分离过程 第三章多组分精馏过程

3 1 1多组分精馏过程分析3 12最小回流比3 1 3最少理论塔板数和组分分配3 1 4实际回流比 理论板数 进料位置 第一节多组分精馏过程 3 1 1多组分精馏过程分析 关键组分 在设计或操作控制中 有一定分离要求 且在塔顶 塔釜都有一定数量的组分称为关键组分轻关键组分 指在塔釜液中该组分的浓度有严格限制 并在进料液中比该组分轻的组分及该组分的绝大部分应从塔顶采出重关键组分 塔顶重塔釜 一 关键组分1 关键组分的引出一般精馏 对于设计型计算 5个可调设计变量为 i 轻关键组分 表示 LK 下标 lj 重关键组分 表示 HK 下标 h 对于精馏中的非关键组分 设为非关键组分i对HK的相对挥发度 塔顶 塔釜同时出现的组分为分配组分只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分关键组分必定是分配组分非关键组分不一定是非分配组分清晰分割 轻组分在塔顶产品的收率为1 重组分在塔釜产品的收率为1轻组分全部从塔顶馏出液中采出 重组分全部从塔釜排出非关键组分为非分配组分非清晰分割 非关键组分为分配组分 4 关键组分的指定原则由工艺要求决定 例 ABCD 按挥发度依次减少排列 混合物分离 工艺要求按AB与CD分开 则 B为LK C为HK 工艺要求先分出A 则 A为LK B为HK 多组分精馏过程的复杂性 求解方法二组分精馏 无需试差多组分精馏 反复试差求解 摩尔流率二元精馏 在进料板处液体组成有突变 各板的摩尔流率基本为常数多组分精馏 液 汽流量有一定的变化 但液汽比接近于常数 二组分精馏流量 温度 浓度分布 二元精馏 温度分布 在塔顶塔底处变化较慢 其它位置变化较快 多元精馏此情形不明显 在接近塔顶 塔底和进料处变化较快 且全塔温差变大 浓度分布 在精馏段 提馏段中部变化明显 塔顶 塔底附近变化较慢 其它位置变化较快 苯 甲苯 异丙苯精馏塔内汽液流量分布 多元精馏的流量分布 影响L V的几个因素 1 摩尔汽化潜热变化使沿塔向上的摩尔流率有增加的趋势 2 蒸汽上升中需被冷却 导致向上流量增加 3 液体向下流动须被加热 将导致向下流量的增加 塔内流量变化是上三因素的总效应 在很大程度上 这些因素相互抵消 因此 恒摩尔流假定有其实用性 重要结论 精馏塔中 温度分布主要反映物流的组成 而总的级间流量分布则主要反映热量衡算的限制 流量L与V同方向变化 故L V变化很小 对分离影响很小 本章目录 苯 甲苯 异丙苯精馏塔内温度分布 温度分布 温度分布从再沸器到冷凝器单调下降进料板处温度变化明显 只有HK LK HNK情况 浓度分布 只有LK HK LNK 浓度分布 多组分精馏浓度分布 关键组分浓度分布往往有极大值非关键组分通常是非分配组分LNK和HNK分别在进料板上下形成几乎恒浓的区域全部组分均存在于进料板上 1 进料板附近各组分浓度变化较大 原因是引入的组分包含全部组成 2 对非关键组分精馏段 HNK迅速消失 LNK以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现 接近顶部急剧增加 在出料液中达到最高 提馏段 LNK迅速消失 HNK在再沸器中浓度最高 从釜向上几板下降较大 然后变化不大 一直延伸到进料板 3 关键组分变化复杂 若无LNK时 HK分别在二段出现两个最高点 LK表现象LNK 若无HNK时 LK分别在二段出现两个最高点 HK表现象HNK 有LNK HNK 且都不同时出现在顶 釜时 LK在精馏段出现一个最大值 然后降到所规定的浓度 HK在提馏段出现一个最大值 然后降到所规的浓度 返回 二 设计计算多组分精馏过程特性 1 确定后 顶釜浓度未确定物料衡算确定顶釜浓度 二种方法 清晰分割法假设LNK全部从塔顶采出 假设HNK全部从塔釜采出 非清晰分割法各组分在顶 釜都有可能存在 3 1 