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多組分精餾和特殊精餾

作者:劉家祺  瀏覽量:990  發布時間:2020-04-09

目前,多組分精餾過程的設計多采用嚴格解法,但是近似算法仍很廣泛地應用著。它常用于初步設計、對多種操作參數進行評比以尋求適宜的操作  條件以及在過程合成中尋找合理的分離順序。近似算法還可用于控制系統的計算以及為嚴格計算提供合適的設計變量數值和迭代變量初值。此外,當相平衡數據不夠充分和可靠時,采用近似算法不比嚴格算法遜色。近似算法雖然適于手算,但為了快速、準確,采用計算機進行數值求解也已廣泛應用。
在欲分離組分的相對揮發度低于1.1時,采用一般精餾進行分離是不經濟的,若有共沸物生成則分離是不可能的。為解決這類問題,多年來從多種  途徑研究和開發出被強化的精餾過程,稱之為特殊精餾。本章將介紹萃取精餾、共沸精餾和加鹽精餾。另外研究發現,化學反應和分離過程的耦合,分 離過程之間的耦合,可同時發揮各耦合過程的優點,從而達到互相強化的目的。
1 多組分精餾過程
在化工原理課程中對二組分精餾已經進行過比較詳盡的討論,但在生產 實踐中遇到的精餾過程,則大多是處理多組分溶液。因此,研究多組分精餾  過程和設計方法更具有實際意義 。首先從多組分精餾與二組分精餾的對比上,分析多組分精餾的特點,并以典型例子討論多組分精餾塔內溫度、  流率和濃度的分布,以深化對精餾過程實質的認識。
對二組分精餾來說,要使進料達到某一分離要求,存在著最小回流比和最少理論塔板數兩個極限條件。若采用的條件小于最小回流比或最少理論塔 板數,則不可能達到規定的分離要求。對多組分精餾的設計和操作來說,這 兩個極限條件同樣也是很重要的。此外,這兩個極限條件還常被用來關聯操作回流比和所需理論塔板數,成為簡捷法(FUG) 計算的基礎。
1 . 1 多組分精餾過程分析[1,2]
定性地研究二組分和多組分精餾過程的異同,分析在平衡級中逐級發生的流量、溫度和組成的變化以及造成這些變化的影響因素。
一、關鍵組分
通過設計變量分析,對一般精餾塔,可調設計變量 iVa = 5。因此,除全凝器規定飽和液體回流、指定回流比和適宜進料位置以外,尚有兩個可調設 計變量用來指定餾岀液中某一個組分的濃度以及釜液中某一組分的濃度。對 二組分精餾來說,指定餾岀液中一個組分的濃度,就確定了餾岀液的全部組  成;指定釜液中一個組分的濃度,也就確定了釜液的全部組成。對多組分精 餾來說,由于設計變量數仍是 2, 而只能指定兩個組分的濃度, 其他組分的濃度不能再由設計者指定。由設計者指定濃度或提岀要求 (例如指定回收率) 的那兩個組分,實際上也就決定了其他組分的濃度。故通常把指定的這兩個組分稱為關鍵組分。并將這兩個中相對易揮發的那一個稱為輕關鍵組分 ( LK), 不易揮發的那一個稱為重關鍵組分(HK )。
一般來說,一個精餾塔的任務就是要使輕關鍵組分盡量多地進人餾出液,重關鍵組分盡量多地進入釜液。但由于系統中除輕重關鍵組分外,尚有其他組分,通常難以得到純組分的產品。一般,相對揮發度比輕關鍵組分大的組分(簡稱輕非關鍵組分或輕組分) 將全部或接近全部進人餾出液, 而相對揮發度比重關鍵組分小的組分(簡稱重非關鍵組分或重組分) 將全部或接近全部進入釜液。只有當關鍵組分是溶液中最易揮發的兩個組分時,餾出液 才有可能是近于純輕關鍵組分;反之,若關鍵組分是溶液中最難揮發的兩個組分,釜液就可能是近于純的重關鍵組分。但若輕、重關鍵組分的揮發度相  差很小,則也較難得到近于純的產品。
若餾出液中除了重關鍵組分外沒有其他重組分,而釜液中除了輕關鍵組 分外沒有其他輕組分,這種情況稱為清晰分割。兩個關鍵組分的相對揮發度  相鄰且分離要求較苛刻,或非關鍵組分的相對揮發度與關鍵組分相差較大 
通常,分離要求的提出可有不同表達方式。例如,可要求某個或幾個產品的純度;某個或幾個產物中不純物的允許量;某個或幾個產物的回收率;某個或幾個產物易測定的物性等。
二、多組分精餾過程特性
對二組分精餾,設計變量值被確定后,就很容易用物料衡算式,汽液平 衡式和熱量衡算式從塔的任何一端岀發作逐板計算,無需進行試差。但在多組分精餾中,由于不能指定餾岀液和釜液的全部組成,要進行逐板計算,必須先假設一端的組成,然后通過反復試差求解。

如苯-甲苯二元精餾塔內的流率、溫度和組成與理論板的關系。除了在進料板處液體流量有突變外,各板的摩爾流率基本上為常數。液體組成的變化在塔頂部較為緩慢,隨后較快,而在接近于進料板處又較緩慢。

在精餾塔鐘,溫度分布反映出物流的組成,總的級間流量分布則主要反映了熱量衡算的限制。這一精餾過程的內在規律,用于建立多組分精餾的計算解法。


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