[工学]第5章-特种精馏技术课件.ppt

1、第第5章章 特种精馏技术特种精馏技术5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图5.2 萃取与恒沸精馏萃取与恒沸精馏5.3 反应精馏反应精馏5.4 分子蒸馏分子蒸馏5.5 膜蒸馏及渗透蒸馏膜蒸馏及渗透蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术25.1.1 三组分相图与蒸馏边界三组分相图等边三角形相图直角三角形相图ABCMABCM三元液相组分蒸馏曲线相图 5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术3二区双塔双塔典型的三元组

2、分蒸馏曲线图（1MPa） 每一条曲线表示在混合物蒸馏过程中可能的液相组分的平衡轨迹。(a)(b)(c)无恒沸点一区一恒沸点一区二恒沸点A64.7C97.2B78.5A丙酮56.2乙醇C78.5甲醇B64.7A125.8C136.2B135.155.75.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术4简单蒸馏5.1.2 剩余曲线图iyixW, 生成的每一微分量气体与釜中剩余液体呈汽液平衡，液相组成连续变化。三元混合物蒸馏釜中液体完全混合，泡点WdtdWxydtdxiiitW,iiiyxddx5.

3、1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术51,3131iiiiiixyxpTKxKiyixW,dtdWWdtd1初始条件：0, 0iixxt tWWt0ln 随时间单调降低，tW 随时间单调增加，tiiiyxddx2, 1i131iixiiixKy 3, 2, 1i泡点温度方程7方程9变量5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术6 在给定蒸馏的初始条件下，沿增加或减小方向，可计算出

4、液相组成的连续变化。 剩余曲线剩余曲线：在三角相图上表达蒸馏过程中液相组成随时间变化关系的曲线。 同一条剩余曲线上不同点对应着不同的蒸馏时间，箭头指向时间增加的方向，也是温度升高的方向。5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术7纯组分双组分纯组分和双组分共沸物的剩余曲线图 对于复杂的三元相图，剩余曲线按簇分布，不同的剩余曲线具有不同的起点和终点，构成不同的蒸馏区域。5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-

5、4-26第5章 特种精馏技术8三组分共沸物的剩余曲线图5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术95.1.3蒸馏曲线图 蒸馏曲线蒸馏曲线：在全回流条件下的连续精馏过程，液体组成在精馏塔板内的分布用三角形相图表示。 用逐板计算法获取精馏塔内各板上的汽液平衡组成分布与操作关系。操作关系jijiyx,1,平衡关系jijijixKy,给定压力下：起始液相组成xi,1yi,1xi,2yi,2xi,3绘三角形相图5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术

6、现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术10从而可得全回流下精馏曲线。5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图精馏曲线边界与剩余曲线边界通常相接近。剩余曲线不能穿越蒸馏边界。现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术11在全回流比下操作的精馏塔的组成分布也不能穿越蒸馏边界。在一定回流比下操作的精馏塔的组成分布也不能穿越蒸馏边界。为集成过程设计提供理论依据开发可行的精馏流程精馏产物组成分析评价分离方案和确定最适宜的分离流程精馏曲线的用途5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离

7、技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术125.1.4在全回流下的产物组成区 用剩余曲线图和蒸馏曲线图估算非理想三元混合物可能生成区域。 产物区域由添加塔物料平衡线在曲线图上的位置决定。5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图等压条件下非恒沸系统现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术13高回流比连续精馏HLIF釜底物纯HD蒸馏物纯LBF：进料D：塔顶产物B：塔釜产物 对于给定物料平衡线，D和B组分点必在相同的蒸馏曲线上，则两点上物料平衡线与蒸馏曲线相交。产物组成图HLIF物料平衡和蒸馏

