|
|
摘要
间歇萃取精馏是一种新兴的化工分离技术，它不仅具有间歇精馏的优点，如设备通用性强、操作灵活、单塔可分离多个产品等，而且还具有萃取精馏可分离近沸物系或共沸物系的优点，因此间歇萃取精馏技术的发展前景广阔。
本文在带有一个中间贮罐的间歇萃取精馏实验装置上，以N,N -二甲基甲酰胺（DMF）为萃取剂，以乙酸乙酯-乙醇共沸物为分离体系进行了实验研究。重点考察了回流比、溶剂流率、中间回流量、中间贮罐持液量、中间贮罐加热温度等操作参数对分离过程的影响，实验表明，在产品采出阶段，塔顶浓度上升基本稳定，而且在产品采出过程中塔顶浓度也维持稳定。在过渡馏分的采出阶段，以恒回流比操作时，塔顶浓度开始时下降很快，然后逐渐变缓。在溶剂回收阶段，当塔顶溶剂浓度开始上升时，塔顶馏出量将突然减小到几乎为零，然后又迅速增大，同时塔顶温度迅速上升；在间歇萃取精馏过程中，各操作参数对分离的影响作用是不同的，结果表明，随着回流比和溶剂加入速率的增加，组分更易于分离，中间回流量的增大对提高产品收率有利，中间贮罐持液量和加热温度对分离的影响不大，适宜组成的混合溶剂所得产品的收率高于单一溶剂。http://www.16sheji8.cn/
根据间歇萃取精馏过程的特点，在一系列合理假设的基础上，建立了带有中间贮罐塔的间歇萃取精馏过程的恒摩尔持液模型，并运用两点隐含法求解此数学模型。通过数学模拟求解计算研究了各操作参数对带有中间贮罐塔的间歇萃取精馏过程的影响，模拟计算证明在一定条件下，各操作参数均存在最佳值，模拟计算结果与相同条件下的实验结果吻合良好。
关键词：萃取精馏，间歇精馏，中间回流量，中间贮罐，乙酸乙酯，乙醇
ABSTRACT
Batch extractive distillation has the advantages of batch distillation and extractive distillation, more flexibility, multi-product with a single column and low cost, etc. It is very suitable for the separation of close boiling-point or azeotropic mixtures in chemical industries so that increasing attention is currently directed towards BED's related studies.
Batch extractive distillation (BED) was carried out in a batch distillation tower with a middle vessel. The experiment of separating an azeotrope of Acetate and Ethanol by Batch extractive distillation with N,N -dimethylformamide（DMF）as solvent，the separating operate parameters such as reflux、 solvent quantity、middle reflux quantity 、liquid holdup in middle vessel and heated temperature of middle vessel were studied，the experiment showed that the overhead concentration rises to a primarily stable value after the solvent is introduced and keeps constant during the product withdrawing. When the slop cut is withdrawn under constant reflux ratio, the overhead concentration descends sharply at the beginning, then smoothly afterwards. In solvent recovery stage, as the concentration of solvent begins to increase, the vapor flow rate in the top decreases soon, almost to zero, and then increases rapidly accompanied with the higher top temperature. The operate parameters have different influences on separating process, the experimental results show that the purity of product will be obviously increased due to the reflux and flux of solvent increased, increasing middle reflux quantity can enhance output, the influence of liquid holdup and temperature is limited, and binary solvent is superior to single solvent.http://www.16sheji8.cn/
Batch extractive distillation was simulated by constant molar holdup model on the base of a set of hypothesis, the mathematical model is a group of stiff equations and resolved by two point implicit method. The effect of parameters were studied by simulation. It is testified by simulate calculation that all parameters above exist optimal value under a certain condition. The experiment results agreed well with those simulated.http://www.16sheji8.cn/
