间歇精馏新研究进展.ppt

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1、间歇精馏新研究进展,一、前言,1.1间歇精馏1.2间歇精馏的特点1.3间歇精馏的应用,1.1间歇精馏,间歇精馏又称为分批精馏。间歇精馏操作开始时，全部物料加入精馏釜中，再逐渐加热汽化，自塔顶引出的蒸气经冷凝后，一部分作为流出液产品，另一部分作为回流送回塔内，待塔釜组成降到规定值后，将其一次排出，然后进行下一批的精馏操作。,间歇精馏塔,1.2间歇精馏的特点,间歇精馏与连续精馏相比，具有以下特点：间歇精馏为非稳态过程 即塔内操作参数（如温度、组成）不仅随位置变化，也随时间变化。间歇精馏塔只有精馏段。单塔可以完成多个组分的分离允许进料组分浓度在较大的范围内变化，操作弹性大。特别适合于原料处理量小、组

2、分数多的批量生产。,根据以上特点，间歇精馏有以下几种操作方式：,馏出液组成恒定的间歇精馏操作，即馏出液组成保持恒定，而相应的回流比不断地增大。回流比恒定的间歇精馏操作，即回流比保持恒定，而流出液组成逐渐减小。优化变回流比操作方式，即某一阶段（如操作初期）采用恒馏出液组成的操作，另一阶段（如操作后期）采用恒回流比下操作 其中恒回流比操作策略是最简单易行的方法，被工业上广泛采用；恒塔顶浓度操作严格来讲只是对于二元间歇精馏过程；优化变回流比操作是近年来间歇精馏过程中研究得最多得一种操作方式，其始于Converse等人的工作，到目前为止还难以广泛地应用于实际工业过程中。,根据回流比可以将间歇精馏分为部

3、分回流间歇精馏过程和全回流间歇精馏过程：,部分回流间歇精馏过程 现在在工业间歇精馏塔和实验室装置中广泛应用的是部分回流间歇精馏，它是间歇精馏的最基本模式。它又可以分为恒定回流比操作和恒定塔顶浓度操作。全回流间歇精馏过程 全回流间歇精馏过程通常是在精馏塔顶设置一个回流存料罐，进行全回流操作，直到回流罐内料液浓度达到或接近平衡后放出的操作过程。,1.3间歇精馏的应用,由于间歇精馏具有设备简单、一塔多用、操作灵活的优点，同时还能根据分离任务以满足高沸点、高纯度、高凝固点和热敏物料等特殊过程的要求的特点，某些场合宜采用间歇精馏操作。例如：精馏的原料液是分批生产得到的，这是分离过程也要分批进行；在实验室

4、或科研室的精馏操作一般处理量较少，且原料的品种、组成及分离程度经常变化，则采用间歇精馏，更为灵活方便；多组分混合液的初步分离，要求获得不同馏分（组成范围）的产品，这是也可采用间歇精馏。随着近年来精细化学品、药物等高附加值产业的迅猛发展，间歇精馏在精细化工和制药工业得到了更加广泛的应用。间歇精馏是一个动态过程，近50年来研究者对于间歇精馏的研究主要集中在以下三个方面：新型结构塔的研究；新型操作方法的研究；过程模拟计算。,二、新型操作方式,间歇精馏这些年来新发展起来的操作方式主要有：动态累积间歇精馏塔操作、反向间歇精馏塔操作、中间罐间歇精馏塔操作、多罐间歇精馏塔操作、提馏式间歇精馏塔操作、等压串联

5、双塔操作、带塔底储罐的间歇精馏塔操作以及双再沸器间歇精馏塔操作,2.1动态累积间歇精馏塔的操作 动态累积间歇精馏是在塔顶累积全回流操作的基础上发展起来的。塔顶累积全回流操作最早由Barb等人和Block于1967年提出的，装置见图2.1。这种操作方式主要分为3个阶段：(1)充液阶段；(2)全回流阶段；(3)放液阶段。,Block认为这种操作方式在实现的时候,面临的主要困难是如何准确确定充液操作和全回流操作的时间间隔。,1.加热包 2.物料釜 3、7、11.温度计 4.压差计5、9.填料层 6.取样口 8.塔中测温段 10.产品罐 12.回流比分配器 13.冷凝器 图2.1动态累积间歇精馏塔,G

