第四章-萃取精馏资料课件

第四章特殊精馏技术第四章主要内容4.1共沸精馏4.2萃取精馏

本章要求本章小结参考文献思考题4.3加盐萃取精馏

4.1共沸精馏1）理解共沸组成和共沸精馏过程的计算方法,

共沸剂的选择原则及加入量的分析。2）理解共沸精馏和萃取精馏含义,均相共沸物

和非均相共沸物的特征。4.2萃取精馏1）掌握萃取精馏过程特点,萃取精馏的原理。2）理解萃取精馏过程溶剂作用原理,溶剂选择

原则,萃取精馏的流程特点。3）了解共沸精馏的与萃取精馏的区别及各自

适用情况,加盐萃取精馏的原理、特点、工

业应用及流程。

本章要求：4.2萃取精馏

一、萃取精馏过程二、萃取精馏的原理

三、萃取剂的选择四、萃取精馏过程分析

五、萃取精馏过程理论级数的简捷计算

4.2萃取精馏

一、萃取精馏过程⑴萃取精馏的定义加入的新组分不和原物系中的组分形成恒沸物，只改变组分间的相对挥发度，而其沸点比物系中其它组分的沸点高，从精馏塔的塔釜引出所加入的新组分称为萃取剂

⑵萃取精馏工艺流程

回收段精馏段提馏段主要设备：萃取精馏塔塔结构：由三段组成底段(即提馏段):

提馏出易挥发组分；中段(即精馏段):

易挥发组分在该段被提浓,难挥发组分进入溶剂中,故也称为吸收区；顶段(溶剂回收段):

分离易挥发组分和溶剂,减少溶剂的损失,即使塔顶xS=0。⑵萃取精馏工艺流程

特点：1.二塔串联;S为难挥发组分,一般在近于塔顶加入;3.一般采用汽相加料。思考题：为什么萃取精馏塔一般采用的是汽相进料而不是液相进料？⑵萃取精馏工艺流程

加料：溶剂:加料口位于进料口之上(保证溶剂浓度均匀);溶剂损失少,故只需补充少量溶剂;溶剂从塔底排出,进入回收塔,再循环使用。原料液:①汽相进料⑵萃取精馏工艺流程

②液相进料此时若只在塔的上部溶剂加入板加入溶剂则提馏段各板上的溶剂浓度小于精馏段各板上的溶剂浓度,因此,若采用液相进料时,则除在塔上部溶剂加入板加入溶剂外,还需从进料口补充部分溶剂。⑵萃取精馏工艺流程

⑵萃取精馏工艺流程气相进料的萃取精馏流程

液相进料的萃取精馏流程

为维持塔内萃取剂浓度恒定，需在进料处加入适量的萃取剂

萃取精馏的基本原理是基于加入萃取剂后,改变了原溶液中关键组分间的相对挥发度,即改变了原溶液组分间的相互作用力,构成一个新的非理想溶液。

一般工业生产中,萃取精馏塔多在常压或压力不高的条件下操作,因此汽相可以近似看作理想气体,但液相为非理想溶液二、萃取精馏的原理

对于理想气体、非理想溶液

由上式可知:a12的变化,不但与各组分的饱和蒸气压有关,而且与各组分的活度系数也有关。1萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

15

例如,在常压下醋酸甲酯(1)的沸点为57℃,甲醇(2)的沸点为64.5℃,沸点差为7.5℃,其活度系数为g1=1.12,g2=1.53,当t=54℃时,其a12为

由此看出,相对挥发度不仅与物系的操作条件有关,而且与该物系性质也有关,即活度系数有关。1萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

问题：如何增加a12

？1萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

由上式得溶剂存在下组分1和组分2的活度系数之比为：（2）若三个双组分溶液均属于非对称性不大的系统,各组分之间的相互作用可忽略,C=01萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

代入上式并整理得柯干公式：（3）式中：称为组分1的脱溶剂基浓度，或称为相对浓度。以端值常数的平均值

1萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

三组分物系的泡点温度如果xS＝0,即对无溶剂S时的二组分系统,x/1=x1,可得(4)将式（3）代入（1）得：溶剂存在下,组分1对组分2的相对挥发度(5)1萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

