特殊精馏过程与液液萃取.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,*,特殊精馏过程与液液萃取,北京化工大学,2012.3（春季学期）,1,内 容,1。绪论,2。单级平衡过程,相平衡,多组分物系的泡点和露点计算,闪蒸过程的计算,液液平衡过程的计算,多相平衡过程,3,。多组分精馏和特殊精馏,多组分精馏过程,萃取精馏和共沸精馏,反应精馏,加盐精馏,2,内 容,4。液液萃取,萃取过程与萃取剂,液液萃取过程的计算,5,。分离过程及设备的选择与放大,传质设备的选择,分离过程的选择,3,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用,1.1.1 分离过程的重要性,（1）分离过程定义,将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。,分离装置的费用占总投资的50%-90%。,乙烯连续水合生产乙醇：对反应产物进行分离；未反应物循环利用,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用,清洁工艺：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生,4,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用,1.1.1 分离过程的重要性,清洁工艺,：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生,绿色化学与化工,：为实现资源高效率的利用、减少与消除有害物质对人类,健康与环境的威胁所作出的化学过程与产品的设计、开,发和生产。,化工过程强化技术,：在实现既定生产目标前提下，大幅度减小生产设备尺,寸、简化工艺流程、减少装置数目，使工厂布局更加紧,凑合理，单位能耗、废料、副产品显著减少的技术。,5,第 1 章 绪 论,6,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用,1.1.1 分离过程的重要性,清洁工艺,：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生,闭路循环系统是清洁工艺的重要方面。,使废物最小化的方法,：废物直接再循环；进料提纯；除去分离过程中加入,的附加物质；附加分离与再循环系统,7,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用,1.1.1 分离过程的重要性,清洁工艺,：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生,8,9,10,11,第 1 章 绪 论,1.2 传质分离过程的分类和特征,分离过程：,（1）机械分离：过滤、沉降、旋风分离,（2）传质分离：平衡分离过程、速率分离过程,1.2.1 平衡分离过程,分离媒介（分离剂）,：热能、溶剂或吸附剂,能量媒介,物质媒介,萃取精馏,吸收蒸出（精馏吸收）,共沸精馏,液液萃取；超临界流体萃取技术,12,第 1 章 绪 论,1.2.2 速率分离过程,利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离,膜分离：微滤、超滤、反渗透、渗析和电渗析,1.3 分离过程的集成化,1.3.1 反应过程与分离过程的耦合,化学吸收：吸收与反应,化学萃取：萃取与反应,反应精馏：精馏与反应,1.3.2 分离过程与分离过程的耦合,萃取结晶：萃取与结晶,吸附蒸馏：吸附与蒸馏,13,第 1 章 绪 论,1.3.3 过程的集成,一、传统分离过程的集成,二、传统分离过程与膜分离的集成,渗透蒸发和精馏集成,1.4 设计变量,N,i,=,N,v,N,c,N,v,:独立变量数,N,c,：约束关系数（独立方程式数目）,14,第 1 章 绪 论,1.4 设计变量,f,=,C,+2(,f,=,C,P,+2),自由度指强度性质的变量,约束关系式包括：物料平衡式；能量平衡式；相平衡关系式；内在关系式,MESH 方程,E 相平衡 c(,-1),1相 A,1,B,1,C,1,2相 A,2,B,2,C,2,3相 A,3,B,3,C,3,15,第 1 章 绪 论,作业：对乙苯和三种二甲苯混合物的分离方法进行选择。,（1）列出间二甲苯和对二甲苯的有关性质：沸点、熔点、临界温度、临,界压力、偏心因子、偶极矩，利用哪些性质的差别进行该二元,物系的分离是最好的？,（2）为什么使用精馏方法分离间二甲苯和对二甲苯是不适宜的？,（3）为什么工业上选择熔融结晶和吸附分离间二甲苯和对二甲苯？,16,第 1 章 绪 论,教材：,刘家祺.分离过程.北京：化学工业出版社，2005,参考书：,1.陈洪钫，刘家祺.化工分离过程.北京：化学工业出版社，1995,2.蒋维钧.新型传质分离技术.北京：化学工业出版社，1997,3.邓修，吴俊生，化工分离工程，科学出版社，2000,4.Seader,J.D.,Henley,E.J.Separation Process Principles.New York:Wiley.,5.