共沸蒸馏热力学原理

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1 化工分离工程论文 浅谈萃取精馏和共沸精馏

1 化工分离工程论文 浅谈萃取精馏和共沸精馏

1 化工分离工程论文浅谈萃取精馏和共沸精馏前言在化工生产中常常会遇到欲分离的组分之间的相对挥发度接近于 1 或者形成共沸物的系统。

应用一般的精馏方法分离这种系统或者在经济上是不合理的。

或者在技术上是不可能的如向这种溶液中加入一个新的组分,通过它对原溶液中各组分的不同作用,改变它们之间的相对挥发度,系统变得易于分离,这类既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏过程称为特殊精馏。

故需要对特殊的精馏,即萃取精馏、共沸精馏的特点进行相应的了解,让这两种特别的精馏方法更好地为人类做贡献。

1 萃取精馏1.1 萃取精馏原理溶剂在萃取精馏中的作用是使原有组分的相对挥发度按所希望的方向改变,并有尽可能大的相对挥发度。

当被分离物系的非理想性较大,且在一定浓度范围 2 难以分离时,加入溶剂后,原有组分的浓度均下降,而减弱了它们之间的相互作用,只要溶剂的浓度足够大,就突出了两组分蒸汽压的差异对相对挥发度的贡献,实现了原物系的分离。

在该情况下,溶剂主要起了稀释作用。

当原有两组分 A 和B 的沸点相近,非理想性不大时,若相对挥发度接近于1,则用普通精馏也无法分离。

加入溶剂后,溶剂与组分 A 形成具有较强正偏差的非理想溶液,与组分 B 形成负偏差溶液或理想溶液,从而提高了组分A 对组分B 的相对挥发度,以实现原有两组分的分离。

溶剂的作用在于对不同组分相互作用的强弱有较大差异。

1.2 萃取精馏过程分析(1)汽液流率:由于溶剂的沸点高,流率较大,在下流过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽,导致塔内汽相流率越往上走越小,液相流率越往下流越大。

溶剂存在下,塔内的液汽比大于脱溶剂情况下的液汽比;各板下流的溶剂流率均大于加入的溶剂流率;汽相流率、液相流率都是越往上越小。

(2)浓度分布。

溶剂在塔内浓度分布分为四段: 1)溶剂回收段: 2)精馏段: 3)提馏段: 4)塔釜:1.3 萃取剂萃取剂就是用于萃取的溶剂两种液体互不相溶,需要萃取的物质在两液体中溶解度差别很大的时候可以进行萃取。

共沸的原理

共沸的原理

共沸的原理共沸,即两种或多种液体在一定温度下同时沸腾的现象。

在化学领域中,共沸现象常常被用于分离混合物中的不同成分,具有重要的应用价值。

本文将从共沸的原理出发,探讨其产生的机制、应用场景以及相关的实验方法。

我们来了解共沸的原理。

共沸的发生是由于不同液体的蒸气压在一定条件下相等,即两种液体的沸点相同。

在一定温度下,这些液体的分子获得足够的能量,从液态转变为气态,形成蒸气。

当这些蒸气聚集在液体表面时,会形成气泡,从而产生沸腾现象。

而对于共沸液体,它们的蒸气压相等,因此它们的沸点也相等,从而在相同的温度下同时沸腾。

共沸现象在实际应用中有着广泛的用途。

首先,共沸可用于分离混合物中的不同成分。

例如,通过对含有多种溶剂的混合物进行加热,可以使其中的共沸溶剂同时沸腾,从而使其蒸气分离出来,实现分离纯化的目的。

此外,共沸还可以应用于萃取、萃余等过程中,提高分离效率。

通过合理设计共沸系统,可以更加高效地完成分离过程,节省能源和成本。

在实验中,我们可以通过不同的方法来实现共沸现象。

一种常用的方法是采用减压共沸技术。

在此方法中,我们通过调整系统的压力,使得液体在较低的温度下发生共沸。

这种方法适用于具有较高沸点的液体,例如石油化工中的石蜡、油脂等。

另外,还可以利用添加剂的方法来实现共沸。

通过向混合物中添加具有共沸性质的物质,可以改变体系的蒸气压,从而实现共沸。

这种方法常用于药物合成、精细化工等领域。

共沸作为一种重要的物理现象,具有广泛的应用价值。

通过了解共沸的原理,我们可以更好地理解其机制,并在实际应用中加以利用。

共沸不仅可以用于分离混合物中的不同成分,还能够提高分离效率,节省能源和成本。

因此,我们应当加强对共沸现象的研究和应用,推动化学领域的发展。

共沸精馏 (2)