6、onzalez-Valasco等把这种操作方式和常规的恒回流比操作方式进行对比,得出结论：这种操作方式能使组分分离得更加彻底,减少过度馏分的馏出体积。Nowicki等提出了一个稳态模型来确定在循环操作中全回流操作所需要的时间。Srensen2等人研究了塔顶累积全回流操作的优化问题。通过和传统的恒回流比和恒塔顶浓度操作方式进行对比,得出结论：这种操作在分离原料中含有少量轻组分时,具有明显的优势,可以节省大量的操作时间。白鹏等3对塔顶累积全回流操作进行了改进,提出了动态累积全回流操作,主要思想是使全回流浓缩和无回流内部迁移操作交替进行。全回流操作可以使塔内的组分分离达到最大程度,无回流内部迁移操作

7、使塔内高浓度的持液移入累积罐,完成了塔内不同浓度组分的定向迁移。此操作的优点是不需要进行产品的切换,有利于实现自动化操作,与传统的恒回流比操作相比,在分离含有低浓度的轻组分时,极大地减少了操作时间。白鹏等4在2000年对分批精馏的动态累积操作方式进行了改进,提出了无返混动态累积操作。无返混动态累积操作有效地降低了塔顶累积罐中组分的返混,提高了间歇精馏的分离效率。白鹏等5在2006提出了采用塔顶和塔中温度进行控制操作状态转换的全回流间歇精馏控制方法，并以异丙醇-正丙醇为实验物系进行了实验研究，证明了塔顶和塔中温度控制动态累积全回流-全采出的状态转换的可行性，通过这种控制使提浓能力更高，提高了塔的

8、效率。,2.2反向间歇精馏塔操作,反向间歇精馏塔操作又称为提馏式间歇精馏。装置见图2.2 反向间歇精馏塔最大的特点是从塔顶进在塔顶设有累积罐,塔釜一般没有存料,馏分从塔底放出。它适用于提取重组分为目标或者重组分具有热敏性的物料。反向间歇精馏塔操作不是常规间歇精馏操作的逆操作。因为在实际的反向间歇精馏塔操作过程中,加入塔顶冷凝贮罐的原料和从塔底流出的馏分都是液态,而不是理想的反向间歇精馏操作所要求的气态。,图2.2 反向间歇精馏塔,2.3中间罐间歇精馏塔操作,中间罐间歇精馏塔也叫复合间歇精馏塔,它常被看作是常规间歇精馏塔和反向间歇精馏塔的复合体,由2个塔段和1个中间贮罐组成。这种塔同连续塔相似之

9、处是同时具有精馏段和提馏段,可同时得到塔底和塔顶产品,中间罐相当于连续塔中的进料板,装置见图2.3。,图2.3中间罐间歇精馏塔,将物料加入位于塔中部的贮罐内,精馏操作中,在塔顶获得易挥发组分,同时在塔底获得难挥发组分,中间组分在中间贮罐不断浓缩,所以这种塔适合于个组分的分离。中间储罐间歇精馏塔同时具备了精馏式和提馏式间歇精馏塔的双重功能。,中间储罐间歇精馏塔的特点在于：,进料点位于塔中间的合适位置，再沸器的持液量要保持最小 进料点处的持液被循环到中间储罐，因此中间储罐中的液体浓度接近于进料处的液体浓度 产品或中间馏分可以同时从塔顶和塔底采出，缩短了操作时间 适用于分离热敏性物料，该塔形吸收了提

10、馏式间歇精馏塔的特点，塔釜存料量少，物料只在蒸发中受热，而后存于塔中段的储罐，存料温度低。,2.4多罐间歇精馏塔操作,1995年，Hasebe和Skogestad提出了一种新型塔叫多罐间歇塔。装置见图2.4 这种塔在构型上可看作是多个塔 上下相连而成,中间设置多个贮 罐,也叫多效间歇精馏塔。在操作 过程中,只需要1个再沸器和1个冷 凝器。一般情况下,完成相同的分 离任务,间歇精馏操作消耗的能量 都要大于连续精馏操作。但是,对 由N个组分组成的混合物进行分离,图2.4多罐间歇精馏塔,分别使用由N-1个塔组成的多罐间歇精馏塔和由N-1个连续精馏塔完成相同的分离任务,结果表明2种操作消耗的能量比较接

