間歇精餾技術(shù)及應(yīng)用

《間歇精餾技術(shù)及應(yīng)用》簡(jiǎn)述了間歇精餾的作用和特點(diǎn)等，著重介紹了間歇精餾的熱力學(xué)基礎(chǔ)、間歇精餾塔的型式、間歇精餾塔的操作、間歇共沸精餾、間歇萃取精餾以及其他的特殊精餾方法，最后對(duì)常用的間歇精餾的計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并提供了幾個(gè)典型的間歇精餾的計(jì)算機(jī)模擬案例供讀者參考。
本書(shū)適合在工業(yè)生產(chǎn)中開(kāi)展化工分離操作的技術(shù)人員、從事精餾研究的科研人員以及高等院校化工等相關(guān)專業(yè)的師生參考學(xué)習(xí)。

1.本書(shū)從間歇精餾的基礎(chǔ)理論出發(fā)，不涉及高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和理論，試圖用簡(jiǎn)單實(shí)用的方法給讀者介紹間歇精餾的型式，操作，控制； 2.本書(shū)作者有國(guó)內(nèi)國(guó)外多年行業(yè)從業(yè)經(jīng)歷和國(guó)際視野，在書(shū)中介紹世界先進(jìn)的間歇精餾的工藝和知識(shí)； 3.書(shū)中列舉了很多工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，使讀者可以在讀完本書(shū)后，通過(guò)學(xué)習(xí)，也可以把書(shū)中所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際的工廠操作和運(yùn)行中去。

精餾是一門(mén)非常古老的分離技術(shù)，最典型的就是酒的制作。在2000多年前，人類的祖先就開(kāi)始使用精餾技術(shù)制作酒了。直到21世紀(jì)的今天，精餾在現(xiàn)代化工分離領(lǐng)域仍然占有絕對(duì)主導(dǎo)的地位。起初的精餾過(guò)程都是間歇式的，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是汽車的逐步普及促使石油化學(xué)工業(yè)在20世紀(jì)飛速發(fā)展，作為石油提煉基礎(chǔ)的連續(xù)精餾逐步取代間歇精餾成為石油化工和大宗化學(xué)品生產(chǎn)的核心分離工藝。現(xiàn)在，幾乎國(guó)內(nèi)外所有的教材和書(shū)籍在講解精餾的時(shí)候都是以連續(xù)精餾為基礎(chǔ)的，作為精餾起源的間歇精餾變得淡化了。隨著社會(huì)的逐步發(fā)展，人們對(duì)于特種化學(xué)品，包括醫(yī)藥、農(nóng)藥、添加劑、催化劑、表面活性劑等特殊化學(xué)品的需求逐步增大。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是種類繁多，不斷推陳出新，但是產(chǎn)量都不是很大，而且為了節(jié)約成本，很多產(chǎn)品都需要在同一個(gè)設(shè)備里進(jìn)行反應(yīng)或分離。顯然，這些操作使用間歇方法更為經(jīng)濟(jì)。間歇精餾作為一個(gè)使用范圍極廣的化工分離手段，在20世紀(jì)末開(kāi)始了強(qiáng)勢(shì)回歸。
在實(shí)驗(yàn)室里，90%以上的精餾設(shè)備是采用間歇式的。在醫(yī)藥和精細(xì)化工行業(yè)的工廠里，大部分的精餾塔也是使用間歇方式進(jìn)行操作的。間歇精餾雖然和連續(xù)精餾的原理完全相同，但是在具體的操作上有很大的不同。間歇精餾是非穩(wěn)態(tài)的，過(guò)程的變量（比如溫度、壓力、組成等等）的變化除了和空間位置有關(guān)外，還會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。這就使得間歇精餾比連續(xù)精餾更加復(fù)雜。這不僅僅表現(xiàn)在間歇精餾過(guò)程的數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜，還表現(xiàn)在過(guò)程的計(jì)算方法和應(yīng)用也有很大的不同。連續(xù)精餾的許多常用的概念和操作無(wú)法在間歇精餾上直接使用。筆者在給國(guó)內(nèi)的許多醫(yī)藥和化工企業(yè)做精餾工藝開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的過(guò)程中，也了解到工廠的工程師和操作人員對(duì)于間歇精餾的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用有很多的誤解和不足。
本書(shū)對(duì)間歇精餾進(jìn)行比較系統(tǒng)的論述，首先從熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論入手，推導(dǎo)間歇精餾的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，然后結(jié)合間歇精餾塔的物料和能量衡算，對(duì)間歇精餾操作進(jìn)行詳細(xì)的論述和解釋。因?yàn)殚g歇精餾的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，國(guó)外普遍使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行間歇精餾的模擬，這樣可以大大提高精餾工藝開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的效率。但是在國(guó)內(nèi)，間歇精餾的計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用非常稀少，完全不能滿足廣大醫(yī)藥和精細(xì)化工企業(yè)的要求。本書(shū)的第8章詳細(xì)介紹間歇精餾的計(jì)算機(jī)模擬，包括相關(guān)的軟件和應(yīng)用。通過(guò)一系列的工藝案例介紹間歇精餾的計(jì)算機(jī)模擬和它帶來(lái)的極大效率。本書(shū)也初步介紹間歇精餾的動(dòng)態(tài)模擬和控制方案，以期對(duì)廣大的讀者在實(shí)際的工藝開(kāi)發(fā)和過(guò)程優(yōu)化工作中有所幫助。
因?yàn)殚g歇精餾的基礎(chǔ)是化工熱力學(xué)，所以有關(guān)熱力學(xué)平衡的概念和方程，比如化學(xué)位、逸度、吉布斯自由能、焓、熵等不可避免地需要用到很多高等數(shù)學(xué)的知識(shí)。雖然很多企業(yè)開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行精餾的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，但是如果沒(méi)有一定的熱力學(xué)基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)模擬最關(guān)鍵的熱力學(xué)模型的選擇上就會(huì)很茫然，或者做出錯(cuò)誤的選擇。這樣會(huì)導(dǎo)致精餾的模擬出現(xiàn)很大的偏差，甚至是完全錯(cuò)誤的結(jié)論。 如果部分讀者沒(méi)有這方面的基礎(chǔ)，本書(shū)的內(nèi)容則提供了這部分熱力學(xué)知識(shí)的簡(jiǎn)介。限于篇幅，不可能把每個(gè)熱力學(xué)概念都做很詳細(xì)的說(shuō)明。如果想了解更多，讀者可以根據(jù)個(gè)人需要參考有關(guān)熱力學(xué)方面的專著。
本書(shū)是作為化學(xué)工程師的我們?yōu)榛瘜W(xué)工程的從業(yè)者或者化學(xué)工藝的學(xué)生和讀者編寫(xiě)的。相比其他的書(shū)籍，我們更加注重實(shí)用性，所以對(duì)于大部分的內(nèi)容，我們都試圖通過(guò)具體的案例和有工業(yè)化背景的工藝來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
上海擎胺新材料科技有限公司擁有一流的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室和各類反應(yīng)裝置，精餾分離和分析設(shè)備，以及經(jīng)驗(yàn)豐富的化學(xué)、化工和分析人才，致力于為客戶提供基礎(chǔ)化工、精細(xì)化工和制藥行業(yè)的反應(yīng)，分離過(guò)程的工藝開(kāi)發(fā)、工藝改進(jìn)和工藝放大的服務(wù)。P&I Design成立于1978年，以英國(guó)為基地，四十多年來(lái)一直為各類化工企業(yè)提供全面的工程服務(wù)，從最初的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和開(kāi)車服務(wù)，到計(jì)算機(jī)模擬、遠(yuǎn)程控制和云服務(wù)。兩家公司攜手為全球的客戶提供反應(yīng)和精餾過(guò)程的實(shí)驗(yàn)、工藝放大、計(jì)算機(jī)模擬服務(wù)和工程設(shè)計(jì)服務(wù)。我們真誠(chéng)地希望能和全球客戶共同成長(zhǎng)。

