4 2特殊精馏

null第四章 　 多组分精馏与特殊精馏 （二）第四章 　 多组分精馏与特殊精馏 （二）null4.6 特殊精馏（Enhanced distillation） 当二个或更多个组分的沸点差小于50℃，并形成非理想溶液，相对挥发度可能小于1.10，甚至等于1。此时，常规精馏将很不经济；若还有共沸物形成，常规精馏就不可能实现分离。对此可采用特殊精馏中的某一种实现分离。 下表列出了理想二元烃溶液在全回流条件下操作，轻组分在馏出液中组成为95%（mol），在釜液中为5%时，沸点差、相对挥发度、理论板数之间的关系。null表4.6　沸点差、相对挥发度与理论板数的关系特殊精馏的原理是向被分离物系中加入能量分离剂的同时引入质量分离剂——溶剂。由于溶剂的作用加大了原料中关键组分相对挥发度，从而采用精馏经济地实现分离。null1. 萃取精馏（Extraction distillation） 在精馏过程中引入沸点相对更高的溶剂以改变液相混合物的活度系数，使关键组分的相对挥发度差异更大的精馏方法。萃取精馏中，溶剂总是从进料板以上，塔顶以下的几块板处送入塔内，并将同某一个关键组分一道总是从塔底离开。 2. 共沸精馏（Azeotropic distillation） 在精馏过程中引入夹带剂，与原料中的一个或几个组分形成最低或最高共沸物。形成均相共沸物的称为均相共沸精馏；形成非均相共沸物的称为非均相共沸精馏，应用更多。夹带剂可从塔的顶部、底部，或随原料引入，取决于形成的共沸物是从塔顶还是从塔釜离开。 3. 加盐精馏（Salt distillation） 在塔顶回流液中加入一种可溶性离子盐以改变关键组分的相对挥发度的精馏技术。由于盐是非挥发性的，它总是存在于液相中，并从塔底离开。加盐精馏实质上是萃取精馏。null反应精馏（Reactive distillation） 引入的分离剂选择性地与原料中的一个或几个组分进行可逆化学反应，反应产品在随后的精馏中与未反应组分实现分离的方法。因为是可逆反应，加入的分离剂和已反应的组分在后续的可逆反应中实现回收。 反应精馏也指反应和精馏同时在一个设备中进行，获得另一种化学品的过程，有时又称为催化精馏，特别适用于受化学平衡限制的反应过程，因为生成物总是不断地被分离。null对一般精馏，尽管其适宜塔序的确定、精馏塔 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的精确和简捷计算、精馏塔操作条件的优化等非常繁琐，但却是相对直接易懂的。 对特殊精馏，过程对上述内容的计算与确定是一个相对复杂得多的工作。在实际应用中，精确计算应用于特殊精馏往往是失败的，主要由于液相溶液的高度非理想性引起的。 相对挥发度接近1或等于1，其实质是两个组分分子间相互作用力太强所致。 溶剂的加入，一方面是溶剂组分与原料中各组分分子间作用力的不同，改变了相互的亲疏关系；另一方面，由于溶剂的加入，使原组分浓度降低，分子间相互作用力也减弱，这是溶剂的稀释作用。 无论何种特殊精馏技术，若仅以分离为目的，总存在溶剂回收问题，这是选择特殊精馏方法必须考虑的问题之一。null4.6.1 萃取精馏　　　　　　　　　　　 4.6.1.1　基本原理与溶剂选择　　　　　　 萃取精馏引入萃取剂后，组分间分子的相互作用力改变而引起活度系数改变，构成新的非理想溶液，最终改变关键组分的相对挥发度。 以液相为非理想溶液，气相为理想气体的二元体系，组分的相对挥发度：饱和蒸气压虽然随温度而变化，但其比值在通常范围内的变化不大，可认为相对挥发度主要取决于活度系数。而活度系数与溶液的组分和组成有关，当溶剂加入后，溶液的组分和组成均发生了变化，分子间相互作用改变，使活度系数之比发生变化，结果是使原料组分间的活度系数之比增大，导致相对挥发度也增大，从而有利于精馏分离操作。