8、曲线图 对恒沸系统，有蒸馏边界线存在，则对每一个蒸馏区域内必能找到可能的产物组成。5.1 混合物组分的相图混合物组分的相图现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术145.1 混合物组分的相图混合物组分的相图 如书上P152图6-9(a)所示，进料F2在左边的蒸馏区域内，塔釜流出组分为B2，不能获得纯辛烷；若进料在右边蒸馏区域，则在塔釜不能获得纯乙基苯产物。 如书上P152图6-9(b)所示，体系由两个最小恒沸点和一个最大恒沸点的三个二元恒沸物、一个三元恒沸物组成。具有四个蒸馏区域，体系更复杂，可能的产物区域受到限制。现代分离

9、技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术155.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏 萃取精馏萃取精馏：在被分离的二元混合物中加入第三组分，该组分对原溶液中A、B两组分的分子作用力不同，可选择性地改变原溶液中的A、B两组分的蒸气压，增大它们之间的相对挥发度，或改变乃至消除恒沸点，使精馏仍能进行的蒸馏过程。5.2.1 基本概念 要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高得多，且不与组分形成共沸液，容易回收。萃取精馏常用于分离各组分挥发度差别很小的溶液。现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-

10、4-26第5章 特种精馏技术16 表5-1 恒沸精馏恒沸精馏：在被分离的二元混合物中加入第三组分（恒沸剂或夹带剂），该组分与原溶液中的一个或两个组分形成最低恒沸物，从而形成恒沸物纯组分的精馏体系，使恒沸物从塔顶蒸出，纯组分从塔底排出的蒸馏过程。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术17恒沸精馏萃取精馏共同点都加入另一组分（即第三组分）使相对挥发度增大计算过程所用的基本关系式都是物料衡算、热量衡算和相平衡关系不同点形成恒沸物不形成恒沸物从塔顶蒸出从塔釜离开恒沸精馏和萃取精馏的比较5

11、.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术18 一般，恒沸精馏的操作温度低于萃取精馏，适合于热敏性组分的分离。 萃取剂从塔上部不断加入，一般不与其它组分形成恒沸物，精馏时从塔底排出。 恒沸剂可与料液一起从塔釜加入，从塔顶蒸出。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术195.2.2 溶剂选择原则 被选用溶剂对待分离物中A、B两组分的选择性大小。 使相对挥发度向所希望方向改变。

12、尤厄乐分类法选择原则同系物或结构相似性选择萃取剂或共沸剂所需的一般特性5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术20（1）尤厄乐分类法选择原则通常有机化合物极性强弱顺序：水二醇醇酯酮醛醚烃 尤厄尔，据液体能否生成氢键的特性来推出各类有机物组成溶液时的偏差。 氢键强度取决于与氢原子配位的电负性原子的性质。 要形成氢键，须有一个活性氢原子与一个能供给电子的原子结合。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022

13、-4-26第5章 特种精馏技术21 据液体中是否有活性氢原子与供电子原子，将有机液体分成五类。I型：可形成三维强氢键网络水、乙二醇、甘油、多酚、氨基化合物II型：活性氢原子与其它供电子原子醇、酸、酚、伯胺、伸胺、肟、氢氰酸III型：供电子原子水溶性液体醚、酮、醛、酯、叔胺、肟、腈化物IV型：活性氢原子微溶于水，-C-ClCHCl3， CH2Cl2， CH2Cl-CHCl2V型：不形成氢键，不溶于水烃类、CS2，硫醇、 卤代烃（IV中无）5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术22各

14、类液体混合时呈现的偏差与氢键情况类型偏差氢键I+VII+V总是正偏差，II+V为部分互溶仅有氢键断裂III+V总是负偏差仅有氢键生成I+IVII+IV总是正偏差，II+V为部分互溶氢键可生成，可断裂，但I类或II类液体解离更重要I+II+III+IIIII+IIII+III 非常复杂的组合，通常为正偏差，有时为负偏差，形成某些最高共沸物。氢键可生成，可断裂III+IIIIII+IVIV+IV 理想溶液或接近理想溶液但具正偏差，有可能形成最低共沸物。无氢键IV+VV+V最低共沸物（如形成共沸物）5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技

