1、1,特殊精馏过程与液液萃取,北京化工大学2012 . 3（春季学期）,2,内 容,1。绪论 2。单级平衡过程 相平衡 多组分物系的泡点和露点计算 闪蒸过程的计算 液液平衡过程的计算 多相平衡过程 3。多组分精馏和特殊精馏 多组分精馏过程 萃取精馏和共沸精馏 反应精馏 加盐精馏,3,内 容,4。液液萃取 萃取过程与萃取剂 液液萃取过程的计算 5。分离过程及设备的选择与放大 传质设备的选择 分离过程的选择,4,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用 1.1.1 分离过程的重要性 （1）分离过程定义将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。分离装置的费用占总投资的50% - 90%。
2、乙烯连续水合生产乙醇：对反应产物进行分离；未反应物循环利用1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用 清洁工艺：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生,5,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用 1.1.1 分离过程的重要性清洁工艺：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生绿色化学与化工：为实现资源高效率的利用、减少与消除有害物质对人类健康与环境的威胁所作出的化学过程与产品的设计、开发和生产。化工过程强化技术：在实现既定生产目标前提下，大幅度减小生产设备尺寸、简化工艺流程、减少装置数目，使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗、废料、副产品显著减少的技术。,6,第 1 章 绪 论,7,第 1 章
3、 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用 1.1.1 分离过程的重要性 清洁工艺：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生 闭路循环系统是清洁工艺的重要方面。 使废物最小化的方法：废物直接再循环；进料提纯；除去分离过程中加入 的附加物质；附加分离与再循环系统,8,第 1 章 绪 论,1.1 分离过程的地位和作用 1.1.1 分离过程的重要性 清洁工艺：合理利用资源，减少甚至消除废料的产生,9,10,11,12,第 1 章 绪 论,1.2 传质分离过程的分类和特征 分离过程： （1）机械分离：过滤、沉降、旋风分离 （2）传质分离：平衡分离过程、速率分离过程 1.2.1 平衡分离过程 分离媒介（分离剂）
4、：热能、溶剂或吸附剂 能量媒介 物质媒介 萃取精馏 吸收蒸出（精馏吸收） 共沸精馏 液液萃取；超临界流体萃取技术,13,第 1 章 绪 论,1.2.2 速率分离过程 利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离 膜分离：微滤、超滤、反渗透、渗析和电渗析1.3 分离过程的集成化 1.3.1 反应过程与分离过程的耦合 化学吸收：吸收与反应 化学萃取：萃取与反应 反应精馏：精馏与反应1.3.2 分离过程与分离过程的耦合 萃取结晶：萃取与结晶 吸附蒸馏：吸附与蒸馏,14,第 1 章 绪 论,1.3.3 过程的集成一、传统分离过程的集成二、传统分离过程与膜分离的集成 渗透蒸发和精馏集成1.4 设计变量Ni =
5、 Nv Nc Nv: 独立变量数 Nc：约束关系数（独立方程式数目）,15,第 1 章 绪 论,1.4 设计变量f = C +2 (f = C P +2 )自由度指强度性质的变量约束关系式包括：物料平衡式；能量平衡式；相平衡关系式；内在关系式 MESH 方程E 相平衡 c (-1) 1相 A1 B1 C1 2相 A2 B2 C2 3相 A3 B3 C3,16,第 1 章 绪 论,作业：对乙苯和三种二甲苯混合物的分离方法进行选择。 （1）列出间二甲苯和对二甲苯的有关性质：沸点、熔点、临界温度、临界压力、偏心因子、偶极矩，利用哪些性质的差别进行该二元物系的分离是最好的？ （2）为什么使用精馏方法分
6、离间二甲苯和对二甲苯是不适宜的？ （3）为什么工业上选择熔融结晶和吸附分离间二甲苯和对二甲苯？,17,第 1 章 绪 论,教材： 刘家祺. 分离过程. 北京：化学工业出版社，2005 参考书： 1. 陈洪钫，刘家祺. 化工分离过程. 北京：化学工业出版社，1995 2. 蒋维钧. 新型传质分离技术. 北京：化学工业出版社，1997 3. 邓修，吴俊生，化工分离工程，科学出版社，2000 4. Seader, J. D., Henley, E. J. Separation Process Principles. New York: Wiley. 5. 朱自强，超临界流体技术 原理和应用，化学工业