这就是萃取精馏的原理。null图4.14　　溶剂对相对挥发度的影响采用萃取精馏技术的关键就是选择溶剂。Point Anull如何选择溶剂？ 由相平衡关系式(2-4) 比较溶剂加入前后相对挥发度变化，可判断溶剂的性能。　　（4-36）若组分饱和蒸汽压变化不大，则可简化为：　　　（4-37）选择性也用无限稀释活度系数计算，即：（4-38） null萃取剂的作用 (P.113～115)。 由于萃取剂与原溶液中不同组分的相互作用不同，使它们的相对挥发度发生变化； 由于萃取剂的稀释作用，使原溶液中组分间的相互作用力减弱。 非理想性不大时，萃取剂的选择主要应考虑它对各组分的相互作用，稀释因素的作用较小； 非理想性较大时，在用一般精馏不易或不能分离的浓度区域，萃取剂的作用主要是稀释。 是无限稀释时组分i的活度系数，可从手册上获得，也可在实验室利用气相色谱(非电解质活度系数，复旦大学等, 物理化学实验,P78,高等教育出版社.(1979) )快速测得。null原料组分：强极性组分＋弱极性组分 萃取剂： 极性 非极性 塔釜出：强极性组分 非极性组分萃取剂选择的一些经验规律：（参考教材P.115～116）1. 根据原料中组分的极性来选择 有机物：水＞二醇＞醇＞酯＞酮＞醛＞醚＞烃 烃类：芳烃＞二烯烃＞一烯烃＞环烷烃＞烷烃 分离混合物： (a)1-丁烯和1-3-丁二烯 (b)丁烷和1-丁烯 乙腈作萃取剂，塔顶馏出的均是极性弱的组分，分别是(a)丁烯，(b)丁烷。 选用非极性溶剂，塔顶馏出极性强的组分， (a)丁二烯、 (b)丁烯。null在同系物中选择溶剂 如甲醇(1)沸点64.7℃和丙酮(2)沸点56.4℃的分离，存在最低恒沸物的溶液，共沸点55.7℃，共沸组成x1=0.2。 萃取剂有两种类型，如下表：选丙酮的同系物作溶剂，该溶剂要克服原溶液中的沸点差，使轻组分与溶剂一道从塔釜排出。 选轻组分的同系物作萃取剂，则重组分从塔顶馏出； 选重组分的同系物作萃取剂，则轻组分从塔顶馏出。null 依互溶度选择溶剂 如： 醋酸甲酯－甲醇，选水作为溶剂 　　　　＋　　 ＋ 　　　　水　　 水 部分互溶　完全互溶 塔顶出　　塔底出 酯类与甲、乙、丙醇的分离，一般都用水作萃取剂。 溶解度的大小将直接影响溶剂的用量、动力和热量消耗。丙酮和甲醇混合物，用极性强的水作萃取剂，据相似相溶原则，醇与水有较强的相互作用力，增强了酮对醇的相对挥发度。 乙酸乙酯－乙醇，可选丁醇作溶剂，增加酯的挥发度，二个醇均从塔釜得到，并可用一段精馏回收溶剂。null 影响选择性的一些因素： 溶剂浓度的影响 选择性随溶剂浓度增加而直线增大。 选择性随溶剂浓度增大而增大，但比浓度增加为快，若出现部分互溶情况时不再增加。 在溶剂浓度增大过程中，选择性有一极大值，较少见。 null温度的影响 从活度系数与温度的关系可得：(4-39) null4.6.1.2 萃取精馏流程 上世纪40年代，有工业装置，用于回收石油产品中甲苯和丁二烯，供制备炸药和合成橡胶。 广泛应用于异戊二烯的分离，醇、酮、酯、氯化物等有机物的分离提纯，甚至盐酸、硝酸的脱水提浓均采用萃取精馏。 null萃取精馏的典型流程如图4.13，主要设备是萃取精馏塔。由于溶剂的沸点最高，它总是由塔釜排出。要在塔的绝大多数板上维持较高的溶剂浓度，溶剂加入口需在加料口以上。溶剂入口以上必须有若干块板形成溶剂再生段，保证馏出液中溶剂的浓度达标。 溶剂与重组分从塔釜排出，送入溶剂回收装置。一般采用精馏将重组分与溶剂进行分离。溶剂返回萃取精馏塔使用。 溶剂的损失不大，只需少量补偿即可。null若原料是以液相加入萃取精馏塔，提馏段中溶剂浓度会因原料的加入而低于精馏段。因此，萃取精馏多以汽相方式加料。 