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连续三相精馏：分离热不稳定物质的过程 Stuttgart大学热力及热力工程学院，M. Ottenbacher ，H. Hasse 摘要： 这篇文章主要研究了用非均相共沸精馏的方法分离热不稳定物质的过程。文章研究并拓展了这一新的过程，其中利用了不均匀共沸物的沸点总是比其纯组分要低的特点。三相精馏的特点是两种液相和一种气相在一个容器中共存，而这确保了容器内极低的温度。这种精馏过程是真空精馏等工艺过程的一种替代的选择，或者是附加的流程。研究人员用实验室规模大的装填着金属丝网填料的填料塔进行了实验，该实验成功证明了三相共沸精馏的可行性和可操作性，并为以后的过程模型化提供了有效的基础数据。实验证明我们可以用平衡方程模拟简化两种液相的状态，这种模拟所起到的简化作用非同小可。而解方程需要用到同伦延拓法。 关键词：三相精馏，共沸精馏，热不稳定物质 介绍 精馏虽然是最重要的热力分离手段，其在分离热不稳定物系上的应用却非常有限。精馏中最常用的避免分解和副作用的方法是降低操作压力，随之同时降低了物系的沸点。这种方法受限于体积流率的升高和整体压力的降低，因此我们需要寻找其他的解决方法。除了降低操作温度以外，我们还努力通过减少反应物暴露在高温下的时间来降低副作用的影响。较低的停留时间使连续过程在这方面要优于间歇操作过程。 非均相混合物的沸点比他的组成物的沸点低，这点已成大家的共识。这种作用已经被应用于蒸汽载体精馏以及特别化工过程之中很长时间了，其中多数是间歇操作。 连续三相精馏所用到的物理原理与上述过程是一致的，不同的是三相精馏是一个连续的过程，两个液相和一个气相的反应遍布整个反应器的高度。此过程如图一所示。W被选作夹带剂，它与待分离的两种化合物C1和C2都形成共沸物。这其中包含了整个过程所需要的低温，温度必须要比三种中任意一种化合物的纯溶液沸点低。塔顶及塔底都应安装收集器来回收夹带剂。分开的产品将在塔顶和塔底的回收器中被作为第二相分别回收。 与载体精馏相比，这个过程运用了不同的工艺流程（连续操作而非常规的间歇操作；利用了夹带剂），后者在降低热力学压力和提高操作可行性方面都具有优势。与普通的共沸精馏相比，这个过程的目的及过程都有很大的不同。 在特定的温度和进料量之下，图1所示中过程的自由度是2，就像普通的精馏一样。我们可以用例如Henley和Seader (1981)所推荐的方法来正式的表示这点，这种方法与已经被检测的过的诸多方法有高度的一致性。第三相以及回收器的加入完全没有改变自由度。夹带剂所构成的流体（与图1所示的向下流动的进料流一同供应）流量是由回收器整体物料衡算计算得来的。考虑到夹带剂的损失，这股流体是必不可少的。与其他进料不同，这股流体自由度为零。 图1 夹带剂的选择 为了解释夹带剂的选择问题，我们假设分离C1和C2组分的二元混合物。用夹带剂w组合c1和c2需要形成一个三相的系统，在这个系统中将会发生被S?rensen et al.所定义的（见图2）“第二型”相变：夹带剂w与两个化合物c1及c2同时形成二元共沸物，这些共沸物所形成的可混合性缺口开始形成。在合成的系统中不允许有恒沸物存在。举个例子来说：c1和c2可能是某种热不稳定的高沸点有机物，而w是水。一般来说，这个过程中我们希望能在两种二元共沸物中出现大的不溶性缺口和沸点差异。w在化合物c1和c2中的溶解度非常重要，因为这决定了出现在离开收集器的产品中的夹带剂的含量。因此，必须选择那种可以甚至容易从产品中分离的物质。选择满足这些条件的夹带剂的步骤是明确的，其中所用的策略可以从简单的启发式方法到复杂的计算机辅助设计的方法，然而具体细节的讨论已经不在本文的范围之中。 图2 实验阶段 我们在一个实验室规模下的反应器（直径50mm）中研究连续三相精馏。玻璃填料塔装有Sulzer CY结构的金属网填料，并被分成六段。这些塔段装有真空保护套，而且，为了减少热量损失，每段塔都是分开加热的。我们测量进入和离开塔的流体和两股塔顶下来的逆流流体的质量流量，同时测量整个塔以及外围设备的温度和压力参数。为了保持小的载液量和暴露时间，我们把填料置于托盘之上。为了从两相混合物中获得可再生的样品，我们需要用特殊的塔盘使所有的流体都流过取样阀，然后用色谱分析法分析样品。基于对样品的自由度的分析，我们选用D-G构架作为过程控制的基本概念，也就是说，塔顶馏出液量和塔釜加热量都是根据塔的两个自由度来确定的。 我们要研究两个检测系统：ethylacetate-1-butanol-water (EAc–BuOH– W) 和2-methyl-4-pentanone-1-bu