共沸精馏 (2)

化工专业实验报告实验名称:共沸精馏实验人员:聂子杨同组人:唐剑鑫任天宇实验地点:天大化工技术试验中心624室实验时间:2013年4月16日年级 2010 ;专业化工;组号 9 ;学号 3010207103 指导教师:齐晓舟实验成绩:共沸精馏一.实验目的及要求1.通过实验加深对共沸精馏过程的理解。

2.熟悉精馏设备的构造,掌握精馏操作方法。

3.能够对精馏过程做全塔物料衡算。

4.学会使用气相色谱分析气、液两相组成。

二.实验原理1.过程原理精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配,通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。

对于不同的分离对象,精馏方法也会有所差异。

例如,分离乙醇和水的二元物系。

由于乙醇和水可以形成共沸物,而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近,所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物,而无法得到无水乙醇。

为此,在乙醇一水系统中加入第三种物质,该物质被称为共沸剂。

共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最低共沸物的特性。

在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出,塔釜则得到无水乙醇。

这种方法就称作共沸精馏。

乙醇—水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。

现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表 1。

为了便于比较,再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

从表1和表2列出沸点看,除乙醇一水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外,其余三种共沸物的沸点与乙醇沸点均有10 ℃左右的温度差。

因此,可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来,塔釜则得到无水乙醇。

整个精馏过程可以用图1来说明。

图中A、B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头;ABZ 、AWZ、BWZ代表三个二元共沸物,T表示三元共沸物。

图中的曲线为25℃下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。

该曲线下方为两相区,上方为均相区。

图中标出的三元共沸组成点T是处在两相区内。

以T为中心,连接三种纯物质A、B、W及三个二元共沸点组成点ABZ 、AWZ、BWZ,将该图分为六个小三角形。

实验二共沸精馏

实验二共沸精馏

实验二共沸精徭实验二共沸精馏实验目的:1.通过实验加深对共沸精馏过程的理解。

2•熟悉精馏设备的构造,掌握精馏操作方法。

3.能够对精馏过程做全塔物料衡算。

4.学会使用气相色谱分析气、液两相组成。

二、实验原理:精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配,通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。

对于不同的分离对象,精馏方法也会有所差异。

例如,分离乙醇和水的二元物系。

由于乙醇和水可以形成共沸物,而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近,所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物,而无法得到无水乙醇。

为此,在乙醇一水系统中加入第三种物质,该物质被称为共沸剂。

共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最低共沸物的特性。

在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出,塔釜则得到无水乙醇。

这种方法就称作共沸精馏。

乙醇一水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。

现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表1为了便于比较,再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

表1乙醇一水一苯三元共沸物性质表2乙醇、水、苯常压沸点从表1和表2列出沸点看,除乙醇一水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外,其余三种共沸物的沸点与乙醇沸点均有 10C左右的温度差。

因此,可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来,塔釜则得到无水乙醇。

整个精馏过程可以用图1来说明。

图中A、 B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头;ABz、AWz BWzf 弋表三个二元共沸物,T表示三元共沸物。

图中的曲线为25 C下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。

该曲线下方为两相区,上方为均相区。

图中标出的三元共沸组成点 T是处在两相区内。

图1 25C下乙醇-水-苯三元混合物的溶解度曲线以T为中心,连接三种纯物质A B、W及三个二元共沸点组成点 ABz、AWz BWz将该图分为六个小三角形。

如果原料液的组成点落在某个小三角形内。

当塔顶采用混相回流时精馏的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。

共沸精馏

共沸精馏

实验一共沸精馏精馏是化工生产中常用的分离方法。

它是利用气-液两相的传质和传热来达到分离的目的。

对于不同的分离对象,精馏方法也会有所差异。

例如,分离乙醇和水的二元物系,由于乙醇和水可以形成共沸物,而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近,所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物,而无法得到无水乙醇。