若必须用液相加料时，除在精馏段加入溶剂外，还必须在进料处补充部分溶剂。null有的体系，在某一浓度范围内，加入溶剂可提高其相对挥发度，而在另一浓度范围内，相对挥发度反而降低。可采用在萃取精馏塔的某个中间部位采出萃取剂的方式，其原则流程如图4.14。 从萃取塔中间引出的物料送入溶剂回收塔，回收塔得到的馏出液又送回萃取塔的中部。回收塔的釜液是循环溶剂。null当选取的萃取剂沸点太高，要在塔釜获得只含萃取剂和重组分的混合物而不含轻组分，不仅要求理论板很多，且釜温高，压力大，成本增加，还导致工业上难以满足其要求。可选用图4.15所示的流程，即增加一个轻组分回收塔。 萃取精馏塔底部流出物含有轻组分，是三组分混合物，它进入减压溶剂回收塔，塔釜流出物为溶剂，循环回萃取精馏塔，塔顶得到含轻重组分的二元溶液再进入轻组分回收塔，塔顶馏出的含轻重组分的混合液引回萃取精馏塔作为进料，塔釜得重组分产品。null图4.16萃取精馏－液液萃取－精馏联合流程在萃取精馏塔底流出的萃取剂和原料中的一个组分形成的混合物进入液液萃取槽，通常进行水萃法，分层后，水层（含萃取剂）进入精馏塔回收萃取剂，萃取剂返回萃取精馏塔循环使用。 这种流程简单，能耗低。null4.6.1.3萃取精馏过程分析 萃取剂。通常选择2～3种溶剂进行综合评价。 萃取剂回收方法。精馏、冷却分层或液液萃取。 萃取塔操作条件。操作压力、温度、萃取剂加料比、回流比等。 压力。根据原料性质确定，一般选常压操作。 温度。化学稳定性，全塔范围内是均相操作，避免出现分层。 萃取剂用量和回流比。一般是萃取剂用量大，选择性就高；回流比增加，理论板数减少，但同时会对萃取剂起稀释作用，又减小了萃取剂的选择性。存在一最佳值，与溶液性质相关。 萃取精馏塔的理论板数和塔径。塔径主要取决于处理的原料量、回流比和萃取剂用量。理论板数与普通精馏相似，取决于分离要求。 null提馏段流量：由于各组分汽化潜热不同，萃取剂沿塔向下流动时温度逐步升高，会冷凝一部分蒸汽，液相流量不断增大。萃取剂的入塔温度较低时，影响更显著。 考虑这一因素后：1. 塔内流量分布 萃取塔内存在大量溶剂，将影响塔内两相流量，其分布与一般精馏塔有所不同。假设为恒摩尔流时， 精馏段流量：null精馏段中任一板的液相流量：(4-44)汽相流量：(4-45)提馏段中任一板（第m板）的液、汽相流量分别为：(4-46)(4-47)MS萃取剂的分子量，cp,S萃取剂的平均比热，ΔHr分离组分在萃取剂中的溶解热，当忽略混合热时，即汽化潜热。TS溶剂的进料温度，Tn和Tm分别是精馏段第n板和提馏段第m板上的温度，W’是塔釜溶剂流量。 对于精馏段，影响液相流量的主要因素是溶剂； 对于提馏段，除溶剂因素外，原料的加料状态也是重要因素。null2. 塔内溶剂分布 萃取精馏塔内，萃取剂的挥发性比所处理的原料各组分挥发性要低得多，且用量又大，可将其视为在塔内维持在一固定浓度，如图4.17所示，即所谓萃取剂的恒定浓度，萃取精馏塔的计算也因此简化。图4.17null萃取精馏是多组分精馏过程，由于组分分子性质差异小，萃取剂的挥发度相对很低，萃取剂浓度及液体焓值沿塔高变化不大，萃取剂的作用仅是改变原料组分间的相对挥发度。采用有萃取剂存在下的原料组分间相对挥发度 后，可不考虑萃取剂的存在，使计算大大简化。若原料是二元混合物，可按二元精馏进行计算。要求不十分严格的场合，可用下面方法计算。4.6.1.4 萃取精馏过程计算null 图解法 假设塔内溶剂浓度是一恒定值（精馏段、提馏段因进料状态不同，溶剂浓度也不同），对分离的两个关键组分，可得恒浓度溶剂的汽液平衡相图，作为拟二元体系用图解法求解。 液相加料，溶剂在精馏段中的浓度大于提馏段中的浓度，平衡曲线分为两段，精馏段有较大的相对挥发度。 