二组分物系的泡点温度(6)若(p10/p20)与温度关系不大,在x1=x1’时,(7)1萃取剂的作用二、萃取精馏的原理

定义：

S12为溶剂的选择性,它是衡量溶剂效果的一个重要指标。

上式表明,萃取精馏之所以能提高(a)12,关键是溶剂的存在造成了待分离的两组分间活度系数的变化。2萃取剂的选择性二、萃取精馏的原理

(4)(6)(7)二、萃取精馏的原理

溶剂是如何改变组分1、2间的相对挥发度？比较式(4)和(6)不难发现原因有二(1)由于溶剂的加入,使式(4)右方比式(6)多了第三项,这一项反映了溶剂S对原料液组分1、2的不同作用；(2)式(4)比(6)的第二项多乘了一个小于1的数,它反映了溶剂S对原料液组分1、2的稀释作用。二、萃取精馏的原理

①溶剂S对原料液中组分1、2的不同作用分析式（7）3影响萃取剂选择性的因素二、萃取精馏的原理

1）选择性与以及

(组分

S、1、2的物性)有关；

二、萃取精馏的原理

a)萃取剂浓度的影响

b)萃取剂本身性质(A’1S

、A’2S)的影响上述不等式成立的必要条件：●即：加入溶剂后，希望值越大越好，值越小越好二、萃取精馏的原理

使,从而提高了组分1对组分2的相对挥发度,以实现原有两组分的分离。二、萃取精馏的原理

b)萃取剂本身性质(A’1S

、A’2S)的影响

加入溶剂后,(α12)S的变化不仅与溶剂的性质和浓度xS

有关,还与组分1、2的性质和浓度有关但仅是满足不等式成立的必要条件，却并非充分条件。c)物系本身性质()的影响

二、萃取精馏的原理

b)萃取剂本身性质(A’1S

、A’2S)的影响●说明：此时加入溶剂后，在这一浓度（值较小或值较大）区域，反而变小，即将使分离变得比无溶剂时更加困难。低浓度区:结论：正偏差溶液高浓度区有利高浓度区：即组分1和组分2形成正偏差溶液时二、萃取精馏的原理

c)物系本身性质()的影响

高浓度区：低浓度区：结论：负偏差溶液低浓度区有利即组分1和组分2形成负偏差溶液时二、萃取精馏的原理

c)物系本身性质()的影响

当原溶液为正偏差时，当原溶液为负偏差时，（8）

要使溶剂在任何值时均能增大原溶液组分间的相对挥发度，就必须使二、萃取精馏的原理

c)物系本身性质()的影响

②溶剂的稀释作用表示原溶液非理想性的程度二、萃取精馏的原理

说明与原溶液中两组分的相对量无关。因此，当xS→1时，溶剂S的作用似乎是使二元系的非理想性有所下降。从分子相互作用的观点，溶剂的这一作用可解释为：原有的两组分的浓度均因加入溶剂而下降，所以它们之间的相互作用减弱了，溶剂的这一作用称为稀释作用。二、萃取精馏的原理

(4)萃取精馏的实质①原分离物系中两组分沸点相近，非理想性不大的物系，加入萃取剂的作用是萃取剂与其中一个组分或两个组分形成非理想溶液，从而改变了原组分间的相对挥发度。

②当原溶液为非理想物系，以至形成恒沸物而难以分离，则萃取剂起稀释作用，从而减弱了原分子间的相互作用，使相对挥发度改变。

③溶剂的浓度越大,一般溶剂的效果越显著

Ⅰ萃取剂的选择原则萃取剂的选择原则为尽量使则萃取剂必须满足：尽量选择

这时溶剂能使原有两组分的α12

在任何值时都有所提高。①（6）三、萃取剂的选择

②若原溶液沸点相近，非理想性不很强时,选择溶剂主要考虑它对各组分的不同作用，此时稀释作用的因素很小；③若原溶液沸点差很大,非理想性很强,在用普通精馏方法不易分离或不能分离的浓度区域里，选择溶剂主要考虑它的稀释作用.Ⅰ萃取剂的选择原则三、萃取剂的选择