为此,在乙醇-水系统中加入第三种物质,该物质被称为共沸剂。

共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最共沸物的特性。

在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出,塔釜则得到无水乙醇。

这种方法就称作共沸精馏。

一.实验目的1.通过实验加深对共沸精馏过程的理解。

2.熟悉精馏设备构造,掌握精馏操作方法。

3.能够对精馏过程做全塔物料衡算。

4.学会使用阿贝折射仪分析液体组成。

二.实验原理乙醇—水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。

现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表1。

为了便于比较,再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

表1乙醇-水-苯三元共沸物性质表2乙醇、水、苯的常压沸点从表1和表2列出的沸点看,出乙醇—水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外,其余三种共沸物的广泛的与乙醇沸点均有10℃左右的温度差。

因此,可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来,塔釜则得到无水乙醇。

整个精馏过程可以用图6-1来说明。

图1-1共沸精馏原理图图中A、B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头;ABZ、AWZ、BWZ代表三个二元共沸物。

图中的曲线为25℃下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。

该曲线下方为两相区,上方为均相区。

图中标出的三元共沸组成点T是处在两相区内。

以T为中心,连接三种纯物质A、B、W及三个二元共沸组成点ABZ、AWZ、BWZ,将该图分为六个小三角形。

如果原料液的组成点落在某个小三角形内,当塔顶采用混相回流时临近六的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。

故要想得到无水乙醇,就应该保证原料的组成落在包含顶点A 的小三角形内,即在ΔATABZ或ΔATAWZ内,从沸点看,乙醇—水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15℃,就本实验的技术条件无法将它们分开。

实验二 共 沸 精 馏

实验二   共 沸 精 馏

实验二共沸精馏一、实验目的:1.通过实验加深对共沸精馏过程的理解。

2.熟悉精馏设备的构造,掌握精馏操作方法。

3.能够对精馏过程做全塔物料衡算。

4.学会使用气相色谱分析气、液两相组成。

二、实验原理:精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配,通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。

对于不同的分离对象,精馏方法也会有所差异。

例如,分离乙醇和水的二元物系。

由于乙醇和水可以形成共沸物,而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近,所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物,而无法得到无水乙醇。

为此,在乙醇一水系统中加入第三种物质,该物质被称为共沸剂。

共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最低共沸物的特性。

在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出,塔釜则得到无水乙醇。

这种方法就称作共沸精馏。

乙醇—水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。

现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表1。

为了便于比较,再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

表1 乙醇—水—苯三元共沸物性质从表1和表2列出沸点看,除乙醇一水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外,其余三种共沸物的沸点与乙醇沸点均有10℃左右的温度差。

因此,可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来,塔釜则得到无水乙醇。

整个精馏过程可以用图1 来说明。

图中A、B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头;AB Z、AW Z、BW Z代表三个二元共沸物,T表示三元共沸物。

图中的曲线为25℃下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。

该曲线下方为两相区,上方为均相区。

图中标出的三元共沸组成点T是处在两相区内。

以T为中心,连接三种纯物质A、B、w及三个二元共沸点组成点AB Z、AW Z、BW Z,将该图分为六个小三角形。

如果原料液的组成点落在某个小三角形内。

当塔顶采用混相回流时精馏的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。

故要想得到无水乙醇,就应该保证原料液的组成落在包含顶点A的小三角形内,即在ΔATABz或ΔATAWz内。

共沸精馏_精品文档

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5.塔板效率
萃取精馏因加入大量的萃取剂,塔内液相流量远大于气相, 因而气液接触较差,导致塔板效率降低(约为普通一半)。
.
24
总结:
一、共沸物的特性与其组成的计算 二、共沸剂的选择 三、共沸精馏流程 四、共沸精馏的计算 五、共沸精馏与萃取精馏比较
.
25
NRTL (Non-Random Tow Liquid)
.
9
一、共沸物的特性与其组成的计算
P1
P1s
1
x1
P2
P2s
x
22
液相Ⅰ——组分1为主,液相Ⅱ——组分2 为主
代入上式:
P1S
(1
x1I
I 1
P xS II II 222
)
1
若相互溶度很小: 当 x1 1时, P1s P1
1
1
x2 1
2
1
E
P1s P2s
x2 x2
1
定性估算能否形成非均相共沸物
.
1
3.2.2 共沸精馏
一、共沸物的特性与其组成的计算 二、共沸剂的选择 三、共沸精馏流程 四、共沸精馏的计算 五、共沸精馏与萃取精馏比较
.
2
一、共沸物的特性与其组成的计算
1、名词解释 1)共沸物:指在一定压力下,沸腾温度、生成的汽相 组成和液相组成不变的的一类溶液。
2)正偏差共沸物:如溶液的蒸汽压相比理想溶液发生正 偏差,即形成正偏差共沸物(最低共沸物)。
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7
例3—6 已知P=86.659kPa,求共沸时x、T。
给出ll: n nPiiSf( 1f( 2x) T)
解 设 t : 5o C 5 计 P P 算 1 2 S S ( 1 2 ) ln 1 2 解 x 出 i