露点进料，精馏段与提馏段的溶剂浓度相同，此时可用一条汽液平衡曲线表示。null简化法 最小回流比 泡点进料：露点进料：式中：溶剂存在时组分1对组分2的相对挥发度；组分1在塔顶产品中的浓度（无溶剂基）； 组分1在原料中的液、汽相浓度（无溶剂基）。 最少理论板数由芬斯克方程计算，实际理论板数用吉利兰图求。null 对有溶剂存在的多元体系的萃取精馏，只要考虑溶剂改变了原料组分的相对挥发度这一因素，即可用多元精馏的简捷法进行计算。 步骤为： 根据混合物的分离要求，计算塔顶、塔釜的物料组成； 确定萃取剂加入量，计算萃取剂加入塔内的泡点温度； 计算加料板、塔顶、塔釜物料的泡点温度； 计算萃取剂在加入板、加料板和塔釜的相对挥发度，并计算全塔的平均相对挥发度； 计算最小回流比和最少理论板数； 计算实际回流比下的理论板数。 null溶剂用量的计算：萃取精馏塔溶剂用量大，溶剂与原料比可达5～9倍，溶剂沸点最高，溶剂很快在塔内达到一恒定浓度。 由溶剂衡算得 并有：式中β是溶剂对非溶剂的相对挥发度： 在塔顶，x2→0，β≈αs1 在塔釜，x1→0，β≈αs2 null全塔平均相对挥发度：对于精馏段有： (4-51)对于提馏段 (4-52)式(4-51)和(4-52)分母中的第二项一般都很小，在大多数情况下可忽略不计。当最适合的溶剂浓度选定后，就可计算溶剂用量。 See p120，例3-5.null4.6.1.5 萃取精馏过程设计、操作特点 萃取剂用量大，浓度一般在0.6～0.8，挥发度小，塔内下流液量远大于上升蒸汽量； 塔内两相流量差异大，两相接触不佳，板效率下降，仅为普通精馏塔效率的一半左右，塔效率通常在20～30%； 回流比应严格控制，操作不能任意调节。因为加大回流比反而降低萃取剂在塔内的浓度，分离效果会更差。调节方法往往是调萃取剂进料温度TS， ；也可采用加大萃取剂用量或减少进料量或减少出料量以保持恒定的回流量来改善分离效果； 设计中应注意塔径由液相流率来确定，若用汽相流率来计算，则需用液相流率来校正，DL＞DV； 塔内温度要严格控制，保持塔内在均相区操作。null4.7.1共沸精馏 原理与萃取精馏相同。区别在于共沸剂在改变原料组分相对挥发度的同时，还与原料中的一个或多个组分形成共沸物。 4.7.1.1形成共沸物的条件及共沸物的特性 二元溶液 共沸物的形成是由于溶液与理想性产生偏差的结果。具有正（或负）偏差的二元共沸系统，其压力和组成的关系如图4.16所示。 若系统与理想性产生正偏差时，可能形成最低共沸物；而产生负偏差时，有可能形成最高共沸物。当正偏差很大时，则形成的共沸物有可能出现两个液相。null二元系在三相共存时，其自由度为1。在温度或压力指定的条件下，系统无自由度，在任何不同的两液相比例下，汽相组成和压力或温度不变。 这种物系可分为三类： 第一类，恒温下，两液相共存区的溶液蒸汽压大于纯组分的饱和蒸汽压，且蒸汽组成介于两液相组成之间，形成非均相共沸物。(p125-126) 第二类，恒温下，两液相共存区的溶液蒸汽压大于纯组分的饱和蒸汽压，但蒸汽组成并不介于两液相组成之间，形成均相共沸物。 (p123-125) 第三类，恒温下，两液相共存区的溶液蒸汽压介于两纯组分的饱和蒸汽压之间，不形成共沸物。 null这三类系统的相图如图4.17所示。从图中还可知道，不论其不互溶范围的大小，也不论其沸点差有多大，部分互溶体系总是属于最低共沸体系。null共沸精馏中经常遇到液相分层问题，需对液相是否分层进行分析预测。 若汽相为理想气体，对第一类和第二类共沸系统有：而第三类系统是：P是两液相共存区的溶液蒸汽压。 对于均相和非均相二元共沸系统的共沸点预测，详见教材P123～128。