化工分离过程(第13讲)(3.3.2共沸精馏).ppt

化工分离过程 Chemical Separation Processes,第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算,2,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3.1 设计变量 3.2 多组分精馏过程（普通精馏） 3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏） 3.3.1 萃取精馏 3.3.2 共沸精馏 3.3.2.1 共沸物的特性和共沸组成的计算 3.3.2.2 共沸剂的选择 3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程 3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏 3.4 吸收和蒸出（解吸）过程,3,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,在设计一个共沸精馏过程时，考虑共沸组成随压力变化的一般规律是很重要的。因为压力是一个很容易改变的操作参数，在某些情况下，通过改变压力可实现共沸物系的分离。,应用Clausius方程可分析出：当压力增加时，最低共沸物的组成向摩尔潜热大的组分移动；最高共沸物的组成向摩尔潜热小的组分移动。,例如乙醇和水是能够形成二元最低共沸物的物系，常压下共沸温度为78.1，共沸组成为：x醇=0.90（mol）,汽化潜热：乙醇为39020KJ/kmol，水为41532KJ/kmol,4,乙醇水溶液共沸物与压力的关系表,从上表可知，压力增加时共沸物中乙醇含量下降，即增加压力时，共沸物中汽化潜热大的组分含量增加。,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,5,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,一般地，若压力变化明显影响共沸组成时，则采用两个不同操作压力的双塔流程可实现二元均相共沸物的分离。 如甲乙酮（MEK）-水（H2O）的分离过程。,在大气压力下（0.103MPa） 该物系形成二元正偏差共沸物， 共沸组成为65（MEK）； 在0.7MPa时，共沸组成变化为 50（MEK），如果原料中含 MEK小于65，欲得到纯甲乙 酮和水。分离过程如何设计？,MEK-H2O在不同压力下的T-x-y图,6,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,分离甲乙酮水：利用不同压力下，共沸组成不同分离。,工艺流程图：,相图：,7,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,一般来说，若压力变化明显影响共沸物组成时，则采用两个不同操作压力的双塔流程，可实现二元均相混合物的分离。如下图所示：,当原料中甲乙酮小于65，在塔进料，塔釜为纯水，塔顶为含MEK 65的共沸物；共沸物进高压塔，塔顶为含MEK50的共沸物馏出液循环到塔，塔釜得到纯MEK。,图3-25 双塔精馏流程,8,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,物料衡算：,两个塔作一个整体,对于组分1（MEK）,图3-25 双塔精馏流程,9,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,可得：,物料衡算：,对塔,对于组分1（MEK）,图3-25 双塔精馏流程,10,3.3.2.3 分离共沸物的双压精馏过程,（3-67）,当两个不同压力下的共沸组成彼此接近时，（x1,D1-x1,D2）数值会较小，由上式可知D2大（即循环量大），设备投资和操作费用高，是不希望出现的情况。,11,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,二元非均相共沸物的精馏 某些双组分共沸物(如苯-水，丁醇-水)在温度降低时可分为两个具有一定互溶度的液层。此类共沸物的分离不必加入第三组分，采用两个塔联合操作便可获得两个纯产品。,1形成非均相共沸物,2形成均相共沸物,3不形成共沸物,12,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,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 示例：分离正丁醇（1）- 水（2）,13,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,与均相共沸物精馏比较：,非均相：当某板ynx1,冷凝后分层：x1,x1 x1x恒x1 可能越过恒沸点。 均相：N,也越不过共沸点。,采用普通精馏能分离非均相共沸物。,14,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,接近共沸组成的原料蒸汽在冷凝器中冷凝后便分成两个液相，一为富水液相，另一为富丁醇相。