第9章蒸餾技術(shù)

1、1第 9 章 蒸餾技術(shù) Distillation9.1 間歇精餾間歇精餾9.2 水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾9.3 分子蒸餾分子蒸餾2一、蒸餾及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 蒸餾技術(shù)通過加熱造成氣液兩相體系，利用液體混合物各組分揮發(fā)性的差別或沸點的差別實現(xiàn)組分的分離與提純的一種操作。w蒸餾分離的依據(jù)：液體混合物各組分揮發(fā)性（沸點）的差異。3蒸餾過程的分類按物系的組分數(shù)雙組分蒸餾多組分蒸餾按蒸餾方式簡單蒸餾平衡蒸餾精餾特殊蒸餾間歇蒸餾連續(xù)蒸餾按操作方式：4蒸餾與蒸發(fā)的區(qū)別 蒸發(fā)：（1）溶質(zhì)不具有揮發(fā)溶劑具有揮發(fā)性；（2）通常濃縮液為產(chǎn)品；（3）傳熱過程蒸餾：（1）各組分均具有揮發(fā)性；（2）通常冷凝液和殘留液均為

2、產(chǎn)品；（3）傳質(zhì)過程5技術(shù)技術(shù)基本原理及特征基本原理及特征適用范圍適用范圍應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例間歇精餾間歇精餾靠液體混合物組分間飽和靠液體混合物組分間飽和蒸汽壓的差別實現(xiàn)分離蒸汽壓的差別實現(xiàn)分離化學(xué)合成藥物、天然化學(xué)合成藥物、天然藥物的分離提純；非藥物的分離提純；非共沸物溶劑的回收共沸物溶劑的回收抗腫瘤藥欖香抗腫瘤藥欖香烯的分離提純烯的分離提純間歇共沸精餾間歇共沸精餾在普通間歇精餾塔中加入在普通間歇精餾塔中加入夾帶劑與目標(biāo)組分形成新夾帶劑與目標(biāo)組分形成新的共沸物使原共沸物得到的共沸物使原共沸物得到分離分離共沸物溶劑回收共沸物溶劑回收乙醇、丁醇、乙醇、丁醇、乙酸乙酯等溶乙酸乙酯等溶劑的回收劑的回收間

3、歇萃取精餾間歇萃取精餾各平衡級伴有溶劑以增大各平衡級伴有溶劑以增大組分間相對揮發(fā)度組分間相對揮發(fā)度水蒸氣蒸餾水蒸氣蒸餾在分離與水不互溶的高沸在分離與水不互溶的高沸點物料的塔中加入過熱水點物料的塔中加入過熱水蒸氣或液態(tài)水，以降低蒸蒸氣或液態(tài)水，以降低蒸餾溫度餾溫度植物揮發(fā)油的提取或植物揮發(fā)油的提取或揮發(fā)油組分間的分離揮發(fā)油組分間的分離植物藥丁香酚植物藥丁香酚的提取的提取分子蒸餾分子蒸餾依靠分子運動平均自由程依靠分子運動平均自由程的差別實現(xiàn)分離的差別實現(xiàn)分離高沸點、熱敏性藥物高沸點、熱敏性藥物和生物活性物質(zhì)的提和生物活性物質(zhì)的提取和分離取和分離天然維生素天然維生素E的的提取提取69.1 間歇精餾間

4、歇精餾：將待分離混合物一次性投料后精餾獲得各純組分產(chǎn)品的過程。優(yōu)點： 可以采用單塔分離多組分混合物，獲得各純組分的產(chǎn)品； 一塔多用，如根據(jù)需要處理不同的進料得到不同的產(chǎn)品，或處理同一進料得到不同純度的產(chǎn)品； 適于特殊場合，如高真空、高凝固點、高純度、熱敏性等； 設(shè)備簡單，操作靈活，投資少。71.間歇精餾的流程和操作精餾式：各組分的產(chǎn)品按沸點從低到高的順序，逐一從塔頂采出。提餾式：各組分的產(chǎn)品按照沸點從高到低的順序逐一從塔底采出。8回流液回流液餾餾出出液液進料進料加熱蒸汽加熱蒸汽釜液釜液冷凝冷凝水水觀察觀察罩罩全凝全凝器器貯貯槽槽間歇精餾操作流程間歇精餾操作流程w原料一次加入到塔內(nèi)，當(dāng)釜殘液達到

5、指定組成后，精餾停止。w無提餾段。w精餾段：全部的塔段w餾出液組成不斷變化，在塔底上升蒸汽量和塔頂回流液量恒定的條件下，餾出液組成不斷降低。92.影響分離的主要因素物性參數(shù)：相對揮發(fā)度設(shè)備參數(shù)：理論塔板數(shù)、持液量操作參數(shù)：回流比、塔壓、蒸發(fā)速率10a：物性參數(shù)jijjiijiKKxyxy/相對揮發(fā)度：汽相逸度：液相逸度：pyfiViVipxfiLiLi0iiiLifxf汽液相平衡：LiViff相平衡常數(shù)：ViLiiiixyKpfxyKViiiiii011在工程實際應(yīng)用中：020112pp)(lnTCBAps12b：設(shè)備參數(shù)理論塔板數(shù)測定方法：二元物系正庚烷甲基環(huán)己烷或苯四氯化碳，使精餾塔在規(guī)定