朱自强，超临界流体技术 原理和应用，化学工业出版社，2001,6.陈维扭，超临界流体萃取的原理和应用，化学工业出版社，2000,17,第 1 章 绪 论,考核方式：,1.平时作业；,2.考试（开卷，时间：第8周，五月一日左右结束）,3.大作业（综述：特殊精馏（如催化精馏、萃取精馏、吸附,精馏、恒沸精馏等）新方法或新技术、液液萃取、超临界,萃取、其它化工过程强化新方法或新技术（如结构化催化,剂与反应器、燃煤烟气脱硝中的应用）；新型节能减排技术；计算机程序与综述选择其中之一）,18,第 1 章 绪 论,1.4 设计变量,f,=,C,+2(,f,=,C,P,+2),自由度指强度性质的变量,约束关系式包括：物料平衡式；能量平衡式；相平衡关系式；内在关系式,MESH 方程,E 相平衡 c(,-1),1相 A,1,B,1,C,1,2相 A,2,B,2,C,2,3相 A,3,B,3,C,3,19,第 2 章 单级平衡过程,2.1.1 相平衡关系,相平衡条件,汽液平衡关系,液液平衡关系,20,第 2 章 单级平衡过程,2.1.1 相平衡关系,相平衡常数,分离因子（相对挥发度）,选择度,21,第 2 章 单级平衡过程,3.气相逸度系数：,维里方程,22,第 2 章 单级平衡过程,3.气相逸度系数：,维里方程,B,ii,采用,Prausnitz,修正式：,对非极性组分（,为偏心因子）：,对极性组分（,H,为极性组分异质同态物的偏心因子，所谓异质同态物是,指分子形状和大小与极性组分类似的非极性组分，,为缔,合系数）,23,第 2 章 单级平衡过程,3.气相逸度系数：,维里方程（适用于中低压物系）,24,第 2 章 单级平衡过程,三.活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,作业1：推导,作业2：（见习题 1，P.85),作业3：（见习题 2，P.85),25,第 2 章 单级平衡过程,三.活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,作业3：关于 Wilson 方程,1。汽相为理想气体，液相为理想溶液,26,第 2 章 单级平衡过程,三.活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,2。汽相为理想气体，液相为非理想溶液,27,第 2 章 单级平衡过程,三.活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,3。汽相为理想溶液，液相为理想溶液,路易士-兰德规则 或 逸度规则,28,第 2 章 单级平衡过程,三.活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,4。汽相为理想溶液，液相为非理想溶液,29,第 2 章 单级平衡过程,三.活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,例 2-1 计算乙烯在311 K 和 3444.2 kPa下的汽液平衡常数（,实测值,K,c=,=1.726）,（1）汽相按理想气体，液相按理想溶液,（2）汽液相均按理想溶液,（3）列线图法,例2-2 已知在0.1013MPa 压力下甲醇（1）-水（2）二元系的汽液平衡数,据。其中一组数据为：平衡温度T=71.29,，液相组成x,1,=0.6，气,相组成y,1,=0.8287(摩尔分数）。试计算汽液平衡常数，并与实测值,比较。,30,第 2 章 单级平衡过程,四.两种计算方法的比较,（1）状态方程法,不需要基准态；只需要,P,V,-,T,数据；可以应用对比状态理论；可以,用在临界区；,没有一个状态方程能完全适用于所有的密度范围；受混合规则的影响,很大；对于极性物质、大分子化合物和电解质系统很难应用,（,2,）活度系数法,简单的液体混合物的模型已能满足要求；温度的影响主要体现在,f,i,L,上,，而不在,r,i,上；对许多类型的混合物，包括聚合物、电解质系统都,能应用。,需用其他的方法获得液体的偏摩尔体积（在高压计算中）；在含有超,临界组分的系统应用不够方便；难以在临界区内应用,31,第 2 章 单级平衡过程,2.1.3.液液平衡,液液平衡是萃取过程、三相精馏、非均相共沸精馏的理论基础；,二元系,上临界混溶温度,(,UCST),、,下临界混溶温度,(,LCST),三元系,四元系,32,第 2 章 单级平衡过程,2.2.多组分物系的泡点和露点计算,单级汽液平衡系统自由度：,f=c P+2=c 2+2=c,泡露点计算分四种类型：,泡点温度：,p,x,1,x,2,.,x,c,;,求,T,y,1,y,2,.,y,c,泡点压力：,T,x,1,x,2,.,x,c,;,求,P,y,1,y,2,.,y,c,露点温度：,p,y,1,y,2,.,y,c,;,求,T,x,1,x,2,.,x,c,露点压力：,T,y,1,y,2,.,y,c,;,求,P,x,1,x,2,.,x,c,33,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算,相平衡关系,浓度总和式：,汽液平衡常数关联式,34,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算,平衡常数与组成无关的泡点温度计算,35,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算,例,2-3,确定含正丁烷（,1,）,0.15,、正戊烷（,2,）,0.4,和正己烷（,3,）,0.45,（均为摩尔分数）之烃类混合物在,0.2,MPa,压力下的泡点温度。