2最小回流比 1 时 恒浓区出现的情况 恒浓区 精馏塔中全部浓度不变的区域 二元精馏 恒浓区 一个 出现在进料板 依据 恒浓区概念 关联式 相平衡 物料平衡 Underwood公式 误差 10 20 返回 3 1 3最少理论板数和组分分配 1 最少理论板数 采用Fenske方程求最少理论板数 推导如下 用 1 2 式推导Fenske方程 设塔顶采用全凝器 板序由上向下 以次类推 Fenske方程的各种形式 Fenske方程说明 返回 3 1 4实际回流比 理论板数 进料位置 一 实际回流比R由操作费 设备费确定由经验取 R 1 1 1 5 Rm 二 理论板数 用Gilliand图简便 但不准确 回归的经验式为 已知X 由 3 16 或 3 17 解出y 三 适宜进料位置的确定 例3 4分离烃类混合物例3 1求出Rm 1 306 例3 2求出Nm 6 805和物料衡算表本题求N 进料位置解 1 求RR 1 25Rm 1 634 三 确定进料位置 塔中实际板为18块 四 不同回流比下物料分配的比较不同回流比物料分配如图 3 14 对于操作情况 R 1 2 2 Rm 由Fenske方程 对全回流情况 结论 可用操作回流比下的物料分配 采用Fenske方程计算Nm 简捷计算法步骤 1 由工艺要求选LK HK 物料分配得出 1 问题的引出 分离乙醇 水混合物 分离丁烯 2 丁烷 问题 如何分离的混合物 第三节萃取精馏和共沸精馏 2 特殊精馏在和的溶液中加入一个新组分S 使它对原溶液中各组分产生不同作用 从而改变原溶液组分之间相对挥发度 使系统变的易于分离 及 特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的精馏 原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出 共沸精馏 S为共沸剂 原溶液加新组分后不形成共沸物且S沸点最高 从塔釜采出 萃取精馏 S为萃取剂或溶剂 第二节萃取精馏和共沸精馏 3 2 1萃取精馏3 2 2共沸精馏 返回 3 2 1萃取精馏 一 流程 特点 1 二塔串联 2 S为难挥发组分 一般在近于塔顶加入 二 萃取精馏原理和溶剂选择 1 溶剂的作用 讨论 3 27 成立的必要条件 溶剂的作用 体现 原溶液沸点差不大 非理想性不很强时 稀释原溶液 体现 当原溶液沸点差大 非理想性很强时 加S后 浓度下降 而增加 由 3 23 小 突出了作用 返回 2 溶剂的选择 考虑分子极性选择在极性上更类似于HK的化合物作溶剂 降低HK的挥发度 例 分离甲醇 沸点64 7 丙酮 沸点65 5 a 选烃作溶剂 丙酮为难挥发组分2 b 选水作溶剂 甲醇为难挥发组分2 极性顺序 由小到大 考虑能否形成氢键S加入后形成的溶液 仅有氢键生成 则呈现负偏差 仅有氢键断裂 则呈现正偏差 表3 2 考虑其它因数1 沸点高 不与1 2组分共沸 不起化学反应 2 溶解度大 3 溶剂比 溶剂 进料 不得过大 4 无毒 不腐蚀 低廉 易得 三 萃取精馏过程分析 1 塔内流量分布 设S为纯组分 在塔顶采出为0 分析 3 3 2共沸精馏 共沸物 恒沸物 定压下 加热溶液使之蒸发 从始到终x y T不变的溶液 共沸点 恒沸点 共沸时的温度 对共沸物 一个汽相 一个液相 均相一个汽相 多个液相 非均相 二 共沸剂的选择一般原则 1 分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物a 共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物 b 分别与两组分形成二元正偏差共沸物 且共沸点有明显差别 c 与两组分形成三元正偏差共沸物 共沸点温度显著低 2 分离二元正偏差共沸物a 