汽液傳質(zhì)分離過程

汽液傳質(zhì)分離過程第1頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一溶劑的作用稀釋作用改變原溶液中關(guān)鍵組分的相互作用的作用2、溶劑的選擇原則1）考慮分子極性2）考慮能否形成氫鍵3）考慮其它因素沸點(diǎn)高、不與1、2組分共沸，不起化學(xué)反應(yīng)；

溶解度大；溶劑比（溶劑/進(jìn)料）不得過大；無毒、不腐蝕、低廉、易得。第2頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一萃取精餾過程的簡化計(jì)算1）操作線方程2）相平衡關(guān)系3）操作回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料位置；4）溶劑進(jìn)料量第3頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一例：用萃取精餾法分離正庚烷(1)-甲苯(2)二元混合物。原料組成z1=0.5；z2=0.5（摩爾分?jǐn)?shù)）；采用苯酚為溶劑，要求塔板上溶劑含量xS=0.55（摩爾分?jǐn)?shù)）；操作回流比為5；飽和蒸汽進(jìn)料；平均操作壓力為124.123kPa。要求餾出液中含甲苯不超過0.8%（摩爾），塔釜含正庚烷不超過1%（摩爾）（以脫溶劑計(jì)），試求溶劑與進(jìn)料比和理論板數(shù)。解：計(jì)算基準(zhǔn)：進(jìn)料100kmol/h。①脫溶劑的物料衡算：代入已知條件解得：D′=49.898kmol/h；B′=50.102kmol/h第4頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一②計(jì)算平均相對揮發(fā)度由文獻(xiàn)中查得本物系有關(guān)二元Wilson方程參數(shù)（J/mol）各組分的安托尼方程常數(shù)：t:℃;ps:kPa組分ABC正庚烷6.018761264.37216.640甲苯6.075771342.31

219.187苯酚6.055411382.65

159.493各組分的摩爾體積（cm3/mol）：

,

,

第5頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)在溶劑進(jìn)料板上正庚烷和甲苯的液相相對含量等于餾出液含量，經(jīng)泡點(diǎn)溫度的試差得：泡點(diǎn)溫度為109.4℃。同理，假設(shè)塔釡上一板液相中正庚烷和甲苯的液相相對含量為釡液脫溶劑含量，且溶劑含量不變，經(jīng)泡點(diǎn)溫度的試差得：泡點(diǎn)溫度為132.7℃。第6頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一故平均相對揮發(fā)度為：公式作y'－x'圖。按③核實(shí)回流比和確定理論塔板數(shù)：由露點(diǎn)進(jìn)料，y'－x'圖上圖解最小回流比：故R>Rm按操作回流比作操作線，圖解理論塔板數(shù)，得N=14，進(jìn)料板為第7塊（從上往下數(shù)）。第7頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一④確定溶劑/進(jìn)料：粗略按溶劑進(jìn)料板估計(jì)溶劑對非溶劑的相對揮發(fā)度：若按塔釡上一板估計(jì)β，則由α1S=28.32和α2S=9.76得β=0.1。從式（3-27）可以看出，用較小的β值計(jì)算溶劑進(jìn)料量較為穩(wěn)妥。L'=S+RD'=S+249.49經(jīng)試差，得S=270kmol/h，故溶劑/原料比S/F=2.7。第8頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一剩余曲線第9頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一剩余曲線一個由蒸餾釜和冷凝器構(gòu)成的簡單間歇蒸餾過程。液體混合物在蒸餾釜中慢慢沸騰，氣體在逸出瞬間立即移出。由于一般情況下汽相組成與液相組成不同，與此同時，蒸餾釜的溫度，即釜中剩余液體的泡點(diǎn)溫度也連續(xù)變化。用于描述間歇蒸餾釜中剩余液體組成隨時間的變化的曲線稱之為剩余曲線。故隨蒸餾過程的進(jìn)行，釜中剩余液體的組成連續(xù)變化。曲線指向時間增長的方向，從較低沸點(diǎn)狀態(tài)到較高沸點(diǎn)狀態(tài)。剩余曲線是指無回流簡單蒸餾過程中塔釜濃度隨時間變化的軌跡。第10頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一三元物系的剩余曲線對于三元混合物的蒸餾，可以很直觀地在三角相圖上表示剩余曲線。以正丙醇-異丙醇-苯三元物系為例，在101.3kPa操作壓力下所做完整的剩余曲線圖如圖。第11頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一圖中正丙醇、異丙醇和苯的沸點(diǎn)分別為97.3℃、82.3℃和80.1℃。正丙醇、苯和異丙醇、苯分別形成二元最低共沸物，共沸溫度為77.1℃和71.7℃。該三元物系的所有剩余曲線都起始于異丙醇-苯的共沸物D