Key Words: extractive distillation, batch distillation, middle reflux quantity, middle vessel, Ethyl Acetate, Ethanol
目录
引言 1
第一章 文献综述 1
1.1萃取精馏 1
1.1.1萃取精馏概述 1
1.1.2 萃取精馏的分类 2
1.2 间歇萃取精馏的进展 3
1.2.1 间歇萃取精馏的操作方式 3
1.2.2 间歇精馏新型塔设备的研究 4
1.2.2.1 带有单个中间储罐的间歇精馏塔 4
1.2.2.2 带有多个中间储罐的间歇精馏塔 6
1.2.3 精馏控制方式的研究 6
1.2.4 萃取精馏操作规则 7
1.2.5精馏模拟计算方法 7
1.2.5.1 精馏的简捷算法 7
1.2.5.2 精馏的严格算法 8
1.2.6 存在的问题及展望 9
1.3 本文工作 9
第二章 萃取精馏溶剂选择的研究 10
2.1 溶剂的选择依据 10
2.2所用溶剂的类型 10
2.3 萃取剂作用的微观机理 11
2.4 萃取精馏溶剂选择的方法 13
第三章 间歇萃取精馏的实验研究 15
3.1 相平衡分析 15
3.2 实验装置流程图 15http://www.16sheji8.cn/
3.3 实验试剂及分析方法 17
3.4 理论塔板数的测定 17
3.5 实验操作步骤 20
3.6 实验结果与讨论 20
3.6.1 实验过程分析 20
3.6.1.1 塔顶和中间罐以及塔釜馏分的变化规律 20
3.6.1.2间歇萃取精馏不同阶段温度变化 22
3.6.2 过程操作参数的影响 23
3.6.2.1 中间回流量的影响 23
3.6.2.2 溶剂流率对塔顶产品的影响 24
3.6.2.3 中间罐加热温度对塔顶产品的影响 25
3.6.2.4 中间贮罐液位对塔顶产品的影响 26
3.6.2.5 不同溶剂对塔顶产品的影响 27
第四章 带有中间贮罐的间歇萃取精馏过程的模拟 28
4.1 模型基本假设 28
4.2 数学模型的建立 28
4.3 方程的数值解法 31
4.4 程序计算步骤 31
4.5 相关参数热力学模型 35
4.6 实验结果与模拟计算结果的比较 37
第五章 结论 39
参考文献 40
附录A 44
附录B 44
附录C 44
符号说明 45
读研期间学术成果 45
致谢 46
引言
萃取精馏是一种工业应用非常广泛的分离技术，也是化工过程重要的单元操作之一。例如，年产三十万吨乙烯装置中抽提工艺即为萃取精馏过程，在合成乙醇的精制工艺中多采用萃取精馏过程，在石油芳烃生产工艺中，萃取精馏可用于从富含芳烃的窄馏分中直接提取某种高纯芳烃，也可用于从重整或裂解汽油（加氢后）提取苯、甲苯或二甲苯，还可以用于从未经加氢的裂解汽油中直接提取苯乙烯。随着人们对萃取精馏技术研究的不断深入，许多过去被认为较难分离的物系也成功地用萃取精馏加以分离，例如用乙二醇作萃取剂从丁醇、丙酮、乙醛三元混合物中分离丙酮等。
过去人们对萃取精馏的研究主要集中在连续操作上，从二十世纪九十年代后期，学者们开始进行间歇萃取精馏的深入探索。间歇萃取精馏是一个新兴的研究课题，它同时具备了间歇精馏的灵活性、经济性与萃取精馏的实用性，特别适合于化工、制药、石油深加工等行业中用普通精馏无法完成的共沸体系和近沸点物系的分离。
常规间歇萃取精馏中，萃取剂是从塔釜一次性加入，而且在操作过程中大量萃取剂都会存留于塔釜，因而所需要的加热量及塔釜体积很大。为了解决这一问题，提出了带中间贮罐的间歇萃取精馏塔，即把一个正立塔和一个倒立塔用中间贮罐相连接起来，中间贮罐作为加料板并保存一部分料液。这种塔不仅使间歇萃取精馏在设计和操作上更加容易，而且还可以通过适当调节而应用于不同目标产品的物系及多元体系分离，设备通用性强，操作灵活。
随着化工产业日益趋近于精细化学品的开发与研制，间歇过程使用的场合越来越多，因而研究带中间贮罐的间歇萃取精馏操作规律及其影响因素具有重要意义。目前，间歇萃取精馏尚处于起步阶段，本文即是利用实验室中具体实验操作及计算机模拟间歇萃取精馏过程，找出其主要影响因素及变化规律，为工业应用奠定基础。
第一章 文献综述
间歇萃取精馏作为一种特殊的精馏方法，适用于含有近沸及共沸物系等低沸点物质的分离，是近年来发展起来的具有间歇精馏和萃取精馏特点的新型分离过程。萃取精馏是在精馏过程中从塔顶端向塔内持续加入一种溶剂，使溶剂存在于塔内的液相，以增大组分间的相对挥发度，从而使近沸点混合物或共沸物获得有效分离的一种特殊精馏技术。间歇萃取精馏是萃取精馏的间歇操作形式，它能够处理复杂的进料组成，设备投资小，同一塔可分离多种产品，满足制药和精细化工的生产要求，具有广泛的应用前景。http://www.16sheji8.cn/
1.1萃取精馏
1.1.1萃取精馏概述
萃取精馏是处理含有共沸组成等难分离物系的有效方法。由于在操作过程中加入了溶剂，改变了组分间的相对挥发度，使其向着有利于精馏分离的方向增大，从而使具有恒沸点的组分得到有效分离。
萃取精馏兼有精馏和萃取之优点，能分离单纯精馏和萃取无法分离的物系。加入的溶剂无论与被分离物系组分是否形成均相[1]，只要能改变组分间的相对挥发度，不与被分离物系组分形成新的恒沸物，就可以达到良好的分离效果。
但是萃取精馏也是有弊端的。萃取精馏一方面增加了被分离组分之间的相对挥发度，使分离能够得以进行，另一方面带来的最大缺点是溶剂比大，从而导致生产能力提高遇到困难，而且过程能耗大。为了解决这一弊端，对萃取精馏过程的研究一般是从“流”即萃取精馏流程安排、萃取精馏塔的塔板结构和“场”即分离剂或溶剂的选择出发，对萃取精馏分离过程不断发展和完善。
一般来说，萃取精馏流程和塔板结构的改进是有限的，萃取精馏是靠加入溶剂来改变难分离物系组分间的相对挥发度，因而溶剂的选择对萃取精馏至关重要，选择好的萃取剂或对萃取剂进行改进和优化是提高萃取精馏塔生产能力和降低能耗的最有效途径。http://www.16sheji8.cn/
