化工分离过程(第13讲)(3.3.2共沸精馏)

化工分离过程ChemicalSeparationProcesses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33.3.2.3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/kmol4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。系统压力，MPa共沸组成，乙醇%共沸温度，℃0.009310027.790.020096.242.000.053391.462.800.101390.078.100.193389.195.503.3.2.3分离共沸物的双压精馏过程53.3.2.3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63.3.2.3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：1常压2加压水MEKF共沸物共沸物73.3.2.3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Ⅰ进料，塔釜为纯水，塔顶为含MEK65％的共沸物；共沸物进高压塔Ⅱ，塔顶为含MEK50％的共沸物馏出液循环到塔Ⅰ，塔釜得到纯MEK。图3-25双塔精馏流程83.3.2.3分离共沸物的双压精馏过程21WWF物料衡算：1,12,11,112,1,1,111)(212两个塔作一个整体对于组分1（MEK）2,121,111wxWwxWFz图3-25双塔精馏流程93.3.2.3分离共沸物的双压精馏过程2,12,12,1121wxWxDxDDD可得：物料衡算：对塔Ⅱ对于组分1（MEK）图3-25双塔精馏流程221WDD21122112,1,1,1,11,12,11,11,1,1,1,122)()(DDD分离共沸物的双压精馏过程21122112,1,1,1,11,12,11,11,1,1,1,122)()(DDD（3-67）循环物料的流率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。113.3.2.4二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123.3.2.4二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）丁醇塔水塔丁醇水进料直接蒸汽共沸物133.3.2.4二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ynx1Ⅱ,冷凝后分层：x1Ⅰ,x1Ⅱx1Ⅰx恒x1Ⅱ→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。143.3.2.4二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）丁醇塔水塔丁醇水进料直接蒸汽153.3.2.4二元非均相共沸物的精馏693683212211WWFxWxWFxwwf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图3-29物料衡算图163.3.2.4二元非均相共沸物的精馏图3-29物料衡算图按中圈（红色）所示范围物料衡算，可得：211WLV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70321211122111wnnwnnxVWxVLyxWxLyV故173.3.2.4二元非均相共沸物的精馏212111wnnxVWxVLy（3-70）式（3-70）即为塔Ⅰ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Ⅰ内各板相遇物流之间关系；(3-70)式是一条直线；讨论：183.3.2.4二元非均相共沸物的精馏按最内圈（绿色）作物料衡算，可得：图3-29物料衡算图713212112211211wwxVWxVLyxWxLyVWLV回顶回顶故193.3.2.4二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Ⅱ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。71370321211212111wwnnxVWxVLyxVWxVLy回顶比较式（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。203.3.2.4二元非均相共沸物的精馏塔Ⅰ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Ⅱ无需精馏段。其操作线可仿照塔Ⅰ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。213.3.2.4二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，Ⅰ塔和Ⅱ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Ⅰ塔作为回流，酚层送入Ⅱ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，Ⅰ塔和Ⅱ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Ⅰ塔和Ⅱ塔的最少理论塔板数。223.3.2.4二元非均相共沸物的精馏iiWWixWxWFz,2,12110021WW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：219999.000001.000.1WW解得：W1=99.0,W2=1.0233.3.2.4二元非均相共沸物的精馏21WLVnn确定Ⅰ塔的操作线：a、精馏段操作线由第n板与n+1板之间到Ⅱ塔一起作物料衡算，得：219999.0WLxVynnb、提馏段操作线为：11WLVmm1100001.0WxLyVmm(B)(注：恒摩尔流)(A)243.3.2.4二元非均相共沸物的精馏22229899.001.09999.0)(01.09999.001.00138.0WVWWVWLV最小最小最小最小2602600038.09899.022WWV最小（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。①若夹点（恒浓区）在进料板，则由（A）式得出：故253.3.2.4二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Ⅰ来说，V最小=756.22.7562.7560038.09831.022WWV最小22229831.00168.09999.0)(0168.09999.00168.00181.0WVWWVWLV最小最小最小最小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263.3.2.4二元非均相共沸物的精馏③Ⅱ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Ⅱ塔之操作线方程式：3.23.22907.06689.022'WWV最小22226689.0331.09999.0)(331.09999.0331.00403.0WVWWVWLV最小最小最小最小221wmmxWxLyV(C)故273.3.2.4二元非均相共沸物的精馏（2）求Ⅰ塔的理论板数：精馏段：10061100710072.7563434LVV）（最小提馏段：110610010061007FLLVV代入（A）及（B）式得出塔Ⅰ的操作线方程为：00099.0100610079999.01006100711mmnnxyxy精馏段操作线为：提馏段操作线为：283.3.2.4二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Ⅱ塔的理论板数：06.4106.306.33.234)(342WVLVV最小代入（C）式得操作线方程为：9999.006.406.31mmxy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=8。293.3.2.4二元非均相共沸物的精馏（4）求Ⅰ塔及Ⅱ塔的最少理论板数：求最少理论板数也就是全回流时的理论板数，在平衡线与对角线之间画阶梯。Ⅰ塔：从xw1=0.00001到x=00168之间画阶梯得：Nm=13Ⅱ塔：从xw2=0.9999到x=0.331之间画阶梯得：Nm=630阅读课本巩固知识作业：P117习题3-13（选做）