。其中一條剩余曲線DE

終止于另一個共沸物E

，即正丙醇-苯二元共沸物。因?yàn)樵撌Ｓ嗲€將三角相圖分成兩個蒸餾區(qū)域，故稱它為簡單蒸餾邊界。

蒸餾區(qū)域邊界（如DE）均開始和終結(jié)于純組分頂點(diǎn)或共沸物。

1、簡單蒸餾邊界第12頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一所有處于蒸餾邊界右側(cè)的剩余曲終止于正丙醇頂點(diǎn)C

，它是該區(qū)域內(nèi)的最高沸點(diǎn)(97.3℃)。所有處于DBE

區(qū)域的剩余曲線都終止在純苯的頂點(diǎn)B

，它是第二蒸餾區(qū)域的最高沸點(diǎn)80.1℃。若原料組成落在ADEC

區(qū)域內(nèi)，蒸餾過程液相組成趨于C

點(diǎn)，蒸餾釜中最后一滴液體是純正丙醇。位于DBE

區(qū)域的原料蒸餾結(jié)果為純苯（B

點(diǎn)）。2、不同蒸餾區(qū)域剩余曲線的特點(diǎn)第13頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一3、穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)、不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)、鞍形點(diǎn)按附近剩余曲線的形狀和特征不同可將純組分頂點(diǎn)和共沸點(diǎn)分為三類：凡剩余曲線匯聚于某特殊點(diǎn)，則稱該點(diǎn)為穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。如B、C兩點(diǎn)。凡剩余曲線發(fā)散于某點(diǎn)，則稱該點(diǎn)為不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。如D點(diǎn)。凡某特殊點(diǎn)附近的剩余曲線是雙曲線的，則為鞍形點(diǎn)。如A、E。

在同一蒸餾區(qū)域中，剩余曲線簇僅有一個穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)和一個不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。

第14頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一4、剩余曲線的應(yīng)用剩余曲線圖近似描述無限高連續(xù)精餾塔內(nèi)在全回流條件下的沿塔高方向的液體濃度分布。為共沸精餾流程的設(shè)計(jì)以及萃取精餾、共沸精餾和多組分精餾的集成提供理論依據(jù)。第15頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一1、共沸劑的選擇

當(dāng)a、b組分形成兩元共沸物時，加入共沸劑的作用是在塔頂或者塔釜分離出較純的產(chǎn)品a、b。

只有在三角相圖上，剩余曲線開始或者終止于a和b，即a和b分別為穩(wěn)定點(diǎn)或不穩(wěn)定點(diǎn)時，分離才能成為可能。從較低沸點(diǎn)狀態(tài)到較高沸點(diǎn)狀態(tài)。第16頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一1）a、b形成最低共沸物的情況選擇比原共沸溫度更低的低沸點(diǎn)且不形成共沸物的物質(zhì)為共沸劑Te<T<Ta<Tb，e-b和e-a均不形成共沸物。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第17頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一選擇中間沸點(diǎn)，并且與低沸點(diǎn)組分生成最低共沸物的物質(zhì)為共沸劑Ta<Te<Tb，e-a生成最低共沸物T2<Ta。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。邊界線是兩個共沸點(diǎn)的連接線。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第18頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一選擇高沸點(diǎn)，并且與原兩組分均生成最低共沸物的物質(zhì)為共沸劑Ta<Tb<Te，e-b和e-a均形成最低共沸物。有三個蒸餾區(qū)域。邊界線為zc、zd。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。第19頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2）a、b形成最高共沸物的情況選擇比原共沸溫度更高的沸點(diǎn)且不形成共沸物的物質(zhì)為共沸劑T2<Te，e-b和e-a均不形成共沸物。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。純組分a、b作為不同精餾塔的塔頂餾出液采出。純組分e作為塔釜液采出。第20頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一選擇中間沸點(diǎn)，并且與高沸點(diǎn)組分生成最高共沸物的物質(zhì)為共沸劑Ta<Te<Tb，e-b生成最高共沸物T1>Tb。

