间歇精馏技术及应用

《间歇精馏技术及应用》简述了间歇精馏的作用和特点等，着重介绍了间歇精馏的热力学基础、间歇精馏塔的型式、间歇精馏塔的操作、间歇共沸精馏、间歇萃取精馏以及其他的特殊精馏方法，最后对常用的间歇精馏的计算机模拟软件进行了详细的介绍，并提供了几个典型的间歇精馏的计算机模拟案例供读者参考。
本书适合在工业生产中开展化工分离操作的技术人员、从事精馏研究的科研人员以及高等院校化工等相关专业的师生参考学习。

1.本书从间歇精馏的基础理论出发，不涉及高深的数学知识和理论，试图用简单实用的方法给读者介绍间歇精馏的型式，操作，控制； 2.本书作者有国内国外多年行业从业经历和国际视野，在书中介绍世界先进的间歇精馏的工艺和知识； 3.书中列举了很多工业的实际应用，使读者可以在读完本书后，通过学习，也可以把书中所学应用到实际的工厂操作和运行中去。

精馏是一门非常古老的分离技术，最典型的就是酒的制作。在2000多年前，人类的祖先就开始使用精馏技术制作酒了。直到21世纪的今天，精馏在现代化工分离领域仍然占有绝对主导的地位。起初的精馏过程都是间歇式的，但是随着时代的发展，特别是汽车的逐步普及促使石油化学工业在20世纪飞速发展，作为石油提炼基础的连续精馏逐步取代间歇精馏成为石油化工和大宗化学品生产的核心分离工艺。现在，几乎国内外所有的教材和书籍在讲解精馏的时候都是以连续精馏为基础的，作为精馏起源的间歇精馏变得淡化了。随着社会的逐步发展，人们对于特种化学品，包括医药、农药、添加剂、催化剂、表面活性剂等特殊化学品的需求逐步增大。这些产品的特点是种类繁多，不断推陈出新，但是产量都不是很大，而且为了节约成本，很多产品都需要在同一个设备里进行反应或分离。显然，这些操作使用间歇方法更为经济。间歇精馏作为一个使用范围极广的化工分离手段，在20世纪末开始了强势回归。
在实验室里，90%以上的精馏设备是采用间歇式的。在医药和精细化工行业的工厂里，大部分的精馏塔也是使用间歇方式进行操作的。间歇精馏虽然和连续精馏的原理完全相同，但是在具体的操作上有很大的不同。间歇精馏是非稳态的，过程的变量（比如温度、压力、组成等等）的变化除了和空间位置有关外，还会随着时间的变化而变化。这就使得间歇精馏比连续精馏更加复杂。这不仅仅表现在间歇精馏过程的数学模型更加复杂，还表现在过程的计算方法和应用也有很大的不同。连续精馏的许多常用的概念和操作无法在间歇精馏上直接使用。笔者在给国内的许多医药和化工企业做精馏工艺开发和改进的过程中，也了解到工厂的工程师和操作人员对于间歇精馏的基础理论知识和实际应用有很多的误解和不足。
本书对间歇精馏进行比较系统的论述，首先从热力学的基础理论入手，推导间歇精馏的基础数学模型，然后结合间歇精馏塔的物料和能量衡算，对间歇精馏操作进行详细的论述和解释。因为间歇精馏的数学模型比较复杂，国外普遍使用计算机进行间歇精馏的模拟，这样可以大大提高精馏工艺开发和优化的效率。但是在国内，间歇精馏的计算机模拟应用非常稀少，完全不能满足广大医药和精细化工企业的要求。本书的第8章详细介绍间歇精馏的计算机模拟，包括相关的软件和应用。通过一系列的工艺案例介绍间歇精馏的计算机模拟和它带来的极大效率。本书也初步介绍间歇精馏的动态模拟和控制方案，以期对广大的读者在实际的工艺开发和过程优化工作中有所帮助。
因为间歇精馏的基础是化工热力学，所以有关热力学平衡的概念和方程，比如化学位、逸度、吉布斯自由能、焓、熵等不可避免地需要用到很多高等数学的知识。虽然很多企业开始使用计算机模拟进行精馏的设计和优化，但是如果没有一定的热力学基础，在计算机模拟最关键的热力学模型的选择上就会很茫然，或者做出错误的选择。这样会导致精馏的模拟出现很大的偏差，甚至是完全错误的结论。 如果部分读者没有这方面的基础，本书的内容则提供了这部分热力学知识的简介。限于篇幅，不可能把每个热力学概念都做很详细的说明。如果想了解更多，读者可以根据个人需要参考有关热力学方面的专著。
本书是作为化学工程师的我们为化学工程的从业者或者化学工艺的学生和读者编写的。相比其他的书籍，我们更加注重实用性，所以对于大部分的内容，我们都试图通过具体的案例和有工业化背景的工艺来进行说明。
上海擎胺新材料科技有限公司拥有一流的现代化实验室和各类反应装置，精馏分离和分析设备，以及经验丰富的化学、化工和分析人才，致力于为客户提供基础化工、精细化工和制药行业的反应，分离过程的工艺开发、工艺改进和工艺放大的服务。P&I Design成立于1978年，以英国为基地，四十多年来一直为各类化工企业提供全面的工程服务，从最初的概念设计、详细设计、工艺优化和开车服务，到计算机模拟、远程控制和云服务。两家公司携手为全球的客户提供反应和精馏过程的实验、工艺放大、计算机模拟服务和工程设计服务。我们真诚地希望能和全球客户共同成长。