7、出版社，2001 6. 陈维扭，超临界流体萃取的原理和应用，化学工业出版社，2000,18,第 1 章 绪 论,考核方式：1. 平时作业；2. 考试（开卷，时间：第8周，五月一日左右结束）3. 大作业（综述：特殊精馏（如催化精馏、萃取精馏、吸附精馏、恒沸精馏等）新方法或新技术、液液萃取、超临界萃取、其它化工过程强化新方法或新技术（如结构化催化剂与反应器、燃煤烟气脱硝中的应用）；新型节能减排技术；计算机程序与综述选择其中之一）,19,第 1 章 绪 论,1.4 设计变量f = C +2 (f = C P +2 )自由度指强度性质的变量约束关系式包括：物料平衡式；能量平衡式；相平衡关系式；内在关系
8、式 MESH 方程E 相平衡 c (-1) 1相 A1 B1 C1 2相 A2 B2 C2 3相 A3 B3 C3,20,第 2 章 单级平衡过程,2.1.1 相平衡关系 相平衡条件汽液平衡关系液液平衡关系,21,第 2 章 单级平衡过程,2.1.1 相平衡关系相平衡常数分离因子 （相对挥发度）选择度,22,第 2 章 单级平衡过程,3. 气相逸度系数： 维里方程,23,第 2 章 单级平衡过程,3. 气相逸度系数： 维里方程 Bii 采用Prausnitz修正式： 对非极性组分 （ 为偏心因子）：对极性组分 （H 为极性组分异质同态物的偏心因子，所谓异质同态物是指分子形状和大小与极性组分类似
9、的非极性组分， 为缔合系数）,24,第 2 章 单级平衡过程,3. 气相逸度系数： 维里方程（适用于中低压物系）,25,第 2 章 单级平衡过程,三. 活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式作业1：推导作业2： （见习题 1， P.85)作业3： （见习题 2， P.85),26,第 2 章 单级平衡过程,三. 活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式作业3：关于 Wilson 方程 1。汽相为理想气体，液相为理想溶液,27,第 2 章 单级平衡过程,三. 活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式2。汽相为理想气体，液相为非理想溶液,28,第 2 章 单级平衡过程,三. 活度系数法计算汽液平衡常数的简化
10、形式3。汽相为理想溶液，液相为理想溶液路易士-兰德规则 或 逸度规则,29,第 2 章 单级平衡过程,三. 活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式4。汽相为理想溶液，液相为非理想溶液,30,第 2 章 单级平衡过程,三. 活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式 例 2-1 计算乙烯在311 K 和 3444.2 kPa下的汽液平衡常数（实测值 Kc= = 1.726） （1）汽相按理想气体，液相按理想溶液（2）汽液相均按理想溶液（3）列线图法例2-2 已知在0.1013MPa 压力下甲醇（1）-水（2）二元系的汽液平衡数据。其中一组数据为：平衡温度T = 71.29 ，液相组成x1 =0.6，气相
11、组成y1 = 0.8287 (摩尔分数）。试计算汽液平衡常数，并与实测值比较。,31,第 2 章 单级平衡过程,四. 两种计算方法的比较 （1）状态方程法不需要基准态；只需要 PV-T 数据；可以应用对比状态理论；可以用在临界区；没有一个状态方程能完全适用于所有的密度范围；受混合规则的影响很大；对于极性物质、大分子化合物和电解质系统很难应用 （2）活度系数法 简单的液体混合物的模型已能满足要求；温度的影响主要体现在fiL 上，而不在 ri 上；对许多类型的混合物，包括聚合物、电解质系统都能应用。 需用其他的方法获得液体的偏摩尔体积（在高压计算中）；在含有超临界组分的系统应用不够方便；难以在临界
12、区内应用,32,第 2 章 单级平衡过程,2.1.3. 液液平衡液液平衡是萃取过程、三相精馏、非均相共沸精馏的理论基础； 二元系 上临界混溶温度(UCST)、下临界混溶温度(LCST) 三元系 四元系,33,第 2 章 单级平衡过程,2.2. 多组分物系的泡点和露点计算单级汽液平衡系统自由度：f = c P + 2 =c 2 + 2 = c 泡露点计算分四种类型： 泡点温度：p, x1, x2, .,xc; 求 T, y1,y2,.yc 泡点压力：T, x1, x2, .,xc; 求 P, y1,y2,.yc 露点温度：p, y1,y2,.yc; 求 T, x1, x2, .,xc 露点压力：
