分離工程2-3教學(xué)課件

第三節(jié)萃取精餾萃取精餾是在原溶液(1、2組分)中添加萃取劑S，萃取劑不和被分離物系中任意組分形成恒沸物，但能改變?cè)芤航M分間的相對(duì)揮發(fā)度，且添加劑的沸點(diǎn)比原溶液各組分的沸點(diǎn)均要高的另一種特殊精餾操作。萃取精餾主要應(yīng)用于以下三種情況：(1)組分沸點(diǎn)相近的混合溶液的分離(2)非理想混合溶液的分離(3)有恒沸點(diǎn)的混合物的分離x’y’xs=0.8xs=0.6xs=0.4xs=0圖7-24醋酸甲酯—甲醇恒沸物（以水為萃取劑）一、萃取精餾的基本原理為什么S組分的加入,可使原溶液1,2組分間的相對(duì)揮發(fā)度增大？由，飽和蒸汽壓之比與溫度、壓力及物性有關(guān)；活度系數(shù)之比與純組分的物性及另一組分的相互作用有關(guān)。若找到適當(dāng)?shù)腟，可在操作條件不變的情況下，改變活度系數(shù)之比，使其朝著有利于增大12的方向變化，則可達(dá)到目的。由柯干公式：（7-10）要使S符合要求，即要(12)S>12，或，且比零大得越多越好?！選S

>0，故也要有：由此可看出：（1）萃取劑濃度xS越大，組分1、2在萃取劑存在下相對(duì)揮發(fā)度(12)S也越大。一般要求在0.6以上，適宜的萃取劑濃度在0.6~0.8(mol分率)。且越大越好。若原1，2組分性質(zhì)相似，接近理想溶液，則?，F(xiàn)問(wèn)題簡(jiǎn)化為，即希望盡可能大，而盡可能小。（2）根據(jù)端值常數(shù)的定義：從以上兩式看出，當(dāng)

或

時(shí)，有

即當(dāng)組分1與S形成理想溶液，或組分2與S形成理想溶液時(shí)，S的加入不起作用，此即一個(gè)分界點(diǎn)。要想

，則要

。說(shuō)明組分1與S要形成具有正偏差的非理想溶液；而要

，則要

，即組分2與S形成具有負(fù)偏差的非理想溶液。二、萃取劑的選擇良好的萃取劑，應(yīng)該是加入原混合物后，使(12)S>12，且大得越多越好。即S應(yīng)與1形成正偏差的非理想溶液，與2形成負(fù)偏差的非理想溶液。能滿(mǎn)足以上條件的，稱(chēng)為具良好選擇性的萃取劑。除此之外，還需考慮其他問(wèn)題：萃取劑與被分離組分不發(fā)生化學(xué)作用，不形成恒沸物，與原組分容易分離。萃取劑的沸點(diǎn)應(yīng)比被分離的所有組分高，在塔內(nèi)呈液相。萃取劑對(duì)被分離的組分溶解度要大，避免發(fā)生分層現(xiàn)象。萃取劑應(yīng)具有較好的熱穩(wěn)定性，能長(zhǎng)期使用，對(duì)人無(wú)毒，對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕，價(jià)格低廉，來(lái)源充沛。三、萃取精餾流程在萃取精餾中，萃取劑主要是在液相中影響組分1、2的相對(duì)揮發(fā)度，因此，要求萃取劑在液相中維持恒定濃度。x’y’xs=0.8xs=0.6xs=0.4xs=0圖7-241.氣相進(jìn)料的萃取精餾流程由于q=0，則L=L精餾段中S的濃度xs與提餾段中的x’s相等；即相圖如圖7-26所示為使萃取劑在塔內(nèi)濃度維持恒定，一般將萃取劑加到最上一層塔板，原料中不必再加。塔頂出純組分1，從塔釜引出含大量萃取劑的組分2，再入回收塔II。塔II塔釜采出萃取劑重新進(jìn)入第I塔塔上部。I塔塔頂設(shè)有溶劑回收段，防止組分1把萃取劑帶出。圖7-25圖7-26圖7-26中為脫溶劑基濃度。溶劑回收段2.液相進(jìn)料的萃取精餾流程精餾段：提餾段：由于液相進(jìn)料，xs≠x’s，L=L+qF即：x’s<

