第三章汽液传质分离过程-7.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 特殊精馏,之,共沸精馏,-7,上节内容回顾,用于描述间歇蒸馏釜中剩余液体组成随时间的变化的曲,线称之为,剩余曲线,。,曲线指向时间增长的方向，从较低沸点状态到较高沸点状态。,剩余曲线是指无回流简单蒸馏过程中塔釜浓度随时间变,化的轨迹。,剩余曲线,因为该剩余曲线将三角相图分成两个蒸馏区域，故称它为,简单蒸馏边界,。,简单蒸馏边界,稳定节点、不稳定节点、鞍形点,本节要点,各种共沸精馏的原理,共沸剂的选择,相图：,101.3kPa,0.7MPa,利用不同压力下，共沸组成不同分离。,例：分离甲乙酮,水,共沸物,共沸物,1,常压,2,加压,F,水,MEK,工艺流程图：,1,、共沸剂的选择,当,a,、,b,组分形成两元共沸物时，加入共沸剂的作用是在塔顶或者塔釜分离出较纯的产品,a,、,b,。,只有在三角相图上，剩余曲线开始或者终止于,a,和,b,，,即,a,和,b,分别为稳定点或不稳定点时，分离才能成为可能。,从较低沸点状态到较高沸点状态。,3.共沸剂的选择,1,）,a,、,b,形成最低共沸物的情况,选择比原共沸温度更低的低沸点且不形成共沸物的物质为共沸剂,T,e,T,T,a,T,b,，,e-b,和,e-a,均不形成共沸物。,e,的加入使三角相图分为两个蒸,馏区域。,a,、,b,分别位于不同区域，均为稳,定节点。,纯组分,a,、,b,作为不同精馏塔的釜液采出。,选择中间沸点，并且与低沸点组分生成最低共沸物的物质为共沸剂,T,a,T,e,T,b,，,e-a,生成最低共沸物,T,2,T,a,。,e,的加入使三角相图分为两个蒸,馏区域。,边界线是两个共沸点的连接线。,a,、,b,分别位于不同区域，均为稳,定节点。,纯组分,a,、,b,作为不同精馏塔的釜液,采出。,选择高沸点，并且与原两组分均生成最低共沸物的物质为共沸剂,T,a,T,b,T,e,，,e-b,和,e-a,均形成最低共沸物。,有三个蒸馏区域。,边界线为,zc,、,zd,。,a,、,b,分别位于不同区域，均为稳,定节点。,2,）,a,、,b,形成最高共沸物的情况,选择比原共沸温度更高的沸点且不形成共沸物的物质为共沸剂,T,2,T,e,，,e-b,和,e-a,均不形成共沸物。,e,的加入使三角相图分为两个蒸,馏区域。,a,、,b,分别位于不同区域，均为不稳定节点。,纯组分,a,、,b,作为不同精馏塔的塔顶馏出液采出。,纯组分,e,作为塔釜液采出。,选择中间沸点，并且与高沸点组分生成最高共沸物的物质为共沸剂,T,a,T,e,T,b,。,e,的加入使三角相图分为两个蒸,馏区域。,边界线是两个共沸点的连接线。,a,、,b,分别位于不同区域，均为不,稳定节点。,纯组分,a,、,b,作为不同精馏塔的釜,液采出。,选择低沸点，并且与两组分均生成最高共沸物的物质为共沸剂,T,e,T,a,T,b,，,e-b,和,e-a,均形成最高共沸物。,e,的加入使三角相图分为三个蒸,馏区域，产生两条边界线。,a,、,b,分别位于不同区域，均为不,稳定节点。,纯组分,a,、,b,作为不同精馏塔的釜液采出。,3,）共沸剂选取原则概括,只有当某一剩余曲线连接所希望得到的产品时，一个均相共沸物才能被分离成接近纯的组分。,若满足上述条件：,对于二元最低共沸物系，共沸剂应该是一个低沸点组分或,能形成新的二元或三元最低共沸物的组分；,对于二元最高共沸物系，共沸剂应该是一个高沸点组分或,能形成新的二元或三元最高共沸物的组分。,理想共沸剂应具备特征,1,）显著影响关键组分气液平衡关系；,2,）容易分离回收；,3,）用量少，汽化潜热低；,4,）与进料组分互溶，不与进料组分发生化学反应；,5,）无腐蚀、无毒，廉价易得。,4.共沸剂精馏的计算,x,x,x,x,二元非均相共沸精馏,1,、分离流程,若两组分形成非均相共沸物，则采用双塔流程，并设置分层器，,在不加入任何共沸剂的情况下可实现组分间的完全分离。,经典流程如图。