第三章汽液传质分离过程-7

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：101.3kPa0.7MPa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TeTTaTb，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TaTeTb，e-a生成最低共沸物T2Ta。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TaTbTe，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T2Te，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TaTeTb，e-b生成最高共沸物T1Tb。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TeTaTb，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αβxαxβxαxβ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xAαxAβα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。进料位置αβxαxβxαxβ1)若xFxαxβ，则应在1塔进料；2)若xαxβxF，则应在2塔进料；3)若xαxFxβ，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。2211BBFxBxBFx21BBF2121BBBFxxxxFB1212BBBFxxxxFB解得：图解法过程假设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：211BLV22111BnnxBxLyV所以得1塔精馏段操作线方程：)333(212111BnnxVBxVLy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：111'1'1BmmxByVxL1'1'1BVL所以得1塔提馏段操作线方程：)323(1'11'1'11BmmxVBxVLy假设1塔提馏段气相流量为V1’液相流量为L1’。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：)343(2'22'2'21BmmxVBxVLy2Bx塔21Bxxx塔1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。αβxαxβxαxβ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α、β。假设xAαxAβ。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。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：211BLSV22111BnnxBxLSyV所以得1塔精馏段操作线方程：)353(1121112VSxVBxVLyBnn物料衡算时，二塔塔釜多了一项水蒸气流量S。S若xFxαxβ，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：111'1'1BnnxByVxL1'1'1BVL所以得1塔提馏段操作线方程：)323(1'11'1'11BnnxVBxVLy假设1塔提馏段气相流量为V1’液相流量为L1’。S同间接加热提馏段方程。假设2塔气相流量为V2’液相流量为L2’。得2塔操作线方程：)373(12'22'2'21BmmxVBxVLy按恒摩尔流假设，SV'2S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。2211BBFxBxBSFx21BBSF212211BBBBFxxxxxFB121121BBBBFxxxSxxFB解得：直接水蒸气加热：已知间接加热：2121BBBFxxxxFB1212BBBFxxxxFB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。S若xαxβxF，则应在2塔进料直接水蒸气加热2塔提馏段操作线方程：)373(12'22'2'21BmmxVBxVLy2塔精段操作线方程：)333(212111BnnxVBxVLy类似于1塔操作线方程：)323(1'11'1'11BnnxVBxVLyS若xαxFxβ，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：)373(12'22'2'21BmmxVBxVLy1塔操作线方程：)323(1'11'1'11BnnxVBxVLyS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，L1/V1=1.23(L/V)1,min,水塔中V2’/B2=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：①产品流率；②两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。①进料位置的判断由气液平衡数据，xxxxxF故，,975.0,537.0应1塔进料。②物料横算已知间接加热：2121BBBFxxxxFB1212BBBFxxxxFB解得：,/5.37431hkmolBhkmolB/5.12562③1塔操作线和理论板数的确定α.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xF值代入上式得:y=-2.33x+0.933,将其绘于y-x图上，与平衡线交于J1点，xJ1=0.17，yJ1=0.53。若夹点出现在塔顶，设为J2点，因回流液组成x回=0.573。固，J2点的气相组成应是与回流液成平衡的y值，故，yJ2=0.75。Fxqxqqy111最小气液比若1塔夹点在塔顶若1塔夹点在进料板58.0573.0-995.075.0-995.0222min,1回xxyxVLBJB564.017.0-995.0.530-995.01212min,1JBJBxxyxVL58.0/min,1VL取数值最大者为b.操作线和理论板的确定5.1256713.0)/(23.1/1211min11LBLVVLVL.5.3121,0.437811LV得精馏段操作线方程285.0713.0212111nBnnxxVBxVLy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，NR=2，NS=2。④2塔操作线和理论板数的确定由题意，V2’/B2=0.132，又B2=1256.5所以V2’=165.9，L2’=V2’+B2=1422.4。得2塔操作线方程：54.757.812'22'2'21mBmmxxVBxVLy画操作线。由x回’=0.975与操作线交点J3开始图解理论板，N2=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(H2O)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(H2O)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yx2、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