xs，因此，在相圖中，平衡曲線是不連續(xù)的。圖7-27提餾段濃度脫溶劑基濃度若進(jìn)料中不添加溶劑時(shí)，提餾段中x’S如上圖所示。若添加部分溶劑與進(jìn)料液一起進(jìn)入塔內(nèi)，則使提餾段的溶劑濃度從x’S提高到xS，用虛線示之。為了塔內(nèi)維護(hù)溶劑濃度恒定，則須在進(jìn)料處加入適量的溶劑S，使其xS=x’S。流程與前相同，只是在進(jìn)料處有溶劑加入。即溶劑從塔頂、進(jìn)料處同時(shí)加入。四、萃取精餾的計(jì)算主要內(nèi)容：確定萃取劑用量，計(jì)算理論板數(shù)。原則上與多組分精餾一樣，亦可采用簡(jiǎn)捷法和逐板法兩種。簡(jiǎn)化計(jì)算：利用萃取精餾中萃取劑為恒定濃度這一假設(shè)，可把萃取精餾問(wèn)題簡(jiǎn)化為雙組分系統(tǒng)來(lái)處理。1.萃取精餾塔內(nèi)的汽液兩相流量分布與萃取劑濃度的分布塔內(nèi)由于存在大量溶劑，使得塔內(nèi)汽液相流量很不均衡，其液汽比要比普通精餾大得多。若有恒摩爾流的假設(shè)，有圖7-28的模型。（1）塔內(nèi)無(wú)蒸汽冷凝的情況不考慮由于萃取劑的存在，使得上升蒸汽部分冷凝的情況，則有：精餾段V=RD+D=(R+1)D，L=RD+S提餾段其中：以上僅考慮塔內(nèi)沒(méi)有蒸汽冷凝時(shí)的情況。實(shí)際上，萃取劑沿塔高向下流動(dòng)時(shí)，溫度逐漸升高，這就需要有一定量的蒸汽冷凝，以補(bǔ)償萃取劑升溫時(shí)所吸收的熱量，造成液相流量增大，即內(nèi)回流量加大。當(dāng)萃取劑入塔溫度tS低于塔內(nèi)溫度時(shí)，此影響更為顯著圖7-28R

D（2）塔內(nèi)有蒸汽冷凝的情況設(shè)：CS——萃取劑的平均比熱；

MS——萃取劑的分子量；

Hv——汽相組成的蒸發(fā)潛熱；

ts，tn，tm——萃取劑加入溫度及第n、m板上的溫度。精餾段：萃取劑從加入口到第n板由于升溫所需的熱量Qs這部分熱量由上升蒸汽冷凝放出的潛熱補(bǔ)充，其量為故精餾段上第n塊板的液相流量Ln為相應(yīng)汽相流量Vn+1為（7-29）（7-30）對(duì)于提餾段：（7-31）（7-32）(2)萃取精餾塔內(nèi)萃取劑濃度分布在萃取精餾塔內(nèi)，萃取劑的揮發(fā)度比所處理物料的揮發(fā)度低，用量又較大，故在塔上基本維持在一個(gè)固定的濃度值，如萃取劑的“恒定濃度”xs，這是處理萃取精餾的一個(gè)重要假設(shè)，它可簡(jiǎn)化萃取精餾的計(jì)算過(guò)程。假設(shè)塔內(nèi)為恒分子流，塔頂蒸出的萃取劑量忽略不計(jì)，萃取劑在塔內(nèi)各層板上維持恒定濃度對(duì)于精餾段：V+S=L+D設(shè)萃取劑在汽相中濃度為ys，而餾出液中不含萃取劑，則同理對(duì)提餾段可得在萃取精餾中，值一般較小，當(dāng)0時(shí)，可簡(jiǎn)化為：2.萃取精餾塔理論板數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算簡(jiǎn)化計(jì)算的主要依據(jù)：(1)萃取劑的特點(diǎn)為沸點(diǎn)高、揮發(fā)度??；(2)由塔頂引入后幾乎全部流入塔釜；(3)萃取劑在塔內(nèi)各板上的濃度恒定不變，萃取精餾過(guò)程可作為雙組分物系來(lái)處理（脫溶劑基）。(1)求出(12)S-x’關(guān)系，作圖備查(2)物料衡算求出D、xDi、W、xWi等，方法如多組分精餾。(3)在x’1-y’1圖上作平衡曲線由于萃取劑濃度xS對(duì)(12)S影響很大，而且不同進(jìn)料狀態(tài)對(duì)精、提餾段的xS影響不同，如q=0時(shí)，曲線連續(xù)；當(dāng)q>0，xSx’S，所以曲線不連續(xù)，若要xS=x’S，即使曲線連續(xù)，則需在進(jìn)料中補(bǔ)充S。(4)確定最小回流比Rm及實(shí)際回流比R1)Rm可由以下兩式計(jì)算：當(dāng)進(jìn)料為飽和液體時(shí)，當(dāng)進(jìn)料為飽和氣體時(shí)，(5)操作線方程精餾段提餾段(6)萃取劑用量的確定