15、术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术23（2）同系物或结构相似性选择据两组分同系物筛选溶剂丙酮：56.4甲醇：65.7x丙酮=0.88，55.7丙酮和甲醇的一些同系物丙酮同系物丙酮同系物沸点沸点/甲醇同系物甲醇同系物沸点沸点/甲基乙基酮甲基乙基酮甲基正丙基酮甲基正丙基酮甲基异丁基酮甲基异丁基酮甲基正戊基酮甲基正戊基酮79.6102.0115.9150.6 乙醇乙醇 丙醇丙醇 水水 丁醇丁醇 戊醇戊醇 乙二醇乙二醇78.397.2100.0117.8137.8197.2成恒沸物更易挥发5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代

16、分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术24 乙醇-水共沸物的分离，以乙二醇替代苯作为其中水的同系物进行蒸馏，可获得无水乙醇。 分子相似结构可用来推测所选溶剂与关键组分间的相互作用。 筛选出的溶剂，通过计算其活度系数、汽液平衡关系等物性参数，来估算其对待分离体系的分离因子或经实验验证。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术25（3）萃取剂或共沸剂所需一般特性显著影响关键组分的汽液平衡关系化学稳定性好，不分解或自聚，易于分离与再生利用与原料组分互溶，不生成二相，不

17、发生化学反应无毒、无腐蚀、廉价易得5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术265.2.3 萃取精馏的分离因子221112pp 萃取剂的加入, 往往改变了原有组分的相互作用,因为溶液为非理想溶液,故组分的活度系数将会发生改变。在这种情况下,原有组分间的相对挥发度也将发生改变了。 由此看出,相对挥发度不仅与物系的操作条件有关,而且与物系性质有关,即活度系数有关。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-

18、4-26第5章 特种精馏技术27 尽管萃取精馏所处理的物料非理想性较强，汽液两相流率变化较大，萃取过程中的塔温变化较大，但仍可采用普通精馏过程的数学模型来算出溶剂量溶剂量及其加入位置、回流比、理论塔板数理论塔板数及适宜的进料位置等操作参数。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏假定：精馏段溶剂浓度xs为常数提馏段溶剂浓度xs为常数塔内恒摩尔流塔顶产品中溶剂浓度xDS=0现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术28同一段上各板溢流液中溶剂量相等精馏段物料衡算总物料衡算DLSV溶剂S衡算ssxLSyVSDlSLxyssV

19、LsysxV LsysxS溶剂F料液馏出物DRD残液B5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术29V LsysxV LsysxS溶剂F料液馏出物DRD残液B 将非溶剂部分虚拟为一个组分n。相平衡：nnnxKy 即：snsxKy11溶剂平衡：sssxKy 5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术30V LsysxV LsysxS溶剂F料液馏出物DRD残液B溶剂对非溶剂：

20、ssssnsSnxyxyKK1111sSnsSnsxxysSnSnsxDLSx115.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术31sSnSnsxDLSx11SRDLsSnSnsSnSnsxDLxDRDxS1111同理，对于提馏段：sSnSnsxBLSx11DFB5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术32非溶剂部分仅为组分1和2ssssssssssssssSnxxxxxxx

21、xxxxxxxyyyxxyy2211212211212121111大小0则，无论是提馏段还是精馏段，有：LSxxss或塔顶 x20,11DSn塔底 x10,21WSn5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术335.2.4 萃取精馏理论板数计算 精馏段和提馏段中溶剂浓度均为常数，溶剂只改变料液中两个组分（或关键组分）的相对挥发度。 可将三组分的萃取精馏按拟二元萃取精馏计算。 假定恒摩尔流和相对挥发度为常数，则可采用普通精馏的简捷计算法。5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代

22、分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术345.2.5 恒沸精馏理论板数计算物料衡算确定塔操作线精馏段提馏段nn 12WVyLxW xm11DV yL xWxm确定夹点理论板数5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术35乙醇-水溶液的恒沸精馏5.2.6 应用5.2 萃取精馏与恒沸精馏萃取精馏与恒沸精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术365.