4.7.1.2 共沸剂的选择及回收方法 共沸剂至少应与原料液中的一个组分形成共沸物，且共沸温度应显著低于（或高于）原料液组分的沸点或原料液中共沸物沸点。null例如，常压下分离环已烷和苯。环已烷和苯能形成共沸物，共沸组成与温度如图4.18。 要使分离易于进行，要求与共沸剂形成的共沸物的沸点低于77.4℃，一般要求相差10℃以上。 丙酮与环已烷形成的共沸物（共沸温度53.1℃），甲醇与环已烷形成的共沸物（共沸温度54.2℃），都比77.4℃低10℃以上，可考虑用其中之一作为分离环已烷和苯的共沸剂。纯组分及共沸物的沸点如下图所示。 null理想的共沸剂： 1. 当分离一沸点相近或有最高共沸点的混合物时，共沸剂应具有下列性质之一： 共沸剂与其中一个组分形成最低共沸物。 共沸剂与两个待分离组分分别形成两个最低共沸物，且这两个共沸物的共沸点有足够大的温差。 共沸剂与原料组分形成一个三元最低共沸物，其沸点比原有的二元共沸物沸点低得多。同时要求三元共沸物中两个待分离组分的组成之比与原料中的该比值有显著差异。null2. 当分离最低共沸物时，共沸剂应有下列性质： 新形成的最低共沸物沸点应比原料共沸物的沸点低得多。 共沸剂与原料组分形成一个三元最低共沸物，其沸点比原有的二元共沸物沸点低得多。同时要求三元共沸物中两个待分离组分的之比与原料中的该比值有显著差异。 对共沸剂的其它要求是：所形成的新共沸物中，共沸剂的比例愈小愈好。共沸剂的效率提高，循环量减少，降低了蒸发所需的热量及冷凝所需的冷剂用量。 共沸剂是否易于回收，对所选择的共沸剂是否具有工业应用价值非常重要，关系到生产成本和建设费用。null由于共沸剂与原料形成共沸物，其回收方法不能采用一般的精馏方法。通常可根据情况选用下面的一些方法： 1） 冷却后相分离 很多共沸物在降低温度后出现两个液相，即非均相共沸物。由于分相后，每相的组成均迈过了共沸点，故可用一般精馏进行分离。通常是将其中一个富含共沸剂的相作回流返回共沸精馏塔，另一个含较多原料组分的相在另一塔内精馏分离。 2） 加入另一组分或盐使相分离 若共沸物是均相共沸物，有时加入另一组分（可以是共沸物组分之一）或一可溶盐，使原均相共沸物分层。如在甲基乙基酮－水共沸物中加入少量轻烃类物质即分离成富水层和贫水层，或加入氯化钠或氯化钙也可使液相分层。null3） 在改变压力条件下精馏 不同压力下，共沸物的组成和温度均有所改变： 对最低共沸物，压力升高时，共沸物中摩尔汽化潜热大的组分增大； 对最高共沸物，压力升高时，共沸物中摩尔汽化潜热小的组分增大。 压力升高到一定程度可使共沸点消失。 4） 溶剂萃取 如甲醇作共沸剂分离非芳烃和甲苯，甲醇和非芳烃物质形成共沸物而使甲苯得以分离出来，然后用水作溶剂萃取非芳烃与甲醇共沸物中的甲醇。由于甲醇与水不形成共沸物，故采用一般精馏方法分离甲醇－水。null5） 二次共沸精馏 将共沸物加入另一组分进行第二次共沸精馏。这种方法必须是第二次得到的共沸物是容易分离回收的。 总之，只要技术经济上合理，任何一种方法都可利用。由于共沸剂的回收或除去使共沸精馏的全部装置比普通精馏复杂得多，共沸剂的选择要特别重视其回收的难度。一种效率很高的共沸剂，由于回收的困难，损耗量大，在工业上没有意义。null4.4.1.1 共沸精馏流程 下面一些共沸精馏的原则流程中，共沸精馏塔并无任何特殊之处，但共沸剂的回收处理却占有相当的比重。 二元非均相共沸物分离 不需加共沸剂，利用共沸物的分层现象，通过相分离迈过共沸点。这是一种特殊情况，如苯的脱水，丁醇的脱水。null 对丁醇/水体系精馏后，可从塔顶得到一共沸物，塔底得到纯丁醇，共沸物经冷却后，分为富水相和贫水相，前者进水塔，后者进醇塔，从两塔顶部出来的都是共沸物（或接近共沸组成的混合物）蒸汽。原料的加料位置视其浓度不同而定。