,设原料中两组分,A,、,B,，以,A,的摩尔分数表示物料组成，初始,A,为易挥发组分。,两塔塔顶接近共沸组成的上升蒸汽经冷凝后在分层器分成两个液相,、,。,假设,x,A,x,A,相返回1塔作回流,在,1,塔，由于,A,是易挥发组分，高纯度的,B,会从塔釜引出。,分层器中的,相送入2塔回流,。,此时,B,是易挥发组分，所以组分,A,是塔釜产品。,进料位置,x,x,x,x,1)若,x,F,x,x,，则应在1塔进料；,2)若,x,x,x,F,，则应在2塔进料；,3)若,x,x,F,x,，则应在分层器进料。,两液相回流的通用流程,在一些情况下，由于工艺或者设备的要求，需要采用两液相回流。,两元非均相共沸精馏的应用,是从水溶液中分离和回收某些有机物质的简单有效方法。,有时，仅要求分离出一个纯产品，可采用单塔流程。,如,丁二烯中饱和水的脱除。,此时，塔釜中得到的是脱水干燥后的有机物，,塔顶出丁二烯,-,水混合物，经冷凝分层后，有机相回流。,水相中有机物含量少，所以可不设,2,塔回收有机物，而以废水形式排放。,对于形成二元均相最低共沸物的系统，,降低分层器温度，或者降低操作压力，使冷凝液出现液液分层情况，,也可按非均相共沸精馏处理。,2,、两元非均相共沸精馏的图解法,两元非均相共沸精馏的图解法，对于恒摩尔流情况，计算结果是准确的；,对于非恒摩尔流情况，计算结果欠佳，可作为,ASPEN PLUS,软件严格计算的初值。,1),单相回流图解法,对两塔进行总的物料衡算：,已知，,1,塔进料，,F,，,x,F,，分离要求,x,B1,、,x,B2,。,解得：,图解法过程,假设,1,塔精馏段气相流量为,V,1,液相流量为,L,1,。,在,1,塔精馏段的第,n,块塔板及,2,塔釜出口之间作物料横算：,所以得,1,塔精馏段操作线方程,：,在,1,塔提馏段的第,n,块塔板及,1,塔塔釜出口之间作物料横算：,所以得,1,塔提馏段操作线方程,：,假设,1,塔提馏段气相流量为,V,1,液相流量为,L,1,。,2,塔，塔顶进料，所以只有提馏段。,假设,2,塔气相流量为,V,2,液相流量为,L,2,。,得,2,塔操作线方程：,根据相平衡曲线，,1,塔精馏段、提馏段操作线，,2,塔操作线方程作图。,x,x,x,x,1塔和2塔图解理论板数的起点分别是操作线上横坐标为,x,、,x,的点。,分别作阶梯至,x,B1,、,x,B2,得各段理论板数。,x,x,x,x,A,组分为水的两元非均相共沸精馏的图解法过程,设原料中两组分,A,、,B,，以,A,的摩尔分数表示物料组成，初始,A,为易挥发组分，且,A,为水。,两塔塔顶接近共沸组成的上升蒸汽经冷凝后在分层器分成两个液相,、,。,假设,x,A,x,A,。,相返回1塔作回流。,在,1,塔，由于,A,是易挥发组分，高纯度的,B,会从塔釜引出。,分层器中的,相送入2塔回流,。,此时,B,是易挥发组分，所以组分,A-,水是塔釜产品。,所以，,2,塔是水塔，可以直接水蒸气加热。,假设,1,塔精馏段气相流量为,V,1,液相流量为,L,1,。,在,1,塔精馏段的第,n,块塔板及,2,塔釜出口之间作物料横算：,所以得,1,塔精馏段操作线方程：,物料衡算时，二塔塔釜多了一项水蒸气流量,S,。,若 x,F,x,x,，则应在1塔进料,在,1,塔提馏段的第,n,块塔板及,1,塔塔釜出口之间作物料横算：,所以得,1,塔提馏段操作线方程：,假设,1,塔提馏段气相流量为,V,1,液相流量为,L,1,。,同间接加热提馏段方程。,假设,2,塔气相流量为,V,2,液相流量为,L,2,。,得,2,塔操作线方程：,按恒摩尔流假设，,随水排出的有机物量增大，即有机物的收率会略有降低。,对两塔进行总的物料横算：,1,塔进料，,F,，,x,F,，分离要求,x,B1,、,x,B2,。,解得：,直接水蒸气加热：,已知间接加热：,可见直接水蒸气加热,B,2,增大，即废水排放量增大；,若保持收率不变，应适当降低,2,釜排放废水中有机物的含量。,若 x,x,x,F,，则应在2塔进料,直接水蒸气加热,2,塔提,馏,段操作线方程：,2,塔精段操作线方程：,1,塔操作线方程：,若,x,x,F,x,，则应在分层器进料,直接水蒸气加热,2,塔提留段操作线方程：,1,塔操作线方程：,例：用双塔共沸精馏体系脱除正丁醇中的水。