e的加入使三角相圖分為兩個蒸餾區(qū)域。邊界線是兩個共沸點(diǎn)的連接線。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第21頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一選擇低沸點(diǎn)，并且與兩組分均生成最高共沸物的物質(zhì)為共沸劑Te<Ta<Tb，e-b和e-a均形成最高共沸物。

e的加入使三角相圖分為三個蒸餾區(qū)域，產(chǎn)生兩條邊界線。

a、b分別位于不同區(qū)域，均為不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。純組分a、b作為不同精餾塔的釜液采出。第22頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一3）共沸劑選取原則概括只有當(dāng)某一剩余曲線連接所希望得到的產(chǎn)品時，一個均相共沸物才能被分離成接近純的組分。若滿足上述條件：對于二元最低共沸物系，共沸劑應(yīng)該是一個低沸點(diǎn)組分或能形成新的二元或三元最低共沸物的組分；對于二元最高共沸物系，共沸劑應(yīng)該是一個高沸點(diǎn)組分或能形成新的二元或三元最高共沸物的組分。第23頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第26頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一>><<第31頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一<<第32頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一<<>>第33頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一<<第34頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第35頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第37頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第38頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第39頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第40頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第42頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第43頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第44頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第45頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第47頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第48頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第49頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第51頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第53頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第54頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第55頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一3.3.2共沸精餾共沸物（恒沸物）：定壓下，加熱蒸發(fā)溶液，從始到終x、y、T不變的溶液。共沸點(diǎn)（恒沸點(diǎn)）：共沸時的溫度。共沸物分類：一個汽相，一個液相，—均相共沸物一個汽相，多個液相，—非均相共沸物根據(jù)相態(tài)：根據(jù)蒸汽總壓對理想狀態(tài)的偏差程度:若溶液的蒸氣壓對理想溶液發(fā)生正偏差,并且是具有最大正偏差的系統(tǒng)，則形成最低恒沸物。若溶液的蒸氣壓對理想溶液發(fā)生負(fù)偏差,并且是具有最大負(fù)偏差的系統(tǒng)，則形成最高恒沸物。第56頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一共沸物特點(diǎn)：

1）當(dāng)P不變時，共沸組成（共沸點(diǎn)）一定，Tb=Td，汽化過程中溫度T不變；2）在泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線交點(diǎn)，汽化時組成不變，α＝1

；

3）共沸物體系特殊在共沸點(diǎn)，用普通精餾的方法不能通過共沸點(diǎn)，但在共沸點(diǎn)兩側(cè)仍有分離作用。第57頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一科諾瓦洛夫定律：P～x曲線極值點(diǎn)，對應(yīng)于汽液平衡相，組成相等。第58頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一平衡氣、液相組成相等，并不一定相當(dāng)于溫度或壓力的極值點(diǎn)?？浦Z瓦洛夫定律適用于兩元物系，也適用用于多元物系。并且，溫度的極大值總是相當(dāng)于壓力的極小值。反之也成立。但，多元物系不同于兩元物系，這是由于多元物系中相組成與蒸汽的分壓，及總壓之間的關(guān)系比兩元時復(fù)雜的多。第59頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一共沸物的判斷在恒溫下，兩液相共存區(qū)的溶液蒸汽壓大于純組分蒸汽壓，且蒸汽組成介于兩液相組成之間，這種系統(tǒng)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溫后又可分成兩個液相。第60頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一αβxαxβxαxβ3.3.2.1二元非均相共沸精餾1、分離流程若兩組分形成非均相共沸物，則采用雙塔流程，并設(shè)置分層器，在不加入任何共沸劑的情況下可實(shí)現(xiàn)組分間的完全分離。經(jīng)典流程如圖。設(shè)原料中兩組分A、B，以A的摩爾分?jǐn)?shù)表示物料組成，初始A為易揮發(fā)組分。兩塔塔頂接近共沸組成的上升蒸汽經(jīng)冷凝后在分層器分成兩個液相α、β。假設(shè)xAα<xAβ

。α相返回1塔作回流。在1塔，由于A是易揮發(fā)組分，高純度的B會從塔釜引出。分層器中的β相送入2塔回流

。此時B是易揮發(fā)組分，所以組分A是塔釜產(chǎn)品。第61頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一進(jìn)料位置αβxαxβxαxβ1)若xF