若原料中丁醇浓度xF低于分相后的浓度xB,应直接加料到分层器，反之，则直接加入醇塔。其原则流程如图4.21所示。图4-20图4-21塔顶塔底null2. 分离有共沸剂的非均相共沸物共沸物从塔1顶部出来后进入冷凝器，冷凝液在分层器中分为两层，共沸剂富相返回共沸塔1循环使用，组分富相去共沸剂分离塔2分离，塔顶得到同一组成共沸物，与塔1的共沸物一起冷凝分层。 塔1的釜液去共沸剂回收塔3，得到共沸剂和难挥发组分。如果加入的共沸剂量适当，塔3不是必须。null3. 分离均相共沸物图4.23是均相共沸物的流程。共沸物萃取精馏塔共沸剂与萃取剂分离塔 null4. 塔顶馏出液是三元共沸物的分离含水乙醇用苯作共沸剂脱水的流程是典型的三元共沸物分离流程。由于共沸物的性质不同，以及回收方法的不同，流程可以是多种多样的，不应受以上所介绍的流程限制。null若原溶液的组成为F点， 加入共沸剂S物系的总组成移动到M点，则共沸剂的用量为：4.4.1.2 共沸剂用量的确定 共沸剂的用量应保证与被分离的组分完全形成共沸物，利用相图按物料平衡式求出。null共沸剂的物料衡算式为：式中xMS为共沸剂加入后形成的混合物进料中共沸剂的浓度。若对组分A、B作物料衡算，其计算式分别为：同理：式中xFA和xFB分别为原料液中组分A和B的浓度。null共沸剂量 如果加入的共沸剂量是适宜的，且有足够的塔板数，则塔顶可获得最低共沸物AS，塔底得纯组分B。 如果加入的共沸剂数量不足，不能将组分A完全以共沸物的形式从塔顶带出，则釜液中就有一定量的组分A。 如果加入的共沸剂过量，则塔底产品W中就会含有一定数量的共沸剂。null合适的共沸剂用量为xAS-B（AS－B）连线和F-S连线的交点M，物料量用杠杆原理确定。 塔顶产品量（共沸物量）　　共沸剂的量不是任意选取的，需根据共沸组成和分离要求通过计算确定。null例：现有95%（wt%）的乙醇（1）水（2）二元溶液，拟用三氯乙烯作共沸剂脱除其中的水分，三氯乙烯与乙醇和水能形成三元最低共沸物。三元最低共沸物的组成为乙醇16.1%，水5.5%，三氯乙烯78.4%。试求共沸剂的用量。 解：以100kg原料为基准，设共沸物的用量为S kg，刚好与原料中的水形成共沸物。进料量和馏出液量及其组成分别为F，D，xfi和xDi。 对水作物料衡算：共沸剂的用量为null 郭天民等，多元汽液平衡和精馏，化学工业出版社，1983； J.D.Seader, Ernest J.Henley, Separation process principles, John Wiley & Sons, Inc. 1998)。 4.4.1.3 共沸精馏计算简介 共沸精馏计算，原则上和一般多元精馏计算的原理相同。但由于偏离理想溶液程度大，对每一塔板的相平衡计算时，应有不同的活度系数或不同的相对挥发度。各板的液相流量也不同，须用焓衡算校正。通用的简化方法（如平均相对挥发度、恒摩尔流等假设）就会造成很大偏差。 计算过程中对有些参数（如回流比）要先作假设，经过几次调整才能得到满意的结果，有时可先假设为恒摩尔流，作粗略计算，得到某些参数的近似取值范围后，再进一步严格计算。 由于共沸精馏比萃取精馏在操作上要求更严格，因而计算也更复杂。工程计算可参考文献. null下面仅就分离二元非均相共沸物的计算作一简单介绍。 如图4.27所示，在分层器中分层后的液相分别为L及P（组成分别为xf和xp）。物料P送入另一塔分离回收共沸剂。两塔可分别用图解法计算。 以第一塔为例计算如下：null该塔实际上仅是一个提馏塔，其回流比为R，操作线方程为： 共沸物蒸汽冷凝后分为E和D两相，相应的组成为xE和xD。左侧AEO线段为塔中的平衡曲线，在此区域内按操作线方程，用图解法作梯级可求得理论板数。 