23、3 反应精馏反应精馏 反应精馏反应精馏：将化学反应和精馏结合起来同时进行的操作过程。反应精馏催化精馏化学反应在液相进行化学反应在固体催化剂与液相的接触表面进行5.3.1 基本概念与传统方法相比：产品收率高节能流程简单投资少、设备紧凑现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术375.3 反应精馏反应精馏使用限制精馏法来分离反应物和产物化学反应为液相反应催化剂充分润湿反应停留时间不能过长反应温度和泡点温度一致反应不能是强吸热反应催化剂寿命至少12 a现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-

24、4-26第5章 特种精馏技术385.3.2 反应精馏的基本特点合成反应cba沸点：abcb、c间形成最低共沸物先反应后蒸馏反应和蒸馏同时进行ba,Fcba ,cba ,1F1R1R1D1Cc1Bacb1R1FFacb1B1C1R1Bba,F1DcBacbF5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术39在反应精馏塔中，无未反应物的循环。放热反应的反应热可直接供精馏塔使用。5.3 反应精馏反应精馏5.3.3 反应精馏的相平衡与化学平衡 反应的存在，用常规方法难以测得准确的汽液相平衡数据。 在催化精馏模拟计算

25、中，用UNIFAC法估算，获得相平衡数据。反应组分间未反应的共沸物消失产生反应共沸物（含理想体系）现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术40 Venimadhavan等提出了有关在化学平衡控制与相平衡控制这两个极端之间的反应精馏过程变化，对仅3组分的反应进行了分析。A + B 2C反应平衡常数BACxxxK2 Gibbs反应自由能的比变化 若K已知，则任一组成会按照上式反应一直进行到其满足化学平衡的那一点为止。5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26

26、第5章 特种精馏技术41K值低高反应平衡线靠近A-B双组分一侧进料混合物发生化学反应的少反应平衡线靠近A-C、B-C双组分线的角上化学平衡有利于产物C的生成 对蒸馏过程的相平衡特性可用剩余曲线来表示。5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术42 在组分A-B、A-C之间的低沸点二元恒沸物系统，剩余曲线图的特征是标明由微分方程算出的起始和终了的固定点，与纯组分和恒沸物相关的固定点。 大多数反应精馏系统的平衡特性是介于相平衡与反应平衡之间，用Damkhler数来表征这种变化。5.3 反应精馏反应精馏现代分

27、离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术4310kHDa H0 持液量，molk1 拟一级速率常数，s-1 蒸汽速率，mol/sDa 0.5t反应 10t反应 t停留化学平衡0.5 Da 10速率模型P164 表 6-7、6-85.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术44Da过程控制类型过程平衡现象过程设计要素10.0化学平衡控制可假定反应为化学平衡，每级为具有气液产物的平衡反应器已有几种商用模拟元件用于此类反应蒸馏级的设计(0.5,10

28、.0)速率限制动力学和相平衡有重要影响为使竞争反应最小化，常需调整反应蒸馏条件Da对过程控制和设计要素的影响5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术45DaK反应形式过程特点低低正反应慢，逆反应快，无产物生成，过程难以实现需要大的持液量，无反应蒸馏特点低高正反应慢，逆反应更慢，产物收率高塔板持液量不是太大，有利于反应蒸馏高低产物生成速率快，逆反应更快，仅少量产物生成如果产物能成反应区域及时取出，则反应蒸馏特点明显高高正反应快，逆反应慢，属不可逆反应，可在简单反应器内进行为使竞争反应最小化，常需调整反应