13、T, y1,y2,.yc; 求 P, x1, x2, .,xc,34,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算相平衡关系浓度总和式：汽液平衡常数关联式,35,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算平衡常数与组成无关的泡点温度计算,36,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算例2-3 确定含正丁烷（1）0.15、正戊烷（2）0.4和正己烷（3）0.45（均为摩尔分数）之烃类混合物在 0.2 MPa 压力下的泡点温度。（利用 pTK 图）（说明所设温度偏低？）,37,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算 平衡常数与组成
14、有关的泡点计算 关键是 调整 T,Newton Raphson 法,38,39,第 2 章 单级平衡过程,2.2.1 泡点温度和压力的计算 例2-5： 丙酮（1）-丁酮 （2）-乙酸乙酯（3）三元混合物所处压力为2026.5 kPa，液相组成（摩尔分数）为x1 = x2 =0.3，x3 = 0.4。试用活度系数法计算泡点温度（逸度系数用维里方程计算；活度系数用 Wilson 方程计算）。(作业）,40,第 2 章 单级平衡过程,2.3 闪蒸过程的计算 闪蒸是连续单级蒸馏过程。离开闪蒸罐的汽液两相处于平衡状态。,41,第 2 章 单级平衡过程,2.3 闪蒸过程的计算,每一组分物料衡算式,总物料衡
15、算式,焓平衡关系,42,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成无关 规定变量 T, P,每一组分物料衡算式,汽相分率,43,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成无关 规定变量 T, P,Rachford-Rice 方程,44,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成无关 规定变量 T, P,Rachford-Rice 方程,45,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成无关 核实闪蒸问题是否成立,闪蒸问题成立,46,第 2 章 单
16、级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成无关 例2-8 进料流率为 1000 kmol /h 的轻烃混合物，其组成为：丙烷 （1）30%；正丁烷 （2） 10%；正戊烷 （3） 15%；正己烷 （4） 45% （摩尔分数）。求在 50 和200 kPa 条件下闪蒸的汽、液组成及流率。,47,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成有关 例2-9 闪蒸罐压力为 85.46 kPa，温度为 50 ，进入闪蒸罐物料组成（摩尔分数）为乙酸乙酯（1）0.33，丙酮（2）0.34，甲醇(3)0.33。试求汽相分率及汽液相平衡组成。（大作业）
17、,48,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成无关 例2-8 进料流率为 1000 kmol /h 的轻烃混合物，其组成为：丙烷 （1）30%；正丁烷 （2） 10%；正戊烷 （3） 15%；正己烷 （4） 45% （摩尔分数）。求在 50 和200 kPa 条件下闪蒸的汽、液组成及流率。,49,第 2 章 单级平衡过程,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 汽液平衡常数与组成有关,50,第 2 章 单级平衡过程,2.4.1 二元液液系统,51,第 2 章 单级平衡过程,2.4.1 二元液液系统例 2-12 已知 20 正丁醇 (1) 水(2)二元液液平
18、衡 NRTL方程参数值 g12 g22 = -2496.8 J/mol， g12 g11 = 12333.5 J/mol，第三参数 a12 = 0.2，计算该温度下的相互溶解度。（大作业）,52,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2 三元液液系统,53,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2 三元液液系统,溶质B 萃取因子,54,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2 三元液液系统,55,第 2 章 单级平衡过程,2.4.2 三元液液系统例 2-13 以甲基异丁酮为溶剂 （ C )，从含醋酸( B)质量分数 8%的水( A)溶液中萃取醋酸。萃取温度 25 ，进料量 13 500 kg/h。 若萃余液仅含质量分数为 1%的醋酸，问单级操作时溶剂的需要量是多少？,56,第 2 章 单级平衡过程,2.4.3 多元液液系统,57,第 2 章 单级平衡过程,2.5 多相平衡过程,
