蒸馏结晶耦合法分离易结晶物质

蒸馏--结晶耦合法的初步研究

潘晓菁 周荣琪 (清华大学化学工程系)

摘要：蒸馏--结晶耦合法是分离易结晶物质的新方式。该方式依照易结晶物

质熔点高、易结晶析出的特点，将蒸馏进程与结晶进程有机地结合在一个装置中完成。本文针对从生产乙烯的裂解渣油中提取工业萘的体系，研究了蒸馏--结晶耦合法的可行性。实验结果说明蒸馏--结晶耦合法不仅能够有效地解决易结晶物质在分离进程中结晶析出而堵塞装置系统的问题，而且能够提高产品的纯度，强化蒸馏进程。 关键词：蒸馏 结晶 耦合 萘

Study of A new Technolgy of Distillation--Crystallization coupling

Pan Xiaojing Zhou Rongqi

(Department of Chemical Engineering, Tsinghua University. Beijing, 100084)

Abstract: Considering distillation and crystallization processes, the paper presents a

completely new idea of distillation-crystallization coupling .In the new method, distillation and crystallization are combined in a equipment. In this paper, distillation-crystallization coupling was studied on the basis of recovering technical naphthalene from cracking residue .Experimental result proved feasibility of this process. The new process has considerably potentiality. In order to intensify distillation separation, it takes advantage of crystalline materials , substitutes one-step solid-liquid equilibrium for several steps vapor-liquid equilibrium in the tower and combines organically distillation and crystallization.

Key Words: Distillation, Crystallization , Coupling ,Naphthalene,

一、引言

在现代化工生产中，有许多物质的熔点较高，如萘℃)、联苯℃)、对二氯苯℃)、十七醇℃)等。这些物质称之为易结晶物质。在分离进程中，易结晶物质很容易结晶析出，堵塞管道和设备，造成物料损失或生产中断。分离易结晶物质要求生产进程的操作温度须高于熔点，尽可能幸免结晶的产生，若是产品是热敏性物质或生产工艺对温度有必然的限制时，分离便难于进行。

蒸馏是一种经常使用的化工分离方式。一些易结晶物质的沸点相近，但它们之间的熔点却相差专门大。若是仅利用蒸馏进程进行分离，沸点相近使得分离的难度加大，熔点高造成的易结晶现象又会使得操作操纵比较困难。但利用它们熔点差较大的特性，开发一些新的分离方式是很成心义的，这一方面能够解决操作进程的困难，另一方面利用熔点差大的特点能够增强分离成效[1－3]。

提出了用蒸馏--结晶耦合法来分离易结晶物质，并针对从生产乙烯的裂解渣油中提取萘，验证其可行性和优越性。

二、设计思想

熔融结晶在最近几年来取得了迅速进展。关于易结晶的物质，它要紧利用组分间熔点差大的特点，达到比较高的分离纯度。同时，它也和一般精馏一样，不引入外部溶剂，因此容易知足环保要求。熔融结晶是一种简单操作,当不纯的熔融液被冷却至凝固点时，部份物质固化出来，与原熔融液分开。大部份体系的固化物质是一个纯组分，而杂质在熔融液中富集。

熔融结晶是以固-液相平稳为基础的。一样来讲，两组分的固液相平稳要紧有以下两种类型：

1、共晶体系统

液体 2、固熔体系统

液体液体+固体TBTBTA固体A+液体固体B+液体T固体A+固体BTAA固体eBB

A

研究说明，85%的两相混合物都属于共晶体系统。从理论上讲,通过一级熔融结晶就能够够取得纯的分离。唯一的限制在于要维持结晶组分具有足够高的浓度以避免共晶体的产生。但是，一级熔融结晶只能保证高纯度，收率却很有限。

从表观上看，熔融结晶与蒸馏进程超级类似，只是用固液平稳代替了汽液平稳。这两种分离技术都依托三个大体要素：相平稳、传质速度和分相速度。但二者在这三个大体要素方面，熔融结晶和蒸馏仍是有专门大的不同。表1对二者进行了比较。

表1 相平衡 蒸馏进程与熔融结晶的比较[4]

蒸馏 汽液两相完全混合 汽液两相都含有杂质 增加而降低 理论上没有收率的限制 达到平衡 汽液相粘度低 共晶组成限制收率 慢地接近平衡 液相粘度适中，固相粘度大 传质速率 汽液相传质速率快，很快在液相中有一定的传质速率，很分相速率 汽液相密度差100:1以上 固液密度差只有10%左右 熔融结晶(共晶体体系) 液相混合，固相不混合 固相为纯物质(除共晶点) 分离因子居中并随纯度的分离因子高 分相迅速而完全 分相很慢，表面张力影响分相 从比较中能够发觉，熔融结晶具有较高的分离因子，但其收率、传质速度及分相却很有限。传质速度是熔融结晶分离的关键。蒸馏比熔融结晶传质快。关于挥发度不同大的体系，蒸馏具有专门大的优势。但当相对挥发度很小时，蒸馏进程需要的理论板数会急剧增加。现在，关于易结晶物质来讲，熔融结晶就具有专门大的优势。可是，熔融结晶又具有传质速度慢、分相慢等缺点。

咱们以为,能够把蒸馏和熔融结晶这两种分离方式有机地结合在一路，扬长避短，用来分离易结晶物质。把蒸馏塔中的冷凝器作为结晶器利用，降低冷却介质的温度，致使上升蒸汽全数在冷凝管中结晶析出，少量没有固化的组分以液体的形式返回塔中，然后，在必然的温度下，先熔化的杂质流回蒸馏塔中，剩下的结晶作为产品采出。这种设计思想是:在分离易结晶物质时，不是要幸免结晶现象，而是利用物质的易结晶现象，在蒸馏塔顶部增加一级固液平稳。现在，蒸汽中易结晶组分的含量已经很高，它与其他物质的汽液平稳分离因子比较小，可是由于它们的熔点差较大，固液平稳的分离因子还很高，能够利用固液平稳进一步提纯。这种工艺方式实际确实是利用一级固液平稳来代替几级汽液平稳。同时，结晶冷凝器中分离出来的含杂质多的熔融液作为回流液返回蒸馏塔，该熔融液中易结晶组分的浓度比没有结晶器时的回流液中的浓度低，它与下一级塔板的上升蒸汽接触，传质推动力加大，起到了强化蒸馏进程的作用。

三、实验装置

本文设计了一套实验装置来实现蒸馏和结晶耦合的操作。装置示用意如图1所示。操作进程如下：

当蒸馏塔内的蒸汽上升到塔顶后，开启阀1，关闭阀2。冷凝器中的冷却介质使上升蒸汽全数冷凝，而且在管壁上结晶。蒸馏操作前，能够在回流液储罐6中加入必然浓度的回流液，蒸汽上升至塔顶后，令阀4有必然的开度，保证蒸馏塔中有必然的回流。当冷凝器1中结晶物质积存到必然程度，将要堵满冷凝器时，关阀1，开阀2，使蒸汽到冷凝器2中继续结晶。现在，冷凝器1中改通加热介质，使部份结晶物质熔化。先熔化的熔融液中含杂质多，通过回流比操纵仪，返回回流液储罐5，令阀3有必然的开度，提供蒸馏塔的回流。当熔化到必然程度后，即在某一选定温度下，达到固液平稳时，将冷凝器中剩余结晶物全数熔化，流入产品罐3。如此反复切换阀1和阀2，使两套结晶冷凝器与蒸馏塔结合成一个整体。