29、蒸馏条件Da和K值对反应蒸馏的影响5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术465.3.4 反应精馏的动力学（1）反应段的传质及流体力学特性 催化蒸馏塔的反应段，非均相催化剂内部存在化学反应的质量和能量传递，气、液膜中存在非反应传递过程。5.3 反应精馏反应精馏已工业化的催化精馏塔：催化剂装入玻璃布袋用波纹丝网卷成捆束催化剂床层中现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术47气膜传质系数5 . 094. 02Re1097. 1ggPgS

30、cRTdDktPd4液膜传质系数5 . 01 . 0Re483. 2glPlLScdDk气液有效比表面积24. 0Re053. 0it气液有效相界面催化剂填料比表面积5.3 反应精馏反应精馏气液有效比表面积24. 0Re053. 0itduRe 随着气速的增加，床层压降和持液量均先缓慢增加，而后陡增。现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术48 经实验拟合，单位床层高度压降与汽液表面流速相关：液速LL=0，790. 12 .171 vZpL0，低于泛点048. 033. 0539. 5lnLvZp，气体表面流速； L，液体表

31、面流速5.3 反应精馏反应精馏 随液体喷淋密度及气速的增加，塔内气液接触状态分别为膜状流动态、鼓泡态和乳化态。现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术49 当气液接触状态为膜状流动态时，压降和动持液量有滞后现象。（2）反应精馏的动力学限制特性平衡级模型费劲非平衡模型气液相平衡相间传质速率反应相内（液相）传质速率反应速率催化剂内传质及其活性产物在液体相内的传质5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术50气液界面的双膜吸收理论Hatta

32、数LlAkkDHa 液膜传质系数液相传质系数 Hatta数及其与传质系数的比较，如书P165表6-9所示，分为五种情况。5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术51速率限制模型的现象与设计要素参数比较动力学机制反应蒸馏过程现象设计关键或要素Ha21慢k1akL慢扩散在液相反应呈平衡，传质控制。仅需考虑二相之间传质速率。k1akL慢混合动力学与扩散近似相等。需同时考虑反应和传质，气液接触或催化剂改善能强化过程。Ha21 速率限制动力学和相平衡有重要影响需考虑膜内和主体液流中的反应，否则慢扩散模型误差严重

33、。5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术52（3）典型体系的反应动力学方程 如书P165表6-10所示，为部分体系催化蒸馏条件下宏观动力学方程或本征动力学方程。5.3 反应精馏反应精馏5.3.5 反应蒸馏塔的设计计算简单图解计算严格数学模型计算机模拟物料平衡相平衡化学平衡 若反应速度较大，主要考虑气液平衡关系。现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术53物料平衡：RnWDF反应增加总分子数RinWiDiiWxDxFZi组分分子数精

34、馏段操作线方程VnRi, 1DiinniDxxVLy提馏段操作线方程LnRi, 1WiimniWxyLVx5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术545.3.6 反应蒸馏塔形式的选用料液加入板产品出口板 反应热影响较大时，需加中间加热或冷却，并保证液相停留时间。5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术55 对某些体系无需外加其它辅助精馏过程可得合格产品： 反应A R或A 2R挥发度 RARA,F1DARA R

35、 A和R形成高沸点恒沸物时，稳态下，再沸器中R的摩尔分数大于恒沸组成。无提馏段RA,F1DARA R5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术56 反应A R或2A 2RA低沸点R挥发度高RA,FRRA 无塔顶产品引出测定反应完成位置，防止逆反应发生。产品R从再沸器引出无精馏段RA,FRRA 5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术57 反应2A R + S 或 A + B R+SA、B挥发度在R、S之间SRA

36、,F1DSRA2 RB比A难挥发SSRBA RRA,1DBSRA,F1D RS RRA,1DB5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术585.3.7 催化蒸馏塔催化剂的装填关键：反应段催化剂床层的结构设计与安装催化剂催化作用传质表面作用较高催化效率较好分离效率管内装填时满足：催化剂床层具足够自由空间催化剂具足够表面积催化剂颗粒可膨胀和收缩5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术59散放于塔内某一区段，装入板式

