恒沸精馏

第三章多组分多级平衡分离过程分析与简捷计算第三节特殊精馏二、恒沸精馏恒沸精馏是在原溶液中添加恒沸剂S使其与溶液中至少一个组分形成最低（最高）恒沸物，以增大原组分间相对挥发度差的非理想溶液的多元精馏形成的恒沸物从塔顶（塔釜）采出，塔釜（塔顶）引出较纯产品，最后将恒沸剂与组分分离3.3特殊精馏1、恒沸物恒沸物指在一定压力下，汽液相组成与沸腾温度始终不变的一类溶液。①二元均相恒沸物⑴相图二元恒沸物的性质：混合物的蒸汽压组成曲线上的极值点所对应的汽、液平衡相的组成相等。且温度的极大（或极小）值总是相当于压力的极小值3.3特殊精馏⑴相图3.3特殊精馏⑵判断均相恒沸物的特征：恒沸点1112,1xya根据体系的压力SSPPP21SSPPP21SSPPP213.3特殊精馏不形成恒沸物形成最低沸点恒沸物形成最高沸点恒沸物⑵判断b根据无限稀释活度系数SSPP221112恒沸点：112SSxPPx21101211211)(,,1,0SSxPPx21201222121)(,,1,023.3特殊精馏⑵判断最低沸点体系：11201211)(1)(xxSSSSPPPP21221111最高沸点体系：甲苯-乙腈121SsPP1221211SSPP21211SSPP3.930.2872.807最低沸点恒沸物甲苯-丙酮1.960.5156.897不形成恒沸物3.3特殊精馏⑶恒沸组成的计算恒沸点时：112SSPP1221)(),(iiSixfTfPa求T、P下的恒沸组成已知T，求出SiP，代入)(iixf及关联式，求解ixix有物理意义，则有恒沸物产生3.3特殊精馏⑶恒沸组成的计算b恒压下求恒沸温度与组成SiiiiSSPxPPxPxP222111设T，求出相应的SiP，代入关联式求解ix判断已知的P是否等于SiiiPx不相等，则调整T3.3特殊精馏②二元非均相恒沸物当溶液与理想溶液的偏差很大时，互溶度降低可形成二元非均相恒沸物。部分互溶溶液的t-x,y-x图如图所示。3.3特殊精馏②三元恒沸物⑴三元物系组成表示方法用正三角形或直角三角形来表示三元组成，正三角形的每个顶点1、2、3均代表纯组分，顶点对面的底线之间划等浓度线表示各顶点组分的浓度3.3特殊精馏M⑵相图用正三棱柱表示底面的正三角形表示组成，立轴表示压力（恒温系统）或温度（恒压系统）分别用压力面或温度面表示物系的汽液平衡关系。由于恒沸物的产生，使图上的压力（温度）面上出现上突或下陷，且使压力面上出现脊或谷3.3特殊精馏⑵相图3.3特殊精馏⑵相图3.3特殊精馏⑵相图3.3特殊精馏⑵相图3.3特殊精馏⑵相图3.3特殊精馏③恒沸组成与压力的关系恒沸物组成是指在一定压力下的。不同的压力下恒沸物的组成、温度均会有所改变，压力变化到一定程度可以使恒沸点消失定性规律：最低沸点恒沸物，压力升高时，恒沸物组成中分子（摩尔）汽化潜热大的组分增大反之亦然3.3特殊精馏③恒沸组成与压力的关系乙醇-水物系为正偏差且有极值点的非理想溶液，在760mmHg下，t共=78.1℃，x乙醇=0.9KgKcalHKgKcalH93209920乙醇水压力降低，使恒沸组成中乙醇量增加当P=70mmHg，x乙醇=1.0，恒沸点消失3.3特殊精馏2、恒沸剂的选择①必须与原溶液中至少一组分形成最低恒沸物，且其沸点较低10T℃②恒沸剂在恒沸物中的比例越小越好，且汽化潜热应小，使恒沸剂的用量少③恒沸剂易分离和回收，即形成非均相恒沸物④无毒、无腐蚀、热稳定性好，价廉易得3.3特殊精馏3、恒沸精馏流程①二元非均相恒沸物的精馏不加恒沸剂利用温度降低后恒沸物出现相分离现象3.3特殊精馏蒸汽油相水相计算二元非均相共沸系统的精馏时，物料衡算的特点是常需要把两个塔作为一个整体加以考虑。3.3特殊精馏按最外圈作物料衡算得出：FXf=W1xw1+W2xw2F=W1+W2由给定的F，x1，x2及xw2便可求出W1，W2之值。再按中间一圈进行物料衡算V1=L1+W2对易挥发组分为：V1yn+1=L1xn+W2xw2112111wnnxVWxVLy塔Ⅰ精馏段的操作线3.3特殊精馏V1y顶=L1x回+W2xw2比较上两式可看出，精馏段操作线最上一点的坐标为（y顶，x回），即应从此处开始画阶梯塔板数。若按最内圈物料衡算，可得：3.3特殊精馏讨论：nnn顶顶回顶顶回回顶顶回时且当的关系和）（的一点。