<xα<xβ

，則應(yīng)在1塔進(jìn)料；2)若

xα

<

xβ

<xF

，則應(yīng)在2塔進(jìn)料；3)若

xα

<xF

<xβ

，則應(yīng)在分層器進(jìn)料。第62頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一兩液相回流的通用流程在一些情況下，由于工藝或者設(shè)備的要求，需要采用兩液相回流。第63頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一兩元非均相共沸精餾的應(yīng)用是從水溶液中分離和回收某些有機(jī)物質(zhì)的簡單有效方法。有時，僅要求分離出一個純產(chǎn)品，可采用單塔流程。如丁二烯中飽和水的脫除。此時，塔釜中得到的是脫水干燥后的有機(jī)物，塔頂出丁二烯-水混合物，經(jīng)冷凝分層后，有機(jī)相回流。水相中有機(jī)物含量少，所以可不設(shè)2塔回收有機(jī)物，而以廢水形式排放。對于形成二元均相最低共沸物的系統(tǒng)，降低分層器溫度，或者降低操作壓力，使冷凝液出現(xiàn)液液分層情況，也可按非均相共沸精餾處理。第64頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2、兩元非均相共沸精餾的圖解法兩元非均相共沸精餾的圖解法，對于恒摩爾流情況，計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的；對于非恒摩爾流情況，計(jì)算結(jié)果欠佳，可作為ASPENPLUS軟件嚴(yán)格計(jì)算的初值。1)單相回流圖解法對兩塔進(jìn)行總的物料衡算：已知，1塔進(jìn)料，F(xiàn)，xF，分離要求xB1、xB2。解得：圖解法過程第65頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)1塔精餾段氣相流量為V1液相流量為L1。在1塔精餾段的第n塊塔板及2塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔精餾段操作線方程：第66頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一在1塔提餾段的第n塊塔板及1塔塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔提餾段操作線方程：假設(shè)1塔提餾段氣相流量為V1’液相流量為L1’。第67頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

2塔，塔頂進(jìn)料，所以只有提餾段。假設(shè)2塔氣相流量為V2’液相流量為L2’。得2塔操作線方程：第68頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)相平衡曲線，1塔精餾段、提餾段操作線，2塔操作線方程作圖。αβxαxβxαxβ1塔和2塔圖解理論板數(shù)的起點(diǎn)分別是操作線上橫坐標(biāo)為xα

、xβ的點(diǎn)。分別作階梯至xB1、xB2得各段理論板數(shù)。第69頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一αβxαxβxαxβA組分為水的兩元非均相共沸精餾的圖解法過程設(shè)原料中兩組分A、B，以A的摩爾分?jǐn)?shù)表示物料組成，初始A為易揮發(fā)組分，且A為水。兩塔塔頂接近共沸組成的上升蒸汽經(jīng)冷凝后在分層器分成兩個液相α、β。假設(shè)xAα<xAβ

。α相返回1塔作回流。在1塔，由于A是易揮發(fā)組分，高純度的B會從塔釜引出。分層器中的β相送入2塔回流

。此時B是易揮發(fā)組分，所以組分A-水是塔釜產(chǎn)品。所以，2塔是水塔，可以直接水蒸氣加熱。第70頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)1塔精餾段氣相流量為V1液相流量為L1。在1塔精餾段的第n塊塔板及2塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔精餾段操作線方程：物料衡算時，二塔塔釜多了一項(xiàng)水蒸氣流量S。若xF<xα<xβ，則應(yīng)在1塔進(jìn)料第71頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一在1塔提餾段的第n塊塔板及1塔塔釜出口之間作物料橫算：所以得1塔提餾段操作線方程：假設(shè)1塔提餾段氣相流量為V1’液相流量為L1’。同間接加熱提餾段方程。第72頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)2塔氣相流量為V2’液相流量為L2’。得2塔操作線方程：按恒摩爾流假設(shè)，第73頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一隨水排出的有機(jī)物量增大，即有機(jī)物的收率會略有降低。對兩塔進(jìn)行總的物料橫算：

1塔進(jìn)料，F(xiàn)，xF，分離要求xB1、xB2。解得：直接水蒸氣加熱：已知間接加熱：可見直接水蒸氣加熱B2增大，即廢水排放量增大；若保持收率不變，應(yīng)適當(dāng)降低2釜排放廢水中有機(jī)物的含量。第74頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一若xα<xβ<xF，則應(yīng)在2塔進(jìn)料直接水蒸氣加熱2塔提餾段操作線方程：2塔精段操作線方程：1塔操作線方程：第75頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一若

xα

<xF

<xβ

，則應(yīng)在分層器進(jìn)料直接水蒸氣加熱2塔提留段操作線方程：1塔操作線