37、塔降液管装填方法拟固定床式拟规整填料式散装于塔板上二筛网间或塔板上多孔容器与惰性粒子混合入塔装在金属网板间隙催化剂捆扎包放入波纹板间5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术605.3.8 反应精馏的应用醋酸和乙醇酯化生成醋酸乙酯。固体酸作催化剂的甲醛和甲醇反应生成甲醛缩二甲醇。硫酸作催化剂的醋酸和甲醛反应生成醋酸甲酯。固体强酸性离子交换树脂作催化剂的异丁烯和甲醇反应生成甲基叔丁基醚。5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章

38、 特种精馏技术61催化精馏MTBE流程简图（1）醚化反应精馏1-预反应器；2-催化精馏塔；3-水洗塔；4-甲醇回收塔5.3 反应精馏反应精馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术625.4 分子蒸馏分子蒸馏5.4.1 基本概念 理论依据：液体的沸点随外界压力的变化而变化，如果借助于真空泵降低系统内压力，就可以降低液体的沸点。普通真空蒸馏液体的沸点：蒸气压等于外界压力时的温度减压蒸馏 在低于大气压力下进行的蒸馏称为减压蒸馏（或普通真空蒸馏）。 13.332 Pa分离提纯高沸点有机化合物。分离提纯高沸点有机化合物。 现代分离技

39、术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术63减压蒸馏装置蒸馏部分分离抽提部分产生低压油泵保护部分保护油泵正常工作测压部分测量系统压力5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术64 分子蒸馏又称短程蒸馏，是在高真空下（一般为10-4Pa数量级），利用不同物质分子运动平均自由程的差别实现物质的分离。 分子蒸馏蒸发面和冷凝面间距小于或等于被分离的蒸汽分子的平均自由程，由蒸发而逸出的分子可无碰撞、无阻拦地传递扩散到冷凝面上冷凝，其蒸发传质速率可高达20

40、40g/(m2s)。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术65分子蒸馏与真空蒸馏的比较 原料名称操作条件亚油酸鱼油乙酸天然维生素（VE）蒸发温度分子蒸馏真空蒸馏140200130140220160260真空度分子蒸馏真空蒸馏132030132030120305.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术66分子蒸馏操作温度及蒸馏压强低受热时间短分离程度及产品收率高适合于：热敏性、易活化物质高分子量、高沸点、高黏度

41、物料现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术675.4.2 分子蒸馏原理（1）分子蒸馏过程及特点分子蒸馏过程示意料液进口残留物 馏出物出口热介质进口热介质内置冷凝器系统真空蒸发面液膜五步热量从加热面传递到液膜，分子从液相主体向蒸发面扩散。高真空度，温度远低于沸点，分子从液膜表面自由蒸发。基于真空抽力，蒸发分子向冷凝面飞射。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术68分子蒸馏过程示意料液进口残留物 馏出物出口热介质进口热介质内置冷凝器

42、系统真空蒸发面液膜分子自由程与蒸发面-冷凝面间距相比：若大，则分子在冷凝面上冷凝； 若小，则分子不能到达冷凝面。没有蒸发的重组分和返回加热面上的极少量的轻组分由于重力或离心作用落到加热器底部。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术69分子蒸馏需满足的条件轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异越大越好；蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均自由程。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术70分子蒸馏与普通

43、蒸馏的比较比较内容分子蒸馏普通蒸馏温度任何温度，与冷凝面存在足够温差沸点温度蒸发-冷凝不可逆过程可逆过程液体蒸发液膜表面上的自由蒸发，是不沸腾下蒸馏沸腾、鼓泡分离因子与组分蒸气压和分子量之比有关与组分蒸气压有关12202101MMpp202101pp5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术71（2）分子蒸馏的基本原理 分子平均自由程分子在两次连续的碰撞之间所走的路程。纯组分，只有一种分子 ：MTpT589. 8两种分子同时存在 ：122121918211224.28 107.55 101hunddp