是操作线上，即点的关系和）（是定值斜率，精馏段操作线过点则塔43)2(;)1(2,22,2,2,12,11,111,11wLVxVwxVLyxwxLyVwmmwmm提馏段：3.3特殊精馏5、塔2操作线方程22,2221VxWVxLywmm6、最小理论板数在相图中，平衡线和对角线间画梯级求解。3.3特殊精馏②分离有恒沸剂的非均相恒沸物3.3特殊精馏共沸精馏塔脱硝基甲烷塔烷烃回收塔补充共沸剂回流液新鲜进料甲苯烷烃图2-42用硝基甲烷分离甲苯—烷烃的流程3.3特殊精馏③分离均相恒沸物3.3特殊精馏3.3特殊精馏分离对象？恒沸物的类型？恒沸剂？苯—环己烷丙酮均相辅助分离手段？液液萃取萃取剂回收？普通精馏分离手段？恒沸精馏④塔顶产品为三元恒沸物的分离苯-乙醇、水形成三元恒沸物，t共=64.86℃，x苯=53.9%，x乙醇=22.8%，x水=23.3%。3.3特殊精馏3.3特殊精馏乙醇、水⑤分离恒沸物的双压精馏过程若压力变化明显影响恒沸组成，则采用两个不同压力操作的双塔流程，可实现二元混合物的完全分离。塔Ⅰ通常在常压下操作，塔顶为恒沸物进入塔Ⅱ为高（低）压力下操作3.3特殊精馏双塔流程可用于分离甲乙酮－水、四氢呋喃－水、甲醇－甲乙酮和甲醇－丙酮等体系。3.3特殊精馏①恒沸剂用量的确定S组分物料衡算：MSxMSFSSMSxMSAB组分物料衡算：MAFAxMxFFSxFxFAMAMBFBxMxFFSxFxFBMBSFM3.3特殊精馏①恒沸剂用量的确定合理的恒沸剂加入量应该是使塔釜组成W恰好落在三角相图的一个顶点，即组分B上，根据杠杆原理进行物料衡算利用相图，作F与S连线SA及B连线，两线交点M便是总物料点，再由杠杆规则确定恒沸剂S的用量3.3特殊精馏①恒沸剂用量的确定塔顶产品SA量：MSMFFSMSMFFSBASBMMSA塔釜产品W量：BSABMxxxxMBASBMMSABASMASMBMSABSAxxxxMBASMASMB3.3特殊精馏②恒沸剂引入位置⑴恒沸剂挥发度小，可在靠近塔顶部分引入，从而保证塔内有足够的恒沸剂浓度⑵恒沸剂为最低恒沸物，则恒沸剂分段引入，一部分随进料另一部分在提馏段⑶恒沸剂与两个组分都形成恒沸物，则在塔任何地方均可引入3.3特殊精馏简捷计算计算步骤：A选定合适的恒沸剂并计算用量。B按分离要求规定关键组分的回收度hlEE,C按Fensken公式确定mND按Fensken确定各组分在塔顶、塔釜的分布及浓度WiDixx,E按Underwood公式确定mR并选RF按Gilliland图计算实际回流比下的理论板数3.3特殊精馏恒沸精馏与萃取精馏的比较应用加入适当的溶剂，增大被分离的两组分间的挥发度的差异，促使精馏容易实现，这是两者的共同点。两者的差别1）恒沸精馏所用的恒沸剂必须与待分离组分的一个或几个形成恒沸物，因此可供选择的恒沸剂很有限，而萃取精馏所用溶剂却没有这种限制。2）恒沸精馏的恒沸剂大都从塔顶蒸出，消耗热能较大，只有当恒沸物中恒沸剂的含量很少，与恒沸剂形成恒沸物的组分在原料中含量也少时，才有可能与萃取精馏的能耗相匹敌。3）恒沸精馏既可用于连续操作，也可用于间歇操作，而萃取精馏只能用于连续操作。4）在同样压力下操作，恒沸精馏的操作温度较低，故比起萃取精馏来，更适宜于分离热敏性物质。1、二元非均相恒沸精馏的图解法，化工设计，1993年02期2、二元非均相共沸物分离过程模拟计算，化学工程，1994年05期3、几何法设计共沸精馏塔，天津化工，2001年01期4、分离共沸混合物，化工设备与管道，2001年03期1、什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸精馏流程。2、怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量，恒沸剂的用量过多或过少会怎样？。3、恒沸精馏的基本原理，说明沸点相近和相对挥发度相近是否为同一概念。4、当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同，为什么？5、请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。恒沸物组成与压力有关吗？恒沸精馏过程最好形成最低沸点恒沸物还是最高沸点恒沸物?通过改变压力能使恒沸点消失吗?