醇相经过分层器后返回丁醇塔作为回流，高纯度的正丁醇从塔底引出，而接近共沸组成的蒸汽将从塔顶采出。分层器后的水相被送入水塔，从塔顶部出来的是接近共沸组成的蒸汽，塔釜则获得纯水。,图3-27 分离非均相共沸物的流程,示例：分离正丁醇（1）- 水（2）,15,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,把两个塔作为一个整体考虑。如图3-29所示情况，按最外圈（蓝色）范围作物料衡算得：,二元非均相共沸精馏系统的物料衡算,16,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,按中圈（红色）所示范围物料衡算， 可得：,对易挥发组分作物料衡算为：,二元非均相共沸精馏系统的物料衡算,17,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,（3-70）,式（3-70）即为塔精馏段的操作线，它与对角线的交点是：x=xw2，斜率是L1/V1。,(3-70)式代表塔顶层板气相与回流液之间关系。,(3-70)式代表塔内各板相遇物流之间关系；,(3-70)式是一条直线；,讨论：,18,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,按最内圈（绿色）作物料衡算， 可得：,19,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,x回的值：若为单相回流（这是一般的情况），则在一定温度和压力下是恒值，与塔顶板蒸汽的组成无关。故只要y顶的值确定后，操作线就可确定。,比较式（3-70）及式（3-71）可以看出，精馏段操作线最上一点的坐标为（y顶 ，x回），即应从该点画阶梯计算塔板数。,20,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,塔提馏段操作线与普通精馏塔没有差别。由汽液平衡关系可以看出，塔无需精馏段。其操作线可仿照塔得到。,由上图可看出，y顶的数值一定要小于共沸组成，否则操作线就与平衡线相交。,21,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,例3-7: 原料含苯酚1.0%（摩尔），水99%，釜液要求含苯酚量小于0.001%。流程如图3-30所示。苯酚与水是部分互溶系，但在101.3KPa压力下并不形成非均相共沸物，而有均相共沸物。因此，塔和塔出来的蒸汽在冷凝-冷却器中冷凝并过冷到20 ，然后在分层器中分层。水层返回塔作为回流，酚层送入塔。要求苯酚产品纯度为99.99%。假定塔内为恒摩尔流，饱和液体进料，并认为回流液过冷对塔内回流量的影响可以忽略。试计算：,（1）以100摩尔进料为基准， 塔和塔的最小上升汽量是多少？,（2）当各塔的上升汽量为最小汽量的4/3倍时，所需理论塔板数是多少？,（3）求塔和塔的最少理论塔板数。,22,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,解：由文献上查得苯酚-水系统在101.3kPa，20下的汽液平衡数据列表见P89。 查表有：水层含苯酚 1.68% 酚层含水量66.9%。,（1）以100mol进料为基准，对整个系统作苯酚的衡算，得：,解得： W1 = 99.0, W2 = 1.0,23,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,确定塔的操作线：,a 、精馏段操作线 由第n板与n+1板之间到塔一起作物料衡算，得：,b 、提馏段操作线为：,(B) (注：恒摩尔流),(A),24,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,（注：0.0138是与进料组成xF=0.01成平衡的汽相组成）,最小上升蒸汽量相当于最小回流比时的汽量。 若夹点（恒浓区）在进料板，则由（A）式得出：,故,25,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,此值大于按夹点在进料板处的值，故对塔来说，V最小=756.2,若夹点在塔顶，因回流组成为x回=0.0168，故夹点的汽相组成应为与回流成平衡的y值，由汽液平衡数据，内插可得 y=0.0181，由(A)式得出：,故,26,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,塔的夹点必在塔顶，即夹点之坐标为:（x=0.331,y=0.0403）， 以此值代入塔之操作线方程式：,(C),故,27,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,（2）求塔的理论板数：,精馏段：,提馏段：,代入（A） 及（B）式得出塔的操作线方程为：,精馏段操作线为：,提馏段操作线为：,28,3.3.2.4 二元非均相共沸物的精馏,由操作线方程及已知的平衡线，在y-x图上由x=0.0168到xw1=0.00001画阶梯，可得出所需理论板数为N=16。,（3）求塔的理论板数：,代入（C）式得操作线方程为：,在y-x图上由xw2=0.9999到x回,2 =0.331之间在平衡线与操作线之间画阶梯，可得出理论板数为N=