6、的壓力和上升蒸汽流速下全回流操作，穩(wěn)定運行足夠長的時間，當(dāng)塔頂濃度穩(wěn)定不變，即全塔達到平衡狀態(tài)時，同時測定塔頂和塔底濃度，然后代人芬斯克公式計算所得的塔板數(shù)即為所測條件下的理論塔板數(shù)。ln/ )11ln(BBCCxxxxN13持液量由三部分構(gòu)成：塔身持液量（塔板或填料上的存液）、塔頂持液量（冷凝器和回流管線內(nèi)存液）和回流罐持液量。 作用：作用：a. 由于塔內(nèi)持液，使得沿塔身建立濃度梯度的過程需要一定時間，即必然需要一定的開工時間，持液量越大，開工時間越長。b. 由于塔內(nèi)存有持液，使分離難度加大。c. 由于塔內(nèi)持液具有一定質(zhì)量，具有組分的“吞吐”作用，宛如回轉(zhuǎn)運動的飛輪，起著延緩塔內(nèi)濃度變化的作

7、用。14C：操作參數(shù)a. 操作壓力：根據(jù)裝置供熱條件、待分離物料的沸點范圍以及熱敏穩(wěn)定限制三方面綜合考慮。b. 回流比：最重要的操作控制參數(shù)，直接決定產(chǎn)品純度、收率、操作時間以及過渡餾分量。c. 上升蒸汽流速：增大上升蒸汽流速，填料的理論塔板數(shù)會下降。153.間歇精餾的計算忽略塔內(nèi)持液，恒回流比R：)(BCBxddDxdt內(nèi)，餾出液濃度從xC下降至xC-dxC，得產(chǎn)品dD因為：dBdD所以：dBxBdxdBxBBC)(BCBxxdBBdx積分得：1100BxxBBCBBBxxdxBdB1001lnBBxxBCBxxdxBB16取1/（xC-xB）-xB進行圖解積分產(chǎn)品量：10BBD101100

8、BBxBxBxBBD)(11010BBVRLVBBT產(chǎn)品平均濃度：操作時間：17182.產(chǎn)品收率的計算P1W1P2FxF)1(1,DxP)2(2,DxP)1(1,WxW物料平衡：21PPF)2(12)1(111DDFxPxPFx)2(22)1(212DDFxPxPFx19考慮和不考慮過渡餾分“重蒸”，形成兩種產(chǎn)品收率。一次收率：總收率：00BxDxeD00BxWexDxeWD)1 (00BxWxeeW主要反映塔設(shè)備的分離能力，6080綜合考慮塔設(shè)備的分離能力和操作控制水平，8595205.間歇共沸精餾與間歇萃取精餾例如： 乙醇水溶液在總壓 時有最低恒沸點 ，恒沸物組成摩爾分率 （重量百分率為9

9、5.6%），用前述普通精餾方法，最多只能分離得到接近恒沸組成的酒精，這就是工業(yè)酒精中含乙醇只能達到95% （重量百分率）的 原 因。 atmp115.78Mt894. 0Mx21用普通間歇精餾難以分離的物系必須采用特殊精餾的方法分離。特殊精餾的基本原理是：在雙組分溶液中加入第三組分，以改變原雙組分物系的非理想性或提高其相對揮發(fā)度 而實現(xiàn)分離。根據(jù)第三組分所起作用的不同，又可分為間歇共沸蒸餾和間歇萃取精餾。22間歇共沸精餾在A、B雙組分恒沸溶液或相對揮發(fā)度很小的雙組分溶液中加入稱為挾帶劑的第三組分C，此挾帶劑C與原溶液中一個或兩個組分形成新的恒沸物（AC或ABC），新的恒沸物的沸點比純組分B（或

10、A）或原恒沸物（AB）的沸點低得多，使溶液變成“恒沸物純組分”的精餾，其相對揮發(fā)度大而易于分離。例如：23乙醇-水恒沸物+苯（挾帶劑）乙醇-水-苯三元恒沸物+純乙醇 A+B（AB）+C（ABC）+A（ABC）組成：A（乙醇）0.228，B（水）0.233，C（苯）0.539 （ABC）中水對乙醇摩爾比 ，故只要有足量的苯作為挾帶劑，在精餾時水將全部集中于三元恒沸物（ABC）中從塔頂帶出，而塔底產(chǎn)品為無水酒精。作為挾帶劑的苯在系統(tǒng)中循環(huán)使用，補充損失的苯量在正常情況下低于無水酒精產(chǎn)量的千分之一。除苯以外，乙醇水溶液恒沸精餾的挾帶劑還可以用戊烷、三氯乙烯等。xx022. 1228. 0233. 0