什么是恒沸精馏(共沸精馏)

什么是恒沸精馏(共沸精馏)

一、什么是恒沸精馏(共沸精馏)在被分离的物系中加入共沸剂(或者称共沸组分),该共沸剂必须能和物系中一个或几个组分形成具有最低沸点的恒沸物,以至于使需要分离的集中物质间的沸点差(或相对挥发度)增大。

在精馏时,共沸组分能以恒沸物的形式从精馏塔顶蒸出,工业上把这种操作称为恒沸精馏。

下面以制取无水酒精为例,说明恒沸精馏的过程,水和酒精能形成具有恒沸点的混合物,所以用普通的精馏方法不能获得纯度超过96%(体积)的乙醇,若在酒精和水的溶液中加入共沸组分-苯,则可构成各种恒沸混合物,但以酒精、苯和水所组成的三组分恒沸混合物的沸点为最低(64.84℃)。

当精馏温度在64.85℃时,酒精、苯和水的三元混合物首先被蒸出;温度升至68.25℃时,蒸出的是酒精与苯的二元恒沸混合物;随着温度继续上升,苯与水的二元恒沸混合物和酒精与水的二元恒沸混合物也先后蒸出,这些恒沸物把水从塔顶带出,在塔釜可以获得无水酒精。

工业上广泛地用于生产无水酒精的方法,就是根据此原理。

恒沸精馏的过程中,所加入的共沸组分必须从塔顶蒸出,而后冷凝分离,循环使用。

因而恒沸精馏消耗的能量(包括汽化共沸剂的热量和输送物料的电能)较多。

二、什么是萃取精馏?在被分离的混合物中加入萃取剂,萃取剂的存在能使被分离混合物的组分间的相对挥发度增大。

精馏时,其在各板上基本保持恒定的浓度,而且从精馏塔的塔釜排出,这样的操作称为萃取精馏。

例如,从烃类裂解气的碳四馏分费力丁二烯时,由于碳四馏分的各组分间沸点相近及相对挥发度相近的特点,而且丁二烯与正丁烷还能形成共沸物,采用普通的精馏方法是难以将丁二烯与其它组分加以分离的。

如果采用萃取精馏的方法,在碳四馏分中加入乙腈做萃取剂,则可增大组分间的相对挥发度,使得用精馏的方法能将沸点相近的丁二烯、丁烷和丁烯分离。

碳四馏分经过脱碳三、和碳五馏分后,进入丁二烯萃取剂精馏塔,在萃取剂乙腈的存在下,使丁二烯(包括少量的炔烯)、乙腈与其它组分分开,从塔釜采出并进入解析塔,在此塔中,丁二烯、炔烯从乙腈中解析出来,萃取剂循环使用。

