， 2001年03期
• 1、什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸 精馏流程。
4.恒沸精馏的计算
• • ①恒沸剂用量的确定 恒沸剂用量应保证与被分离组分形成恒 沸物时的需要
3.3
特 殊 精 馏
①恒沸剂用量的确定
M F S
3.3
特 殊 精 馏
• S组分物料衡算： S M x MS
S S x MS M SF A B组分物料衡算： F x FA x MA F x FA M x MA SF
⑶恒沸组成的计算
• b 恒压下求恒沸温度与组成
3.3
P
S 1 x1 P1
S 2 x 2 P2
S
Pi i xi Pi
S
特 殊 精 馏
设T，求出相应的 Pi ，代入关联式求解 x i S 判断已知的P是否等于 i xi Pi 不相等，则调整T
②三元恒沸物
• ⑴三元物系组成表示方法 • 3.3 用正三角形或直角三角形 来表示三元组成，正三角 特 形的每个顶点1、2、3均 殊 代表纯组分，顶点对面的 精 底线之间划等浓度线表示 馏 各顶点组分的浓度
⑵判断
3.3
• 均相恒沸物的特征：恒沸点 12 1, y1 x1 a根据体系的压力
P1 S P P2 S
P P1S P2S
特 殊 精 馏
不形成恒沸物
形成最低沸点恒沸物 形成最高沸点恒沸物
P P1S P2S
⑵判断
• b根据无限稀释活度系数
3.3
12
1 P1S
1、恒沸物
•
3.3 •
特 殊 精 馏
• • •
恒沸物是指在一定压力下，汽液相组成与沸腾 温度始终不变的这一类溶液 ①二元恒沸物 ⑴相图 二元恒沸物的性质： 混合物的蒸汽压Biblioteka Baidu成曲线上之极值点相当于汽、 液平衡相的组成相等。且温度的极大（或极小） 总是相当于压力的极小(或极大）值
⑴相图
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
② 分 离 有 恒 沸 剂 的 非 均 相 恒 沸 物
③分离均相恒沸物
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
分离对象？ 苯—环己烷 分离手段？ 恒沸精馏 恒沸剂？ 丙酮 恒沸物的类型？
均相 辅助分离手段？ 液液萃取 萃取剂回收？ 普通精馏
④塔顶产品为三元恒沸物的分离
第三章 多组分多级平衡分离过程分 析与简捷计算
第三节
特殊精馏
Special rectification
二、恒沸精馏
3.3
特 殊 精 馏
• 恒沸精馏是在原溶液中添加恒沸剂S使其 与溶液中至少一个组分形成最低（最高） 恒沸物，以增大原组分间相对挥发度差 的非理想溶液的多元精馏 • 形成的恒沸物从塔顶（塔釜）采出，塔 釜（塔顶）引出较纯产品，最后将恒沸 剂与组分分离。
H 图解法求得理论板数
⑵吉利兰法
3.3
• 计算原理同精馏方法，但可用回收度来 计算 D W
El
l
Fl
, Eh
h
Fh
特 殊 精 馏
Fl Dl Wl , Fh Dh Wh Wl Dh 1 E l , 1 Eh Fl Fh Dl El Dh 1 E h Wl 1 E l W E
②恒沸剂引入位置
3.3
特 殊 精 馏
• ⑴恒沸剂挥发度小，可在靠近塔顶部分 引入，从而保证塔内有足够的恒沸剂浓 度。
• ⑵恒沸剂为最低恒沸物，则恒沸剂分段 引入，一部分随进料另一部分在提馏段。 • ⑶恒沸剂与两个组分都形成恒沸物，则 在塔任何地方均可引入
③恒沸精馏理论板数的计算 （简捷法）
3.3
y SA 1 y B
假定：三组分物系中 x A 与 x S 的比值和 SA恒沸物中组分A与组分S的相对量一样
C x A xS
x A C xS
x SA x A x S (1 C ) x S
xB 1 (xS x A )
⑴图解法
3.3
特 殊 精 馏
x SA xS 1 C S PA A AB S PB B
③恒沸组成与压力的关系
3.3
特 殊 精 馏
• 乙醇-水物系为正偏差且有极值点的非理 想溶液，在760mmHg下 ， • t共=78.1℃，x乙醇=0.9
H 水 9920Kcal Kg H乙醇 9320Kcal Kg
压力降低，使恒沸组成中乙醇量增加 当P=70mmHg，x乙醇=1.0，恒沸点消失
• 同理： D l
Wl
Nm lh
Dh Nm 1 Eh lh Wh Eh
⑵吉利兰法
3.3
特 殊 精 馏
• 计算步骤： A 选定合适的恒沸剂并计算用量。 B 按分离要求规定关键组分的回收度 El , E h C 按Fensken公式确定N m D 按Fensken确定各组分在塔顶、塔釜的分 布及浓度 x Di , xWi E 按Underwood公式确定 R m 并选R F按Gilliland图计算实际回流比下的理论板数
特 殊 精 馏
• ⑴图解法 • 把恒沸物看成为一个单一组分SA • 在恒沸塔内当作恒沸物SA与组分B的双 组分精馏过程 • 各物料量均以SA为基准 x SA x A x S 关键是如何作恒沸物SA与组分B的相图
⑴图解法
• 相平衡关系
3.3
特 殊 精 馏
BB x B yA AB x A BB x B SB x S
• 苯-乙醇、水形成三元恒沸物， • t共=64.86℃，x苯=53.9%，x乙醇=22.8%， x水=23.3%。
3.3
特 殊 精 馏
3.3
特 殊 精 馏
⑤分离恒沸物的双压精馏过程
• 若压力变化明显影响恒沸组成，则采用 两个不同压力操作的双塔流程，可实现 二元混合物的完全分离。塔Ⅰ通常在常 压下操作，塔顶为恒沸物进入塔Ⅱ为高 （低）压力下操作 • 流程见P87，图3-25