共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物 共沸温度明显低 b 形成三元正偏差共沸物 共沸点温度显著低 例1 分离环己烷 1 苯 2 共沸剂的选取 沸点 T1 80 8 T2 80 2 特点 1 2形成正偏差 或最低 共沸物 共沸点 T 77 4 X2 0 54 方法 1 找出与1 2形成共沸物的物质 2 筛选在所有能形成共沸物的物质中选出共沸点低于77 4 的物质 丙酮 甲醇 3 相图分析确定 分离情况 丙酮作共沸剂 塔顶分出环己烷与丙酮 甲醇作共沸剂 塔顶分出三元共沸物 例2 分离氯仿 沸点61 2 丙酮 沸点56 4 共沸剂的选取 特点 形成负偏差共沸物 选二硫化碳为共沸剂 塔顶 二硫化碳 丙酮共沸点 39 3 塔釜 较纯的氯仿 例3 分离乙醇 水 共沸剂的选取 特点 形成一个三元共沸物 三个二元共沸物 选苯为共沸剂 总之 1 显著影响1 2组分平衡关系2 S易回收 分离3 量少 汽化潜热小4 溶解度大 不起化学反应5 无腐蚀 无毒6 价廉 易得 三 分离共沸物的双压精馏过程 利用不同压力下 共沸组成不同分离 例 分离甲乙酮 水 四 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例 分离正丁醇 1 水 2 3 3 1反应精馏的应用3 3 2反应精馏过程 第三节反应精馏 返回 3 3 1反应精馏的应用两种类型 一种 利用精馏促进反应二种 通过反应促进精馏分离一 利用精馏促进反应的反应精馏例 酯化酸醋与乙醇生成酸醋乙酯酯交换醋醋丁酯与乙醇反应皂化氯丙醇皂化生成环氧丙烷 适用于 可逆反应反应产物相对挥发度大于或小于反应物时 由于精馏原因 产物一生成立刻离开反应区 如 乙酸乙酯 MTBE的合成 连串反应 A R S两种类型 1 S为目的产物将生成R和生成S二个反应器合并在一起 利用精馏提供不同的条件 缩短反应时间 提高收率和产品纯度 例如香豆素的合成 反应一区 反应二区 精馏段 提馏段 提馏乙酐 重排反应 保证第一步反应完全进行并不断蒸出乙酸 乙酸 产品 2 R为目的产物利用精馏把产物R尽快移出反应区 避免副反应进行 例 氯丙醇水解制环氧丙烷 副反应 二 利用反应促进精馏的反应精馏例 分离近沸点的混合物 例 对二甲苯 间二甲苯的分离 实现该反应精馏过程的基本条件 1 反应是快速可逆的 反应产物仅仅存在于塔内 2 添加剂必须选择性地与异构体之一反应 3 添加剂 异构体和反应产物沸点之间的关系符合精馏要求 三 催化精馏非均相催化精馏优点1 既起加速反应的催化作用 又作为填料起分离作用 适用于 可逆反应 连串反应 例 甲醇与C4反应生成甲基叔丁基醚 MTBE 美国CR L公司开发催化剂 强酸性阳离子交换树脂反应特点 MTBE和甲醇 异丁烯和甲醇均形成最底共沸物 该工艺优点 转化率高采用固定床反应 96 97 催化精馏 99 9 节能反应放出热量全部用于产物分离 投资少水 电 汽消耗仅为非催化精馏工艺的60 优点2 可移出产物中产生的对催化剂污染物 延长催化剂的寿命 反应段催化剂的装填要求 1 使反应段的催化剂床层有足够的自由空间 提供汽液相的流动通道 已进行液相反应 2 具有足够的表面积 3 允许催化剂颗粒的膨胀和收缩 4 结构简单 便于更换 返回 3 3 2反应精馏过程一般精馏塔 确定进料位置的原则 1 保证反应物与催化剂充分接触 2 保证一定的反应停留时间 3 保证达到预期的产物分离 流程设计依据 反应类型和反应物 产物的相对挥发度的关系 对于催化精馏塔 催化剂填充段应放在反应物含量最大的区域 反应段 异戊烯醚脱醚 异丙苯生产 3 4溶盐精馏和加盐萃取精馏 1 盐效应及其对气液平衡的影响1 盐效应机理把盐加入饱和的非电解质溶液中 非电解质的溶解度就发生变化如果溶解度下降 则称为盐析 如果溶解度增加则称为盐溶 二者统称为盐效应 2 溶盐精馏 1 