null4.4.1.4 共沸精馏与萃取精馏的比较 共沸精馏和萃取精馏都是同时加入能量型和质量型分离剂的特殊精馏过程，由于溶剂加入引起与理想溶液的偏差程度的不同，在操作要求上也产生了不同： 1. 萃取精馏比共沸精馏灵活 共沸精馏的溶剂一定要与原料中的至少一个组分形成共沸物，溶剂的选择范围较窄；萃取精馏的溶剂选择范围较宽。共沸精馏的溶剂用量不宜波动，用量的多少直接影响产品纯度；萃取精馏的溶剂用量可在较宽范围内波动，均能保证产品质量。 2. 能量消耗 萃取精馏中，溶剂的沸点最高，用量很大，当溶剂采用精馏技术回收时，能量消耗会较大；共沸精馏在绝大多数情况下是形成最低共沸物，且常用共沸精馏脱除含量相对较少的组分，共沸剂的用量远比萃取剂用量少，相对而言，共沸精馏的能耗较低。null3. 溶剂加入方式 萃取精馏的溶剂在塔顶加入，并在加料板上作一定补充。共沸精馏的溶剂加入位置随溶剂的性质和形成共沸物的性质而异，加入位置不是唯一的。 4. 操作方式 共沸精馏既可连续操作，也可间歇操作，而萃取精馏只能连续操作。 5. 操作温度 在同样压力下操作时，共沸精馏的操作温度较低，而萃取精馏的操作温度较高，因此，共沸精馏更适于热敏性物质的分离。null4.5 精馏技术的发展方向 精馏作为当代工业应用最广泛的分离技术，目前已具有相当成熟的工程设计经验与一定的基础理论研究，并发展出了以精馏为基础的许多新型复合传质分离技术。随着石油化工、化学工业、环境化工等领域的不断发展和兴起，使得精馏分离过程的处理量大、连续化操作优势得以充分发挥，但是作为高能耗的分离过程，在大型工业化生产过程中无法避免地遇到产品的高纯度与高能耗的矛盾。所以，在产品达到高纯分离的同时又能降低能耗就成为精馏学科和工程研究开发的主要目标。 null 精馏分离技术较早已经成功应用于实际工业生产，精馏学科的发展也具有相当的基础。蒸馏传质分离过程具有极强的复杂性，至今关于汽液两相界面相变传质和传热及气泡群传质动力学规律仍处于宏观的和热力学平衡水平上的研究，尚未发展出能够比较准确表示过程传递的理论预测方法。所以说，从总体上看精馏学科目前仍处于半经验状态。null 造成精馏学科理论研究滞后于实际应用的主要原因，一是过程本身的复杂性，二是理论和实验研究的手段不充分。 如过去一直采用稳态（或拟稳态）和热力学平衡级的方法，对于过程涉及界面的传质动力学行为、气泡聚并和分裂与过程传递和流动相关的本质等机理研究不够深入。此外，现有的手段无法进行汽液两相传递和运动规律的动态跟踪测定。所以需要采用新的理论研究方法，以系统内汽液两相传递和流动的动态变化观点，从根本上对过程传递机理加以认识，由此发展非线性、非平衡的传质理论，以此为指导进行精馏单元操作设备的工程设计、分离过程强化和以精馏为基础发展高效复合传质过程。null1. 精馏分离工程的特点 精馏学科研究的是一种特殊的化工单元操作过程，它具有以下特点： 系统工程性强、传递机理复杂 精馏过程研究涉及工程和工艺性问题，而过程的传递机理　又十分复杂，很多重要问题至今尚未解决。其根本原因是单相流动的研究方法在精馏过程中难以适用，同时，由于过程伴随着界面传递，相关的基础理论研究还远远落后于实际工程应用。 分析方法与测试手段要求独特 在精馏分离过程中，需要进行测量的基本数据包括：气泡群中尺寸大小及分布；气泡的产生、形成、自由运动和破灭几个阶段的传质和运动规律研究结果；气泡间的相互作用与传递的关系；气泡与表面流体之间的相对运动和相间传递规律等。而且，这些数据或因素在分离过程中同时存在，密切相关，需要进行瞬态跟踪测量。null 设备放大效应严重 精馏过程的复杂流动结构、气泡之间的相互作用、各组分传递速率之间的相互干扰（耦合）、气泡大小与塔内件结构和表面性质的密切关系，同样的物性和操作条件，在不同尺寸和结构的设备中可呈现出截然不同的流型传质行为，与众不同的操作特性。