Ⅱ萃取剂的选择要求（工艺角度）①选择性强，即能使原组分的相对挥发度按所希望的方向改变，且越大越好；②溶解度大，即与任何浓度的原溶液完全互溶，不致在塔板上产生分层现象；③沸点高，挥发度小，使产品中不致混有萃取剂，且易于和另一组分分离；三、萃取剂的选择

⑥使用要安全、无毒,对设备不腐蚀,污染小,环境友好,价格低廉,来源丰富。热稳定性和化学稳定性好,不与原组分起化学反应,不形成共沸物,易再生和回收;⑤适宜的物性；在上述要求中,(2)～(6)各项均属一般的工艺要求,而首要的是应符合要求(1)。为此,应对原系统的性质加以研究,然后再对可能的溶剂进行筛选。Ⅱ萃取剂的选择要求（工艺角度）三、萃取剂的选择

例：从C4馏分（丁烯-1、丁二烯、反式丁二烯-2、顺式丁二烯-2）中制取纯丁二烯。溶剂：丙酮、糠醛、乙腈及二甲基甲酰胺等；从选择性看：二甲基甲酰胺最佳，乙腈次之；从物性看：首先沸点是最重要的因素，沸点低，一则影响产品的纯度，二则溶剂损耗大；沸点高，操作温度高，易引起烃类的聚合；其次是粘度，会影响板效率；比较上述几种溶剂的物性知：二甲基甲酰胺和乙腈较适宜，但二者比较后选择乙腈为溶剂较合适。三、萃取剂的选择

⑴定性①根据有机物的极性

选择在极性上更类似于重关键组分的化合物作萃取剂，能有效地减小重关键组分的相对挥发度②从同系物中选择

希望所选的萃取剂与塔釜产品形成理想溶液或具有负偏差的非理想溶液.

与塔釜产品形成理想溶液的萃取剂容易选择

？同系物Ⅲ萃取剂的选择方法42例如：丙酮（1）—甲醇（2）形成具有最低恒沸点的非理想溶液，丙酮的沸点56.4℃，甲醇的沸点64.7℃，t恒=55.7℃、x

1=0.8，如用萃取精馏分离时，萃取剂可有两种类型丙酮同系物沸点℃甲醇同系物沸点℃甲基乙基酮甲基正丙基酮甲基异丁基酮甲基正戊基酮79.6102.0115.9150.6乙醇丙醇水丁醇戊醇乙二醇78.391.2100117.8137.8197.2试试看√甲醇(64.7℃)-丙酮(56.4℃)溶液最低共沸点(55.7℃)x(CH3OH)=0.2萃取精馏分离时，萃取剂可有两种类型

⑵定量①无限稀释活度系数例：环己烷-苯体系以苯胺或糠醛为萃取剂的选择性苯胺：

糠醛：

所以糠醛的选择性稍优于苯胺

当xS→1时②实验方法以等摩尔的被分离组分混合液中加入等重量的萃取剂相混合后，通过实验方法测定汽液两相的平衡组成，并计算其相对挥发度

值越大，则说明选择性就强特点：准确，但工作量大③用活度系数方程式计算计算并计算值越大，则说明选择性就强

萃取精馏塔内由于存在大量萃取剂，因而会影响塔内汽、液两相的流率，其分布情况与一般精馏塔有所不同。使塔内汽液两相流率发生变化的原因有二:1）由于萃取剂的加入使塔内汽、液两相流率发生变化；

2）进料状态的不同，也会使进料级上汽、液两相的流率发生变化。1塔内流量分布四、萃取精馏过程分析

四、萃取精馏过程分析

精馏段:

