汽液传质分离过程

汽液传质分离过程第一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日溶剂的作用稀释作用改变原溶液中关键组分的相互作用的作用2、溶剂的选择原则1）考虑分子极性2）考虑能否形成氢键3）考虑其它因素沸点高、不与1、2组分共沸，不起化学反应；

溶解度大；溶剂比（溶剂/进料）不得过大；无毒、不腐蚀、低廉、易得。第二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日萃取精馏过程的简化计算1）操作线方程2）相平衡关系3）操作回流比、理论板数、进料位置；4）溶剂进料量第三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日例：用萃取精馏法分离正庚烷(1)-甲苯(2)二元混合物。原料组成z1=0.5；z2=0.5（摩尔分数）；采用苯酚为溶剂，要求塔板上溶剂含量xS=0.55（摩尔分数）；操作回流比为5；饱和蒸汽进料；平均操作压力为124.123kPa。要求馏出液中含甲苯不超过0.8%（摩尔），塔釜含正庚烷不超过1%（摩尔）（以脱溶剂计），试求溶剂与进料比和理论板数。解：计算基准：进料100kmol/h。①脱溶剂的物料衡算：代入已知条件解得：D′=49.898kmol/h；B′=50.102kmol/h第四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日②计算平均相对挥发度由文献中查得本物系有关二元Wilson方程参数（J/mol）各组分的安托尼方程常数：t:℃;ps:kPa组分ABC正庚烷6.018761264.37216.640甲苯6.075771342.31

219.187苯酚6.055411382.65

159.493各组分的摩尔体积（cm3/mol）：

,

,

第五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日假设在溶剂进料板上正庚烷和甲苯的液相相对含量等于馏出液含量，经泡点温度的试差得：泡点温度为109.4℃。同理，假设塔釡上一板液相中正庚烷和甲苯的液相相对含量为釡液脱溶剂含量，且溶剂含量不变，经泡点温度的试差得：泡点温度为132.7℃。第六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日故平均相对挥发度为：公式作y'－x'图。按③核实回流比和确定理论塔板数：由露点进料，y'－x'图上图解最小回流比：故R>Rm按操作回流比作操作线，图解理论塔板数，得N=14，进料板为第7块（从上往下数）。第七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日④确定溶剂/进料：粗略按溶剂进料板估计溶剂对非溶剂的相对挥发度：若按塔釡上一板估计β，则由α1S=28.32和α2S=9.76得β=0.1。从式（3-27）可以看出，用较小的β值计算溶剂进料量较为稳妥。L'=S+RD'=S+249.49经试差，得S=270kmol/h，故溶剂/原料比S/F=2.7。第八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日剩余曲线第九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日剩余曲线一个由蒸馏釜和冷凝器构成的简单间歇蒸馏过程。液体混合物在蒸馏釜中慢慢沸腾，气体在逸出瞬间立即移出。由于一般情况下汽相组成与液相组成不同，与此同时，蒸馏釜的温度，即釜中剩余液体的泡点温度也连续变化。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。故随蒸馏过程的进行，釜中剩余液体的组成连续变化。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。第十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日三元物系的剩余曲线对于三元混合物的蒸馏，可以很直观地在三角相图上表示剩余曲线。以正丙醇-异丙醇-苯三元物系为例，在101.3kPa操作压力下所做完整的剩余曲线图如图。第十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日图中正丙醇、异丙醇和苯的沸点分别为97.3℃、82.3℃和80.1℃。正丙醇、苯和异丙醇、苯分别形成二元最低共沸物，共沸温度为77.1℃和71.7℃。该三元物系的所有剩余曲线都起始于异丙醇-苯的共沸物D

。其中一条剩余曲线DE

终止于另一个共沸物E

，即正丙醇-苯二元共沸物。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。

蒸馏区域边界（如DE）均开始和终结于纯组分顶点或共沸物。

1、简单蒸馏边界第十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日所有处于蒸馏边界右侧的剩余曲终止于正丙醇顶点C

，它是该区域内的最高沸点(97.3℃)。所有处于DBE

区域的剩余曲线都终止在纯苯的顶点B

，它是第二蒸馏区域的最高沸点80.1℃。若原料组成落在ADEC

区域内，蒸馏过程液相组成趋于C

点，蒸馏釜中最后一滴液体是纯正丙醇。位于DBE

区域的原料蒸馏结果为纯苯（B

点）。2、不同蒸馏区域剩余曲线的特点第十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日3、稳定节点、不稳定节点、鞍形点按附近剩余曲线的形状和特征不同可将纯组分顶点和共沸点分为三类：凡剩余曲线汇聚于某特殊点，则称该点为稳定节点。如B、C两点。凡剩余曲线发散于某点，则称该点为不稳定节点。如D点。凡某特殊点附近的剩余曲线是双曲线的，则为鞍形点。如A、E。