S的量由公式確定。若進(jìn)料處需補(bǔ)充，SF由公式確定。(7)求最少理論板數(shù)Nm，理論板數(shù)N。1)最小理論板數(shù)可用芬斯克公式求得：然后，按吉利蘭圖求出N。(8)回收段有關(guān)參數(shù)的計(jì)算3.萃取精餾理論板數(shù)的逐板計(jì)算法若要進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算可用逐板法，有關(guān)多組分精餾中所述的逐板法在此均可應(yīng)用，如比流量法、三對(duì)角矩陣法等。五、萃取精餾的注意事項(xiàng)(1)由于加入的萃取劑是大量的（一般要求xS>0.6），因此，塔內(nèi)下降液量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上升蒸汽量，從而造成汽液接觸不佳，故萃取精餾塔的塔板效率低，大約為普通精餾的一半左右（回收段不包括在內(nèi))。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意塔板結(jié)構(gòu)及流體動(dòng)力情況，以免效率過(guò)低。(2)由于組分間相對(duì)揮發(fā)度是借助萃取劑的加入量來(lái)調(diào)節(jié)的，隨萃取劑在液相中的濃度xS的增加(12)S而增大。當(dāng)塔頂產(chǎn)品不合格時(shí)，不能采用加大回流的辦法來(lái)調(diào)節(jié)，因這樣做會(huì)使萃取劑在塔內(nèi)濃度降低，反而情況更加惡化。一般調(diào)節(jié)方法有1)加大萃取劑用量。2)減少進(jìn)料量，同時(shí)減少塔頂產(chǎn)品的采出量。這也就是在不改變下降液量的前提下加大了回流比。(3)通常萃取劑用量較大，塔內(nèi)液體的顯然在全塔的熱負(fù)荷中占較大比例，所以，在萃取劑加入時(shí)，溫度微小的變化往往引起較大的內(nèi)回流比變化，直接影響上升蒸汽量，從而波及全塔。應(yīng)該以萃取劑恒定濃度與萃取劑溫度作主要被調(diào)參數(shù)，以保持塔的穩(wěn)定，當(dāng)操作條件接近液相分層時(shí)，要更特別注意。(4)在決定塔徑及設(shè)計(jì)塔板結(jié)構(gòu)時(shí)，除了按照蒸汽量（包括溶劑蒸汽在內(nèi)）計(jì)算外，還應(yīng)當(dāng)注意液流中有較大量的萃取劑。(5)在萃取精餾塔內(nèi)，液相萃取劑濃度一般為xS>0.6，此時(shí)，塔中組分1、2的濃度變化范圍僅在x1+x2<0.4以?xún)?nèi)，因此，塔內(nèi)溫度有些變化，由塔頂向下溫度會(huì)升高，但變化不顯著。在回收段內(nèi)，由于萃取劑含量迅速下降，僅幾塊板，即可使xS由0.6~0.8變?yōu)閤S0，這樣會(huì)引起溫度的陡降。塔釜處，由于基本上是萃取劑，因此塔釜溫度也可能會(huì)急劇上升。即塔兩頭溫度變化大，要注意塔頂、塔釜的溫度。一、溶鹽精餾采用固體鹽（溶鹽）作為分離劑進(jìn)行分離的方法，稱(chēng)為溶鹽精餾。如乙醇-水系，加入CaCl2或KAc可使相對(duì)揮發(fā)度增大，恒沸點(diǎn)消失。第四節(jié)其他特殊精餾方法簡(jiǎn)介溶鹽精餾的優(yōu)缺點(diǎn)：1鹽完全不揮發(fā)，只存在于液相，在塔內(nèi)全部向下流動(dòng)，并在塔釜產(chǎn)品中流出，分離容易。2鹽使組分相對(duì)揮發(fā)度改變的效果好，鹽的用量少。3鹽的溶解和回收后的循環(huán)輸送較困難。二、加鹽萃取精餾在綜合萃取精餾和溶鹽精餾優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，形成了加鹽萃取精餾的分離方法。該法將鹽溶入溶劑中，與溶劑一起加入精餾塔內(nèi)，使溶鹽精餾與萃取精餾的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。例如，乙醇-水體系，在乙二醇中加入KAc的加鹽萃取精餾流程。叔丁醇—水叔丁醇水乙二醇+NaCl圖4-5加鹽萃取精餾流程圖三、幾種精餾方法的比較和討論(1)因萃取精餾溶劑沸點(diǎn)高，溶劑可從塔頂或附近加入，使全塔的相對(duì)揮發(fā)度都得到提高。(2)萃取精餾溶劑在塔內(nèi)基本上不揮發(fā)，能量消耗少。而恒沸精餾中恒沸劑與原料組分同時(shí)氣化，消耗能量。(3)恒沸精餾由于必須形成恒沸物，因而可供選擇的恒沸劑面窄，不如萃取精餾溶劑有較大的選擇范圍。(4)萃取精餾溶劑沸點(diǎn)高，易于和重組分分離，故回收容易，特別適宜于分離原料組分是沸點(diǎn)相近的烴類(lèi)。恒沸精餾中恒沸劑至少與一個(gè)原料組分形成恒沸物，回收比較困難，工藝流程相對(duì)復(fù)雜。但恒沸精餾在下列情況下使用比萃取精餾有利：(1)由于恒沸精餾中大多形成低沸點(diǎn)恒沸物，因而塔內(nèi)的操作溫度比萃取精餾為低，對(duì)一些熱穩(wěn)定性差的原料用恒沸精餾較為有利。(2)如希望得到的產(chǎn)品不是恒沸組分之一，而是塔底產(chǎn)物，恒沸精餾可以得到較純的產(chǎn)品。(3)如恒沸物是非均相的，致使恒沸劑的回收、循環(huán)使用方便時(shí)，恒沸精餾將較為有利。(4)當(dāng)恒沸劑用量很少，總的能量消耗少于萃取精餾，且萃取精餾由