44、dMpTTM5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术72分子蒸馏分离不同分子量组分的原理示意轻分子可到达冷凝面，重分子不可。Z轻重 Z5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术73 分子蒸发速率 由物质分子在蒸发面上的挥发速率决定，与汽液相平衡无关。 按Langmuir-Knudsen方程，多组分体系在理想情况下，每组分的蒸发速率J为：TMxpMRTxpJ0201038. 121 对非理想物系或用于分子精馏的精

45、确计算时，需据实际操作压力适当校正。5.4 分子蒸馏分子蒸馏 蒸发温度 与被蒸馏的物质的相对分子质量大小相关，成线性增加关系。现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术74 分离因子 用相对挥发度表示分离二组分混合物的分离能力。 分子蒸馏分离过程不可逆，可由蒸发速率直接求出：1220210121MMppJJM普通蒸馏，气液相间达动态平衡：202101pp12MMM5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术755.4.3 分子蒸馏的传热与

46、传质 分子蒸馏的表面蒸发动力学 分子通过蒸馏空间的行程 分子在冷凝面上的冷凝 蒸发与冷凝表面液膜内及蒸馏间隙内的传热、传质 Anhdung等提出刷膜式分子蒸发器数学模型，论述了分子蒸发器内液膜稳态区（温度恒定）内浓度变化，分子蒸馏过程的分离能力。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术76rdzdF2x0GGD刷膜系统Anhdung等提出刷膜式分子蒸发器数学模型假设：蒸馏液为理想溶液。分子蒸馏速率不高，膜内无温度变化。液膜呈湍流，加热面与蒸发面间浓度梯度可忽略。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代

47、分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术77rdzdF2x0GGD刷膜系统 溶液流经dz距离，组分i在蒸馏表面dF(=2rdz)的蒸馏量为：dFRTMxpdJiiii210 稳态区内蒸发，液膜温度在z方向上不变。dFxkdJiiiRTMpkiii2105.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术78rdzdF2x0GGD刷膜系统 液膜上组分i的摩尔分数改变dxi，则液膜残液流量改变为dG=-dJi，物料衡算：iiiidJGxdxxdGGdGGdJdJx

48、dxiiii 从进料和残液流量差可得蒸馏液量，对组分i：FiiFiiidFxkdJGxxG0000不能以一般方程求解。5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术79rdzdF2x0GGD刷膜系统 对二元体系，有可能得到数学解。 易挥发组分浓度x，另一组分浓度为1-x。dGGdJdJxdxiiiGdFkkxxdGGdFxkxkxkxdx1212111FxFFdxxkkGkxGxG0112100RTMpkiii210FFkxdFdJGxxG00005.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术

49、现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术80FxFFdxxkkGkxGxG0112100 xkkGkGxdxdG1121边界条件：F = 0, x = x0 , G = G0KxxxxxxGG000011121kkkKKxxxxxxGGGD000001115.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术81KxxxxxxGG000011GdFkkxxdGGdFxkxkxkxdx1212111dFxGxkkxdxxKoKKK10012211100011xxxx01221001G

50、dFkkdxKKK5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术8201221001GdFkkdxKKK 从而可得分子蒸发器内加热表面积与残留液浓度间的关系：1111100012KUxKUxGFkkKK0U蒸馏液组成摩尔分数：回收率：KUxGGx11001000000111KKKUxUxUxGGGxxGy5.4 分子蒸馏分子蒸馏现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术现代分离技术2022-4-26第5章 特种精馏技术835.4.4 分子蒸馏装置设计 降膜式分子蒸馏器中液膜厚度、向下流动速