11、24間歇共沸精餾挾帶劑的選擇 在間歇共沸精餾中，選擇適當(dāng)?shù)膾稁┦枪卜芯s成敗的關(guān)鍵，對挾帶劑的要求是： 挾帶劑應(yīng)能與被分離組分形成新的恒沸液，其恒沸點要比純組分的沸點低，一般兩者沸點差不小于10。形成的新共沸最好是非均相的，以便直接分層，減小共沸物回收的難度。 新恒沸液所含挾帶劑的量愈少愈好，以便減少挾帶劑用量及氣化、回收時所需的能量； 夾帶劑應(yīng)易于回收、廉價、低毒、熱穩(wěn)定性好以及腐蝕性小等。25間歇萃取精餾 萃取精餾和共沸精餾相似，也是向原料液中加入第三組分（稱為萃取劑或溶劑），以改變原有組分間的相對揮發(fā)度而得到分離。但不同的是要求萃取劑的沸點較原料液中各組分的沸點高得多，且不與組分形成恒

12、沸液。萃取精餾常用于分離各組分沸點（揮發(fā)度）差別很小的溶液。例如，在常壓下苯的沸點為80.1，環(huán)乙烷的沸點為80.73，若在苯環(huán)乙烷溶液中加入萃取劑糠醛，則溶液的相對揮發(fā)度發(fā)生顯著的變化，相對揮發(fā)度隨萃取劑量加大而增高。 26原料液進入萃取精餾塔1中，萃取劑（糠醛）由塔1頂部加入，以便在每層板上都與苯相結(jié)合。塔頂蒸出的為環(huán)乙烷蒸汽。為回收微量的糠醛蒸汽，在塔1上部設(shè)置回收段2（若萃取劑沸點很高，也可以不設(shè)回收段）。塔底釜液為苯糠醛混合液，再將其送入苯回收塔3中。由于常壓下苯沸點為80.1，糠醛的沸點為161.7，故兩者很容易分離。塔3中釜液為糠醛，可循環(huán)使用。在精餾過程中，萃取劑基本上不被氣化

13、，也不與原料液形成恒沸液，這些都是有異于恒沸精餾的。27選擇萃取劑時，主要應(yīng)考慮： 萃取劑應(yīng)使原組分間相對揮發(fā)度發(fā)生顯著的變化； 萃取劑的揮發(fā)性應(yīng)低些，即其沸點應(yīng)較純組分的為高，且不與原組分形成恒沸液； 無毒性、無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好； 來源方便，價格低廉。28萃取精餾與共沸精餾的特點比較如下：a. 萃取劑比挾帶劑易于選擇；b. 萃取劑在精餾過程中基本上不氣化，故萃取精餾的耗能量較恒沸精餾的為少；c. 萃取精餾中，萃取劑加入量的變動范圍較大，而在共沸精餾中，適宜的挾帶劑量多為一定，故萃取精餾的操作較靈活，易控制；d. 共沸精餾操作溫度較萃取精餾的為低，故共沸精餾較適用于分離熱敏性溶液。 299.

14、2 水蒸氣蒸餾原理：水蒸氣蒸餾是基于不互溶液體的獨立蒸汽壓原理。在被分離的混合物中直接通入水蒸氣后，當(dāng)混合物各組分的蒸汽壓和水蒸氣的分壓之和等于操作壓力時，系統(tǒng)便開始沸騰。水蒸氣和被分離組分的蒸汽一起蒸出，在塔頂產(chǎn)品和水幾乎不互溶的情況下，餾出液經(jīng)過冷凝后可以分層，把水除掉即得產(chǎn)品。30水蒸氣蒸餾裝置，主要由水蒸氣蒸餾裝置，主要由水蒸氣發(fā)生器水蒸氣發(fā)生器、蒸餾部分蒸餾部分、冷凝部分冷凝部分和和接受器接受器四個部分四個部分組成。組成。319.3 分子蒸餾基本原理w 根據(jù)分子運動理論，液體混合物受熱后分子運動會加劇，當(dāng)接受到足夠能量時，就會從液面逸出成為氣相分子。隨著液面上方氣相分子的增加，有一部分氣相分子就會返回液相。在外界條件保持恒定的情況下。最終會達到分子運動的動態(tài)平衡，從宏觀上看即達到了平衡。32w根據(jù)分子運動平均自由程公式，不同種類的分子，由于其分子有效直徑不同，故其平均自由程也不同，即從統(tǒng)計學(xué)觀點看，不同種類分子逸出液面后不與其他分子碰撞的飛行距離是不同的。w 分子蒸餾的分離作用就是依據(jù)液體分子受熱會從液面逸出，而不同種類分子逸出后，在氣相中其運動平均自由程不同這一性質(zhì)來實現(xiàn)的 。3334分子蒸餾過程分子從液相主體到蒸發(fā)表面。分子在液層表面上的自由蒸發(fā)。分子從蒸發(fā)表面