11、近。这种塔进行全回流操作,可以使相对挥发度不同的各个组分分别在塔的不同位置的贮罐内浓缩,将浓缩后的产品放出,通过这种操作可获得纯度很高的产品,建立足够多的中间罐即能同时分离多组分混合物,但它的设计不如一般间歇塔自由。多罐间歇塔有两种安装方式,一种是多塔上下连接,这种设计,液体靠重力而自然下流,无须泵输送液休,但不适合于所需板数高的分离。因此Hasebe11提出将各段塔水平依次连接,这种安装方式比较灵活,适用于不同进料混合物的分离,但液体输送需要回流泵。还有一种半间歇精馏塔,即引入进料流,在塔的其它位置采出汽流或液流或者安装中间再沸器和冷凝器。Diwekar12使用简捷模型对反向间歇精馏塔、中间

12、贮罐间歇精馏塔、多罐间歇精馏塔进行了描述,为设计和优化控制提供了依据。由于使用简捷模型无需解决一系列的刚性微分方程,可大大减少工作量。对于所有间歇精馏塔,简捷模型都是建立在这种假设的基础的,即每一个间歇塔都可看作是阶段时间进料的连续精馏塔,因此可将用于连续塔计算的Fenske-Underwood-Gilliand方程用于间歇过程,并通过修正用于不同结构的间歇塔。,多罐间歇精馏塔与传统的间歇精馏塔相比,主要有以下2个特点：,多罐间歇精馏塔一般在全回流的条件进行操作,当所有罐内的组分纯度都达到要求时,停止操作,所以整个过程操作简单,不需要进行产品的切换由于多罐间歇精馏塔操作的多效性,所需能量较少7

13、,2.5等压串联双塔操作,等压串联双塔间歇精馏是由两个等压的间歇精馏塔串联集成的操作过程13，能获得相当于两个塔理论板数相加的分离效率，但各塔塔釜的压力却与串联前一样，均保持串联以前的值，因而对于难分离物系，特别是沸点差较小的热敏性物料分离具有独特的优越性。装置见图2.5,图2.5 等压串联双塔,2.6带塔底储罐的间歇精馏塔,此装置的优点在于：在产品采出过程中再沸器中温度恒定 塔底储罐可存留一部分从塔内回流下来的料液，再沸器的体积要求相对于常规间歇精馏塔减少了很多，从而提高了溶剂比和回流比的选择范围。,2.7双再沸器间歇精馏塔,随着操作的进行，再沸器中溶剂不断积累，混合物的沸点不断增高，如果固

14、定加热条件，则由于传热温差的不断减少，上升蒸汽量也会随之不断地减少；那么为了保证全塔压降的稳定性，将会导致操作的复杂性。其次由于连续加入的溶剂在再沸器内不断的积累，常规再沸器的容积很难满足要求。在设计的过程中回流比和溶剂流率等操作参数就会受到很大的限制。针对这种现象，2008年于鲤铭、白鹏14等提出了具有双再沸器的间歇萃取精馏新方法。他们选用乙二醇作为溶剂分离乙醇水共沸物，通过实验验证了双再沸器间歇萃取精馏的优缺点，并通过数学模型模拟结果与实验结果的对比分析了塔顶和塔底浓度和温度的变化、溶剂流率等操作参数对实验的影响。,双再沸器间歇萃取精馏过程操作，在原料再沸器的基础上增加了溶剂再沸器，即分担

15、了原料再沸器的热负荷，降低了压降调控的难度；溶剂再沸器的存在还减少了溶剂重组分与原料轻组分的直接非理想混合，减少了过渡馏分段的时间，是分离效果更高，溶剂的回收也更有效，同时再沸器的出现也增大了总能耗，约是常规间歇萃取精馏的1.4倍，装置见图2.6,双再沸器间歇精馏具有再沸器温度稳定、操作简单、节省操作时间、收率提高等优点。,图2.6 双再沸器间歇精馏塔,2.8双溶剂进口的双釜间歇萃取精馏,2009年，江虹、张翰15等提出了带有塔底回收釜及双溶剂进口的间歇萃取精馏操作方式。如图2.7所示,图2.7,图2.7 双溶剂进口塔,在间歇萃取精馏塔底设置一个储罐和一个溶剂回收釜，在溶剂加入的过程中回流液和