張海峰 博士           John Edwards
上海擎胺新材料科技有限公司   英國(guó) P&I Design Ltd
zhangh@***
2024年8月

第1章 緒論001

第2章 間歇精餾的熱力學(xué)基礎(chǔ)003
2.1　相平衡的條件003
2.2　氣相混合物的熱力學(xué)描述007
2.3　液相混合物的熱力學(xué)描述009
2.3.1　液相組分的逸度和活度系數(shù)009
2.3.2　吉布斯-杜亥姆方程012
2.3.3　使用g E 的活度系數(shù)模型簡(jiǎn)介013
2.3.4　活度系數(shù)和分子間力的關(guān)系017
2.3.5　利用g E 判斷相平衡018
2.3.6　液體純組分的逸度021
2.4　相平衡方程022
2.5　二元?dú)庖浩胶饧跋鄨D023
2.6　世界主要?dú)庖浩胶鈹?shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介031
2.7　三元體系的剩余曲線圖033
2.8　總結(jié)036

第3章 間歇精餾塔的型式038
3.1　常見(jiàn)的間歇精餾塔的型式038
3.2　填料塔和板式塔042
3.3　精餾塔填料的簡(jiǎn)介043
3.3.1　散裝填料043
3.3.2　規(guī)整填料046
3.3.3　規(guī)整填料的優(yōu)勢(shì)048

第4章 間歇精餾塔的操作050
4.1　間歇精餾塔的操作曲線052
4.2　間歇精餾塔的操作方式059
4.2.1　固定回流比模式059
4.2.2　固定塔頂組成模式063
4.2.3　最優(yōu)回流比模式065
4.2.4　其他的操作方式066
4.2.5　持液量的影響067
4.2.6　中間過(guò)渡組分的處理069
4.3　半連續(xù)精餾069

第5章 間歇共沸精餾072
5.1　共沸精餾072
5.1.1　共沸物的判定073
5.1.2　共沸物系的分離079
5.1.3　均相共沸精餾080
5.1.4　剩余曲線的重要意義083
5.1.5　共沸精餾的工業(yè)實(shí)例089
5.2　多相共沸精餾092
5.2.1　多相共沸劑的選擇093
5.2.2　多相共沸精餾舉例096

第6章 間歇萃取精餾103
6.1　萃取劑的選擇104
6.2　間歇萃取精餾的操作111

第7章 其他的特殊精餾方法119
7.1　變壓精餾119
7.2　鹽析精餾122
7.3　精餾和其他分離方法的耦合125
7.3.1　精餾和膜分離的耦合125
7.3.2　精餾和反應(yīng)的耦合128

第8章 間歇精餾的計(jì)算機(jī)模擬131
8.1　化工過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬軟件簡(jiǎn)介131
8.2　熱力學(xué)模型的選擇133
8.2.1　吉布斯相律133
8.2.2　熱力學(xué)模型134
8.2.3　熱力學(xué)模型的驗(yàn)證139
8.3　間歇精餾模擬案例分析141
8.3.1　間歇精餾模擬的基礎(chǔ)141
8.3.2　間歇精餾模擬的實(shí)際案例143

第9章 總結(jié)和展望171

參考文獻(xiàn)174