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- 11 -
Example 2 Separate a mixture of acetone, chloroform and benzene. We shall show how to generate alternative structures systematically for solving this problem.
260
240
T, deg F
Vapor 220
y
x
200
2 phase liquid 180 0 composition (mole fraction butanol) 1.0
-1-
A convenient representation to look at this problem is the following which shows the key points along the composition axis
-7-
glycol
water min boiling azeotrope
ethanol
-8-
There are examples where these trajectories break the triangle into regions.
120
170 155
160
The claim is that one cannot cross these boundaries using distillation columns, at least not by enough toe impossible therefore to break the minimum boiling azeotrope (155 deg point) with the low boiling component (120 deg component) indicated using ordinary distillation columns.
- 12 -
We can show the "binary separation tasks" for this problem as follows. As we suggest separations, we can keep track of which portions of these tasks they accomplish.
-9-
Nodes and saddles In a residue map, the pure component and azeotrope points are of three types: stable nodes, unstable nodes and saddle. All trajectories enter a stable node (it is a local high temperature point), all trajectories leave an unstable node ( it is a local low temperature point), and some trajectories enter while others leave a saddle. In this case there are four distillation regions. Note the nodes and saddles. Why is the ternary azeotrope a saddle?
64
62
We can predict azeotropic behavior as follows from infinite dilution K-values. These in turn are readily available by performing a small set of flash calculations using any flowsheeting system.
Acetone 99.9 % Acetone 99.9 % Benzene 99.9 %
Feed Feed
Feed
1% Chloroform
0.1 % Benzene
10-4 % Chloroform
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First we need to estimate the ideal/nonideal behavior of these species. We can use infinite dilution K-values as follows. (One could also develop T vs x,y plots using a flowsheeting system for each binary pair.)
-6-
Material balance equations Vn+1 = Ln therefore yn+1,i = xn,i (1) yn+1,i Vn+1 = xn,i Ln
Equilibrium gives yn+1,i = Kn+1,i xn+1,i (2)
Propagation from one point to the next therefore combines (1) and (2) xn,i = Kn+1,i xn+1,i to propagate up the column. Plotting the results from developing these solutions creates trajectories on a triangular composition diagram. • These trajectories always move from low boiling mixtures to higher boiling ones.
-5-
Stichlmair and Fair Step from any point to another by assuming one is operating a total reflux column.
1
2
n
x
n
L
n
y
V n+1 n+1
Total reflux column (no feed or product)
composition column 1 feed
mixer, decanter
pure isobutanol
column 2
pure water
-2-
azeotrope
azeotrope decanter
feed column 1 column 2
isobutanol
water
-3-
Question: how would you design the system for the following feed?
dx1 = x - y = x - K x 1 1 1 1 1 dt
dx 2 = x - K x 2 2 2 dt
dx 3 = x - K x 3 3 3 dt
and plot on a triangular diagram. Note, the xi's sum to unity so one of these equations is not independent.
Azeotropic distillation Example 1
Separate water from iso-butanol. The phase behavior for this mixture is interesting. There is a minimum boiling azeotrope formed as well as a liquid-liquid phase separation when the liquid is cooled enough.
Chloroform Benzene FEED 36 % Acetone 24 % Chloroform 40 % Benzene
> 99% < 10-4%
?
Acetone
> 99.9%
Benzene
> 99.9%
Note we will allow the chloroform to have up to about 1% acetone in it. We will use this higher level of contamination later to our advantage.
composition feed
-4-
Residue curves and distillation boundaries Doherty and coworkers and Stichlmair and Fair described residue curves, and as we shall see shortly, distillation boundaries for azeotropic mixtures. They describe them almost exclusively for three component mixtures. The two approaches are similar but not exactly the same. Doherty et al Integrate the trajectory in composition space described by the equations
- 10 -
One can check if a ternary diagram is topologically legal by using the following formula (Doherty and Perkins, 1975): 4*(N3-S3)+2*(N2-S2)+(N1-S1) = 1 where N3 is the number of ternary azeotropes that are nodes S3 the number that are saddles N2 the number of binary azeotropes that are nodes S2 that are saddles N1 the number of pure component nodes S1 the number of pure component saddles If you create a sketch that violates this equation, the diagram is not legal. For the above examples Ethanol, water, glycol: (4(0-0) + 2*(1-0) + (1-2) = 2-1=1 Next figure: 4(0-0) + 2(0-1) + (3-0) = -2+3 = 1 Last figure: 4(0-1) + 2(1-0) + (3-0) = -4+2+3=1 and all three are topologically legal. Homework: Suppose you have the following data for the pure components and all the binary azeotropes that exist (but none for ternary azeotropes) – pure component BP: A:190, B:200, C:220; binary azeotropes AB:185, BC:195. Assume at most one ternary azeotrope can exist. How many different ways can you sketch a residue curve that would be topologically legal for these temperatures? Prove a ternary azeotrope is not possible?
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