在同一蒸馏区域中，剩余曲线簇仅有一个稳定节点和一个不稳定节点。

第十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日4、剩余曲线的应用剩余曲线图近似描述无限高连续精馏塔内在全回流条件下的沿塔高方向的液体浓度分布。为共沸精馏流程的设计以及萃取精馏、共沸精馏和多组分精馏的集成提供理论依据。第十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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。第十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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Te<T<Ta<Tb，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。第十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日选择中间沸点，并且与低沸点组分生成最低共沸物的物质为共沸剂Ta<Te<Tb，e-a生成最低共沸物T2<Ta。

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。第十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日选择高沸点，并且与原两组分均生成最低共沸物的物质为共沸剂Ta<Tb<Te，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。第十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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T2<Te，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。第二十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日选择中间沸点，并且与高沸点组分生成最高共沸物的物质为共沸剂Ta<Te<Tb，e-b生成最高共沸物T1>Tb。

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。第二十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日选择低沸点，并且与两组分均生成最高共沸物的物质为共沸剂Te<Ta<Tb，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。第二十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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。第二十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第二十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第二十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第二十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第二十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第二十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第二十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第三十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日>><<第三十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日<<第三十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日<<>>第三十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日<<第三十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第三十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第三十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第三十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第三十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第三十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第四十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第五十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第五十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第五十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第五十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第五十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日第五十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日3.3.2共沸精馏共沸物（恒沸物）：定压下，加热蒸发溶液，从始到终x、y、T不变的溶液。共沸点（恒沸点）：共沸时的温度。共沸物分类：一个汽相，一个液相，—均相共沸物一个汽相，多个液相，—非均相共沸物根据相态：根据蒸汽总压对理想状态的偏差程度:若溶液的蒸气压对理想溶液发生正偏差,并且是具有最大正偏差的系统，则形成最低恒沸物。若溶液的蒸气压对理想溶液发生负偏差,并且是具有最大负偏差的系统，则形成最高恒沸物。第五十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日共沸物特点：

1）当P不变时，共沸组成（共沸点）一定，Tb=Td，汽化过程中温度T不变；2）在泡点线和露点线交点，汽化时组成不变，α＝1

；

3）共沸物体系特殊在共沸点，用普通精馏的方法不能通过共沸点，但在共沸点两侧仍有分离作用。第五十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日科诺瓦洛夫定律：P～x曲线极值点，对应于汽液平衡相，组成相等。第五十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日平衡气、液相组成相等，并不一定相当于温度或压力的极值点。科诺瓦洛夫定律适用于两元物系，也适用用于多元物系。并且，温度的极大值总是相当于压力的极小值。反之也成立。但，多元物系不同于两元物系，这是由于多元物系中相组成与蒸汽的分压，及总压之间的关系比两元时复杂的多。第五十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日共沸物的判断在恒温下，两液相共存区的溶液蒸汽压大于纯组分蒸汽压，且蒸汽组成介于两液相组成之间，这种系统形成非均相共沸物。1-形成非均相共沸物。3-不形成共沸物。2-形成均相共沸物。2-形成均相共沸物但降温后又可分成两个液相。第六十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日αβxαxβxαxβ3.3.2.1二元非均相共沸精馏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α、β。假设xAα<xAβ

。α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β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。第六十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日进料位置αβxαxβxαxβ1)若xF

<xα<xβ

，则应在1塔进料；2)若

xα

<

xβ

<xF

，则应在2塔进料；3)若

xα

<xF

<xβ

，则应在分层器进料。第六十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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。第六十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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。第六十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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ASPENPLUS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，xF，分离要求xB1、xB2。解得：图解法过程第六十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日假设1塔精馏段气相流量为V1液相流量为L1。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：第六十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期日在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V1’液相流量为L1’。第六十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期日

2塔，塔顶进料，所以只有提馏段。假设2塔气相流量为V2’液相流量为L2’。得2塔操作线方程：第六十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期日根据相平衡曲线，1塔精馏段、提馏段操作线，2塔操作线方程作图。αβxαxβxαxβ1塔和2塔图解理论板数的起点分别是操作线上横坐标为xα

、xβ的点。分别作阶梯至xB1、xB2得各段理论板数。第六十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期日αβxαxβxαxβA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α、β。假设xAα<xAβ

。α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β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。第七十页，共八十二页，编辑于2023年，星期日假设1塔精馏段气相流量为V1液相流量为L1。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xF<xα<xβ，则应在1塔进料第七十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期日在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V1’液相流量为L1’。同间接加热提馏段方程。第七十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期日假设2塔气相流量为V2’液相流量为L2’。得2塔操作线方程：按恒摩尔流假设，第七十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期日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，xF，分离要求xB1、xB2。解得：直接水蒸气加热：已知间接加热：可见直接水蒸气加热B2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。第七十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期日若xα<xβ<xF，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：第七十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期日若

xα

<xF

<xβ

，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：