这均是由于对过程传递中非平衡性质和非线性传质属性缺乏足够的了解，未能实现对设备效应的定量认识，使得工业化设计现在仍处于逐级放大的经验阶段。所以，加强过程放大效应的研究是实现精馏技术实用化、工业化的关键。null 设备中汽液两混合物相混合物流体流量之间存在一定的约束条件 塔设备中上升蒸汽流量、进料量和塔顶冷凝回流液体之间的相对流量存在一定的约束关系，由此保证质量和能量交换的顺利进行，并达到产品纯度的要求。 塔板或填料上气体分散相和连续相液体流型的多样性 塔内气体的表观速度、进料量和塔顶冷凝回流液流量等操作条件不同时，塔或填料表面上的气体流动可在快速鼓泡流、慢速鼓泡流和喷射流等之间转换；气泡表面流体同时存在层流内层、层流、过渡型和湍流几种流速，以及气泡尾流和界面传质、传热引起的界面湍动。null2. 精馏过程的强化 对于具有共沸点或沸点相近的物系，仅仅利用精馏一般难以达到有效分离的目的。为此，结合萃取、反应（包括均相和非均相）、吸附等其它化工单元操作的优势，提出或已实现工业化的有萃取精馏、共沸精馏、反应精馏、加盐精馏、催化精馏、吸附精馏、结晶精馏和膜精馏等。在体系中引入某些添加剂以利用溶液的非理想性质，完成改变组分间相对挥发度，实现高效和节能的汽液分离。 从现有的研究工作看，强化精馏和传质过程的主要途径：一是通过改进设备结构，如为改善两相流动和接触发展出的新型规整填料和喷射式并流填料塔板；二是引入质量分离剂（包括催化剂、反应组分、吸附剂、盐等）提出的各种耦合精馏技术；三是引入第二能量分离剂（如电场、磁场、激光等）。其中，由于脉冲激光不在原有物系中引入添加物，且组分之间的物理化学性质变化易于控制。所以，随着超导材料和激光器制备技术的提高和生产成本的降低，脉冲激光在精馏中的应用将会取得巨大效益。null精馏技术的研究方向 根据精馏科学的特点和现状，深化精馏研究必须突破传统研究方法，吸收其它学科的最新研究成果；在应用开发上除满足传统工艺要求外，应致力于各种新型工业领域的过程开发和设备设计。因此，进行精馏过程的基础研究，促进精馏技术和学科发展的关键包括以下几个方面： 研究深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬时发展 仅仅对宏观现象的研究，已不能满足目前要求。由于多相流的复杂结构，对整体平均量的研究并不能从根本上揭示过程机理和描述过程动态变化规律，因此，局部和瞬时结构参数及变化规律的研究逐步引起了人们的重视。 null 研究目标由现象描述向过程机理转移 表观现象的描述不足以分析过程的本质特性，因此，精馏过程的研究目标已经逐渐由现象描述转向对过程机理的认识。通过认识过程机理实现有预见的新设备开发，并应用于新工程领域。 研究手段逐步现代化 计算技术、激光、超声波、电子等新技术的发展，为精馏研究提供了先进的测试手段和分析方法，使深入理解精馏过程中的传递动态属性和界面的非平衡特征成为可能。 研究方法由传统理论向多学科交叉方面开拓 近年来，统计理论、分形理论、耗散结构理论、表面物理化学等均在各自的领域中取得了重大成就，同时，学科间的交叉更加频繁，交叉力度更加提高。所以，如果对精馏过程的传质动力学实质进行深入了解，就可以根据以上所提及的各种新理论的特点将其引入精馏学科的研究之中。null作业： 4.1　要设计一乙烷蒸出塔，其原料如下：设计分离要求： 馏出液中丙烯浓度小于2.5%，釜液中乙烷浓度小于5.0%（均为摩尔分率）。试做该塔的物料衡算。思考题： 4.1　 当仅指定一个组分的分离要求时，通常情况下如何确定轻重关键组分？ 4.2 非关键组分的存在对全塔温度分布带来什么影响？ 4.3　非关键组分的存在对全塔浓度分布带来什么影响？