进料流量,F=5000kmol/h,原料,含水,28%,（,mol,），气液进料，气相分率为,30%,。操作压力,101.3kpa,。饱和,液体回流。规定丁醇塔中，,L,1,/V,1,=1.23(L/V),1,min,水塔中,V,2,/B,2,=0.132,。要求,丁醇产品中含水量不大于,0.04,摩尔分数，废水中含正丁醇不大于,0.005,摩尔,分数。计算：产品流率；两个塔的平衡级数和适宜进料位置。,解：,(1),两塔均采用再沸器加热的方案。,进料位置的判断,由,气液平衡数据,，,应,1,塔进料。,物料横算,已知间接加热：,解得：,1,塔操作线和理论板数的确定,.确定夹点的气液相组成及最小液气比,若夹点出现在进料板处，则画图得到,q,线和平衡线的交点坐标。,将,q=1-0.3=0.7,和,x,F,值代入上式得,:,y,=-2.33,x,+0.933,将其绘于,y,-,x,图上，与平衡线交于,J,1,点，,x,J,1,=0.17,，,y,J,1,=0.53,。,若夹点出现在塔顶，设为,J,2,点，因回流液组成,x,回,=0.573,。固，,J,2,点,的气相组成应是与回流液成平衡的,y,值，故，,y,J,2,=0.75,。,最小气液比,若,1,塔夹点在塔顶,若,1,塔夹点在进料板,b.,操作线和理论板的确定,得精馏段操作线方程,作精馏操作线、,q,线、提留操作线，在,x,回,=0.573,与精馏段操作线交点处开始做阶梯，图解理论板，得,N,=4,其中，,N,R,=2,，,N,S,=2,。,2,塔操作线和理论板数的确定,由题意，,V,2,/B,2,=0.132,，,又,B,2,=1256.5,所以,V,2,=165.9,，,L,2,=V,2,+B,2,=1422.4,。,得,2,塔操作线方程：,画操作线。,由,x,回,=0.975,与操作线交点,J,3,开始图解理论板，,N,2,=2,。,二元均相共沸物的变压精馏,当共沸组成随总压变化明显变化时，,采用两个不同压力操作的双塔精馏流程，可实现两元混合物的分离。,该方法是分离二元均相共沸物系最简单和最经济的技术。,1,、分离流程,以甲乙酮,(MEK)-,水,(H,2,O),的分离过程为例。,常压下，该物系形成二元最低共沸物。,此时共沸物组成含,MEK65%,（摩尔分率）。,0.7MPa,下，共沸物组成含,MEK50%,。,两个压力下的,T-x-y,相图，如图。,以甲乙酮,(MEK)-,水,(H,2,O),可采用如图流程实现分离。,1,塔在常压下操作，二塔在较高压力下操作。,如果原料含,MEK65%,。,在,1,塔进料，,塔顶溜出液为接近该压力下的共沸组成。,塔釜为纯水。,溜出液进塔,2,。,塔釜为纯,MEK,。,塔顶为,MEK,接近,50%,的溜出液，循环到,1,塔。,正偏差,y,x,2,、设计方法,双塔双压分离流程中的两个塔可分,别用图解法或简洁计算法估算。,计算过程,流量,B,1,、二塔塔釜流量,B,2,、,1,塔到,2,塔的流量,D,1,、,2,塔到,1,塔的流量,D,2,。,1,）根据设计要求和已知参数求,1,塔塔釜,对两塔进行总的物料衡算：,解得：,对,2,塔进行物料衡算：,解得：,注意,解得：,可见：,当,x,D1,与,x,D2,接近时，,D,1,、,D,2,变得很大，,因此每一个塔的能耗,Q,R1,、,Q,R2,都高。,应该调整操作压力，使两个共沸组成,x,AZ1,与,x,AZ2,的差别拉大。,2,）图解法或者简捷计算法求理论塔板数、进料位置和回流比的初值。,3,）通过计算机软件,ASPEN PLUS,软件对全流程进行计算机模拟。通过迭代求出适宜的操作条件。,加入共沸剂的共沸精馏,当两元均相共沸物不能用变压精馏时，或者为多元均相共沸物，往往采用加入共沸剂的共沸精馏来实现原混合物的分离。,共沸剂的选择，影响分离流程的设计和工艺参数的确定。,谢谢！,本次课重点内容,1,、两元非均相共沸精馏的图解法。,