组分i（若S中不含i）：

1塔内流量分布式中：

若以l代表液相中原溶液组分之流率，

以v代表汽相中原溶液组分之流率，即：（10）四、萃取精馏过程分析

1塔内流量分布（9）

以脱溶剂的相对浓度代替上式中的浓度:则

一般情况下，当(xS

)D≈0

时：（12）则：

（11）（9）式减去（12）式，得：四、萃取精馏过程分析

1塔内流量分布四、萃取精馏过程分析

1塔内流量分布整理得:(13)因为S为重组分,①溶剂存在下塔内的液气比大于脱溶剂情况下的液气比；所以:(xS)n

≈

(xS)n+1

,故(yS)n+1<(xS)n对溶剂S作物料衡算：设Sn=Ln(xS)n,即n板下降液体中溶剂的流率：②各板向下流动的溶剂流率均大于加入的溶剂流率,且溶剂挥发度越大,差值也越大。一般(xS)D≈0

：可见：Sn>SFSDm-1mm+1n-1nn+1W（3-124）1塔内流量分布

萃取精馏中，因溶剂沸点高，溶剂量较大，在向下流动过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽，使塔内流率发生明显变化。③A液相流率越往下越大;精馏段第n级的液相流率为：原有液体流率溶剂量溶剂升温冷凝的蒸气量同理,可以得到提馏段第m板的液相流率为:（14）（15）1塔内流量分布54精馏段第n板的汽相流率：③B汽相流率越往下越大,即越往上越小提馏段第m板的汽相流率：FSDm-1mm+1n-1nn+1W结论:

(1)从上到下汽、液相流率都随温度的不断升高而增加；

(2)液相流率大于汽相流率。1塔内流量分布⑵塔内萃取剂浓度分布

萃取剂的挥发度比所处理物料的挥发度低得多,用量较大,故在塔板上基本维持一固定的浓度值,“恒定浓度”即

假定：a恒摩尔流；b

萃取剂物料衡算

=0精馏段总物料衡算：A⑵塔内萃取剂浓度分布

设萃取剂S对被分离组分的相对挥发度为二元多元⑵塔内萃取剂浓度分布BA=B

包括溶剂S在内式(3-133)表示了xS、S、b、L的关系

当≈0

时：

类似地，提馏段溶剂浓度：

溶剂对被分离组分的相对挥发度一般很小,当≈0

时,式(3-133)可简化为:

不包括S的塔底产品流率⑵塔内萃取剂浓度分布分析上式⑵塔内萃取剂浓度分布思考题：萃取精馏中是否回流比越大所需理论板数越少？为什么？⑵塔内萃取剂浓度分布分析下式：FSDm-1mm+1n-1nn+1WRDL⑵塔内萃取剂浓度分布⑵塔内萃取剂浓度分布⑵塔内萃取剂浓度分布6浓度分布图

S(苯酚)变化图.塔板序号:上→下;溶剂回收段:1~6板;精馏段:6~12板;进料板:第13板;再沸器:第21板.总结：将塔分为四部分

精馏段：

提馏段：

塔釜：

溶剂回收段：

当进料为饱和蒸气时，；当进料为液相或气液混合物时，。溶剂在塔釜中浓度有明显跃升。

FSDm-1mm+1n-1nn+1W萃取精馏过程特点：

（1）物系非理想性强；（2）塔内汽液相流率变化大；

（3）相平衡和热量衡算关系复杂。

适于用严格计算法。有些情况下,特别是当原溶液组分性质相近时,可按二元精馏方法,用图解法或解析法处理,使计算得以简化。

FSDm-1mm+1n-1nn+1W五、萃取精馏过程理论级数的简捷计算

简化条件：1、按二元体系求解,忽略S(认为溶剂的加入只影响原组分相对挥发度的大小,故不考虑溶剂的存在,只选择合适的相对发挥度即可)2、相对挥发度取平均值(xS很大且不变,溶剂的存在使原溶液非理想性降低,相对挥发度为定值,只与溶剂浓度xS

有关,而与原溶液浓度无关）。五、萃取精馏过程理论级数的简捷计算

简化计算的主要依据①所选择的溶剂应是沸点高、挥发度小的溶剂；②溶剂由塔顶加入后几乎全部流入塔釜；③溶剂在塔内各板上的浓度恒定不变；④萃取精馏过程可作为双组份物系来处理（以脱溶剂为基准），用图解法或解析法进行计算。五、萃取精馏过程理论级数的简捷计算