,（利用,p,T,K,图）,（,说明所设温度偏低？）,36,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算,平衡常数与组成有关的泡点计算,关键是 调整,T,Newton Raphson 法,37,38,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算,例,2-5,：,丙酮（,1,）,-,丁酮（,2,）,-,乙酸乙酯（,3,）三元混合物所处压力,为,2026.5,kPa,，,液相组成（摩尔分数）为,x,1,=x,2,=0.3,，,x,3,=0.4,。,试用活度系数法计算泡点温度（逸度系数用维里方程计算；活度系数,用,Wilson,方程计算）。,(,作业）,39,第 2 章 单级平衡过程,2.3 闪蒸过程的计算,闪蒸是连续单级蒸馏过程。离开闪蒸罐的汽液两相处于平衡状态。,40,第 2 章 单级平衡过程,2.3 闪蒸过程的计算,每一组分物料衡算式,总物料衡算式,焓平衡关系,41,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关,规定变量,T,P,每一组分物料衡算式,汽相分率,42,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关,规定变量,T,P,Rachford-Rice 方程,43,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关,规定变量,T,P,Rachford-Rice 方程,44,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关,核实闪蒸问题是否成立,闪蒸问题成立,45,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关,例,2-8,进料流率为,1000,kmol,/h,的轻烃混合物，其组成为：丙烷,（,1,）,30%,；正丁烷（,2,）,10%,；正戊烷（,3,）,15%,；正己烷（,4,）,45%,（摩尔分数）。求在,50,和,200,kPa,条件下闪蒸的汽、液,组成及流率。,46,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成有关,例,2-9,闪蒸罐压力为,85.46,kPa,，,温度为,50,，进入,闪蒸罐物料,组成（摩尔分数）为乙酸乙酯（,1,）,0.33,，丙酮（,2,）,0.34,，甲醇,(3),0.33,。试求汽相分率及汽液相平衡组成。（大作业）,47,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关,例,2-8,进料流率为,1000,kmol,/h,的轻烃混合物，其组成为：丙烷,（,1,）,30%,；正丁烷（,2,）,10%,；正戊烷（,3,）,15%,；正己烷（,4,）,45%,（摩尔分数）。求在,50,和,200,kPa,条件下闪蒸的汽、液,组成及流率。,48,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成有关,49,第 2 章 单级平衡过程,2.4.1,二元液液系统,50,第 2 章 单级平衡过程,2.4.1,二元液液系统,例 2-12 已知 20 正丁醇(1)水(2)二元液液平衡 NRTL方程参数值,g,12,g,22,=-2496.8 J/mol，g,12,g,11,=12333.5 J/mol，第三参数 a12,=0.2，计算该温度下的相互溶解度。（大作业）,51,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2,三元液液系统,52,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2,三元液液系统,溶质B 萃取因子,53,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2,三元液液系统,54,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2,三元液液系统,例 2-13 以甲基异丁酮为溶剂（C)，从含醋酸(B)质量分数 8%的水,(A)溶液中萃取醋酸。萃取温度 25，进料量 13 500 kg/h。,若萃余液仅含质量分数为 1%的醋酸，问单级操作时溶剂的需要量是多少？,55,第 2 章 单级平衡过程,2.4.3,多元液液系统,56,第 2 章 单级平衡过程,2.5,多相平衡过程,57,