基本原理在原料液中加入第三种组分 盐 使原来的两种组分的相对挥发度显著提高 从而可用普通精馏的方法使原来相对挥发度很小或者形成恒沸物的体系分离2 流程 3 特点 第三组分 固体盐 盐对相对挥发度影响大 盐的浓度一般为混合液的百分之几 盐不挥发 不需萃取剂回收手段 盐的选择范围广4 应用盐的回收十分困难 且循环使用中固体盐的输送加料及盐结晶引起堵塞 腐蚀等问题限制了它在工业中的应用 目前主要用于制取无水乙醇 3 加盐萃取精馏 1 基本原理把盐加入到萃取精馏的溶剂中 既可以利用盐效应 提高待分离组分的相互挥发度 减少溶剂循环量 又克服了溶盐精馏中盐的输送回收困难等问题2 流程 4 特点 利用溶盐精馏萃取剂分离效果好的优点 改进萃取剂效果差的效果 利用萃取精馏溶剂是液体 回收循环方便 工业上易实现的优点 克服了溶盐精馏因盐是固体回收输送困难等缺点5 应用用于具有恒沸组成的醇 水体系及酯 水体系的分离 3 4分离过程的节能 一 分离的最小功和热力学效率 1 等温分离的最小功 1 定义当分离过程完全可逆时 分离消耗的功完全可逆 体系内所有的变化过程必须是可逆的 体系只与温度为T0 绝对温度 的环境进行可逆的热交换 2 净功和热力学效率 1 净功 2 热力学效率 热力学效率 若分离过程是完全可逆的 热力学效率为1 0 实际过程为不可逆过程 故必定小于1 0 实际分离过程由于其不可逆性而使其从而 1 实际不可逆性越大 则 越小 使过程尽量接近可逆过程 降低过程的净功消耗 提高热力学效率 精馏过程热力学不可逆的原因 精馏过程不可逆的根本原因是三传的不可逆性 其主要表现于以下三方面 1 流体流动时有压力差 通过一定压力梯度的动量传递 2 传热时有一定温差 通过一定温度梯度的热量传递或不同温度的物流直接混合 3 传质过程有浓度差 通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位的物流直接混合 本章目录 二 节省精馏过程能耗的一些措施 1 有效能的充分回收及利用采用加强设备的保温以及回收利用物流的部分显热或潜热等措施2 减少过程的净耗功采用改变分离过程操作条件的方法来减少过程的净耗功 如严格控制设计富裕度 选定最佳回流比促使设备投资费与操作费降为最少 3 减少质量传递中的浓度梯度 从二元系的图中可看出 若将操作线向平衡线靠近 即能减少传质推动力 从而减少了精馏过程的不可逆程度 降低净功耗为此采用中间冷凝及中间再沸手段设置设置中间冷凝器和中间再沸器 使操作更趋于可逆精馏 净功消耗降低 同时可回收或节省高位的能量 当顶低温差较大时 效果尤佳 3 减少质量传递中的浓度梯度 3 减少质量传递中的浓度梯度 4 多效精馏 利用若干压力不同的精馏塔 按压力高低顺序进行组合 使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔顶的再沸器的预热介质多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的30 50 4多效精馏 高压塔的冷凝器与低压塔的再沸器耦合成一个换热器 利用高压塔的塔顶蒸汽去加热蒸发低压塔塔底的物料 有并流型 逆流型 混流型三种 a 并流型 低沸成分 高沸成分D D1 D2 W W1 W2 b 逆流型 c 混流型 低沸成分 高沸成分D D1 D2 三种流程的供热量均比单塔流程减少30 40 多效精馏可节能 但需增加设备投资 经济可行性需通过经济核算而定 由于两塔耦合 需要更高的控制系统 d 混流型 例 双效精馏甲醇 50 甲醇 Q双 Q单 0 643单效改为双效可节能约35 5 低温热泵精馏 热泵精馏原理 利用膨胀阀和压缩机改变制冷剂的冷凝和沸腾温度 冷凝器中放热作为再沸器加热所需能量 a 采用外部致冷剂的热泵 闭式热泵 b 采用压缩塔顶蒸汽的热泵 开式A型热泵 c 采塔底液体闪蒸