⑴图解法

适用范围：原溶液为二元加入恒浓度萃取剂，只改变相对挥发度作恒浓度萃取剂下的汽液平衡相图，①物料衡算。根据工艺要求，求得

②绘汽液平衡曲线，

⑴图解法（Graphicsolution）

为了方便，可将计算结果绘制成图③在图上求

并选R

④作操作线方程

⑤作阶梯求N及进料级位置

⑵吉利兰法

①选定关键组分，

②由分离要求,进行物料衡算,求得塔顶、塔釜的组成

③计算萃取剂用量,并决定加料级,塔顶、塔釜的泡点温度

④求各组分的相对挥发度

由活度系数模型求gi

。简化计算：塔顶：塔釜：⑵吉利兰法

⑤由芬斯克公式求Nmin注：必须是汽相进料，即xS=xS,如果xS≠xS,则(a12)S≠(a12)S,应用上式分别计算精、提馏段的Nmin。⑵吉利兰法

⑵吉利兰法⑥计算最小回流比

1)用Underwood计算

2)用半经验式

（二元物系）求Rm当饱和液体（泡点）加料时，q=1当饱和蒸汽（露点）加料时，q=0实际回流比R=（1.2~2.0）Rm⑦由Rmin,R,Nmin用吉利兰图求N⑵吉利兰法⑧计算溶剂用量求β（3-131）求S（3-133）

⑵吉利兰法⑨萃取剂回收段平衡级数的确定式中：xS,n回收段的最下面级上的液相中萃取剂的组成，在简化计算中可近似取xS,n=yS⑵吉利兰法在实际生产中,xS,D不可能是零,按分离要求允许有一定的浓度,所以,塔顶产品中要带有少量萃取剂,因此存在萃取剂的损失。⑩塔顶带出萃取剂之损耗量DS从而可以修正物料平衡,加入塔内的萃取剂量应该是S+DS。⑵吉利兰法例：用萃取精馏法分离正庚烷(1)-甲苯(2)二元混合物。原料组成z1=0.5;z2=0.5(mol分数)。采用苯酚为溶剂,要求塔板上溶剂浓度xS=0.55(mol分数);操作回流比为5;饱和蒸汽进料;平均操作压力为124.123kPa。要求馏出液中含甲苯不超过0.8%(mol),塔釜液含正庚烷不超过1%(mol)(以脱溶剂计),试求溶剂与进料比和理论级数。【例】求S/F；N假设：①塔内为恒摩尔流；②；③除溶剂外仅有两个待分离组分，故脱溶剂物系按二元物系处理；④进塔溶剂中不含待分离组分图解法或解析法Sx设在全塔恒定，将1、2、S三元看成

1、2两组分处理。R=5FSDW要确定温度和浓度2.作y/—x/图83浓度和温度的确定:块。求在图中作操作线方程，14=N7.2100270==\FS①萃取精馏过程,因塔内液体流率往往远远大于汽体流率,因而造成汽液接触较差,使得萃取精馏的全塔效率小于普通精馏塔,一般为普通精馏塔的50%左右。②要严格控制回流比,不能盲目用调节回流比的办法调节萃取精馏塔的操作,因为回流比增大,液相流率增加,将使液相中溶剂浓度

xS下降,而使被分离组分间的相对挥发度

(a12)S减小,分离效果变差,常用的调节方法:六、萃取精馏操作设计的特点a.调节溶剂用量,增加溶剂S入塔量,液相中溶剂浓度提高,(a12)S增大,分离所需N下降。b.减少进料量,进料量F减少,馏出液D下降,

相当于在维持原来xS条件下增加了R,分离效果变好。c.溶剂S的进料温度应维持恒定,因为液相多为S,S温度变化将使塔内L和V发生很大波动,S很小的DT对全塔影响很大,所以应严格控制S的进料温度。六、萃取精馏操作设计的特点共同点：不同点：基本原理相同,都是通过加入适量的MAS,改变组分之间的相互作用,增大组分的挥发度差异,实现精馏分离。①恒沸剂的选择一定要符合能生成恒沸