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

第1章 绪论001

第2章 间歇精馏的热力学基础003
2.1　相平衡的条件003
2.2　气相混合物的热力学描述007
2.3　液相混合物的热力学描述009
2.3.1　液相组分的逸度和活度系数009
2.3.2　吉布斯-杜亥姆方程012
2.3.3　使用g E 的活度系数模型简介013
2.3.4　活度系数和分子间力的关系017
2.3.5　利用g E 判断相平衡018
2.3.6　液体纯组分的逸度021
2.4　相平衡方程022
2.5　二元气液平衡及相图023
2.6　世界主要气液平衡数据库简介031
2.7　三元体系的剩余曲线图033
2.8　总结036

第3章 间歇精馏塔的型式038
3.1　常见的间歇精馏塔的型式038
3.2　填料塔和板式塔042
3.3　精馏塔填料的简介043
3.3.1　散装填料043
3.3.2　规整填料046
3.3.3　规整填料的优势048

第4章 间歇精馏塔的操作050
4.1　间歇精馏塔的操作曲线052
4.2　间歇精馏塔的操作方式059
4.2.1　固定回流比模式059
4.2.2　固定塔顶组成模式063
4.2.3　最优回流比模式065
4.2.4　其他的操作方式066
4.2.5　持液量的影响067
4.2.6　中间过渡组分的处理069
4.3　半连续精馏069

第5章 间歇共沸精馏072
5.1　共沸精馏072
5.1.1　共沸物的判定073
5.1.2　共沸物系的分离079
5.1.3　均相共沸精馏080
5.1.4　剩余曲线的重要意义083
5.1.5　共沸精馏的工业实例089
5.2　多相共沸精馏092
5.2.1　多相共沸剂的选择093
5.2.2　多相共沸精馏举例096

第6章 间歇萃取精馏103
6.1　萃取剂的选择104
6.2　间歇萃取精馏的操作111

第7章 其他的特殊精馏方法119
7.1　变压精馏119
7.2　盐析精馏122
7.3　精馏和其他分离方法的耦合125
7.3.1　精馏和膜分离的耦合125
7.3.2　精馏和反应的耦合128

第8章 间歇精馏的计算机模拟131
8.1　化工过程计算机模拟软件简介131
8.2　热力学模型的选择133
8.2.1　吉布斯相律133
8.2.2　热力学模型134
8.2.3　热力学模型的验证139
8.3　间歇精馏模拟案例分析141
8.3.1　间歇精馏模拟的基础141
8.3.2　间歇精馏模拟的实际案例143

第9章 总结和展望171

参考文献174