16、溶剂不流回原料釜而是进入中间储罐，达到一定量后，将中间储罐中的液体放入溶剂回收釜中加热回收，溶剂回收釜蒸出的气体直接被冷凝进入产品罐，当塔釜升高到一定温度后停止加热，此时溶剂回收釜中溶剂浓度含量较高，而其产品罐5中主要是物料组分。此时停止精馏塔采出和溶剂加入，将溶剂回收釜内的残液作为回收的溶剂，待全回流稳定，回收溶剂从新鲜溶剂入口下方某一位置与新鲜溶剂同时加入塔内，调整两种浓度溶剂加入速率，在塔内形成了两个溶剂比段。测定塔顶浓度，稳定后采出。这种新型操作方式的最大特点就是将初步回收的剂再次加入塔中，塔身上有两个溶剂入口，这样就相对放入减少新鲜溶剂的加入量，与普通萃取精馏相比，更加经济、环保。,

17、三、间歇精馏分离废溶剂油,3.1试验介绍 本次试验是通过对废溶剂油进行间歇蒸馏分离，并通过气相色谱进行组分的相关分析，通过计算得出馏出液的组成图谱，即各种物质的峰面积、停留时间等相关参数，然后对数据进行校正处理采用归一化法，最后通过origin软件做出所需的曲线图。,3.2试验仪器与试剂 3.2.1试验仪器,连续间歇精馏两用塔（与电脑联机自动记录）、蒸馏装置、精馏装置、电子天平、烧杯、量筒、圆底烧瓶、锥形瓶、分液漏斗、铁架台、取样瓶若干、安捷伦6890 N气相色谱仪,3.2.2试验试剂,3.3试验数据分析,废溶剂油相关成分的色谱数据，如表 3.1,表3.1相关色谱数据,R=3时，各组分的质量分

18、布：,表3.2 乙酸丁酯,表3.3 总二甲苯,由上表不难看出当R=3时,高浓度乙酸丁酯的回收率为49.88，高浓度二甲苯的回收率为10.57。二甲苯受回流比影响更为明显。由于仪器原因塔中残留部分原料导致采出质量略低于加入质量，从而使总回收率有所下降。乙酸丁酯、二甲苯的浓度随时间的变化。,结果如图3.1所示。,图3.1浓度随时间的变化曲线(R=3),表3.4 高浓度产品所对应的温度范围,图3.1是在回流比R=3的条件下，整个过程精馏塔的乙酸丁酯、二甲苯的浓度随时间的变化的实验结果。由图中可知，乙酸丁酯的沸点低于二甲苯所以乙酸丁酯先蒸出，浓度先先减小后增多再减小，二甲苯则先减小后增大。在第2.5h

19、-4.5h之间，乙酸丁酯的浓度在0.8以上，工业上可以在这个温度条件下对乙 酸丁酯进行回收，在0.8 以上的二甲苯的回收率 53.76%。在第7h-8h之间，二甲苯的浓度在0.9以上，工业上在这个条件下对二 甲苯进行提取。,3.4小结,间歇精馏法所得二甲苯浓度随时间变化趋势都为先减小后增大，乙酸丁酯浓度随时间变化趋势都为先减小后增大再减小，且各自都有明显的浓度梯度。乙酸丁酯的沸点低于二甲苯，乙酸丁酯比二甲苯优先蒸出。,四、结 论,通过对各种新型塔的研究我们可以发现间歇精馏操作相对于连续精馏操作的优势：间歇精馏为非稳态过程即塔内操作参数（如温度、组成）不仅随位置变化，也随时间变化 间歇精馏塔只有精馏段 允许较宽的进料组成，适合小批量产品的生产，分离难度可变范围大 设备投资小，同一塔可以分离多种不同产品。且可以使用单个塔对多元各组分进行分离。,塔釜温度在134-139之间时，塔顶产品中乙酸丁酯的浓度都在80%以上，而且馏出量很大。塔釜温度在158-164之间时二甲苯的浓度在90%以上而且馏出量很大，工厂可以根据此数据进行工业化分离操作。在回流比R=3时，高浓度乙酸丁酯的回收率达到了50%左右，高浓度二甲苯的回收率达到11%左右，适合进行工业化生产操作。鉴于以上的结论可以采用变回流比的方式来对乙酸丁酯或二甲苯进行单独的高浓度分离也可以采用二次蒸馏的方法来增加乙酸丁酯的回收量。,