第一章 緒論
1.3 各類共沸物分離方法之介紹
本小節針對本研究中所使用到之共沸物分離方法做一簡單介紹，包含萃取蒸 餾、變壓蒸餾以及萃取等。
1.3.1 萃取蒸餾(Extractive distillation)
於工業程序上共沸物之分離一直是眾人關注的議題，其中萃取蒸餾之方法藉 由加入揮發度低之夾帶劑，以提升系統中雙成分之相對揮發度，而達到打破共沸 點，分離出高純度產物之效果。一般傳統之萃取蒸餾系統如圖 1- 5 所示，程序中 分為兩部分，其一為萃取蒸餾塔(Extractive distillation column)，重的夾帶劑由萃取 蒸餾塔較上端之板進料，並且藉由氣液平衡逐步將 B 成分帶往塔底，而於塔頂則 可得到高純度之 A 成分。B 成分與夾帶劑則會在下游之回收塔分離，將夾帶劑回 收至萃取蒸餾塔中。
通常添加之夾帶劑為系統中沸點最高之成分，且其揮發度亦需要低於系統中 之兩成分，才可藉由氣液平衡將 B 往下帶而使 B 及夾帶劑不會分向塔頂，而 B 與
夾帶劑亦需要容易分離，基本上夾帶劑之選擇是進行程序設計前最重要之事，有 許多選擇的原則[10-12]，其中最常使用之判斷原則為提升相對揮發度之能力，提 升相對揮發度能力愈佳，一般來講較具經濟優勢。
Relative volatility of A to B =𝑦𝑦𝐴𝐵⁄𝑥𝐴 𝑥𝐵
⁄ (1-1)
夾帶劑因為於系統中不斷回收再利用，因此夾帶劑於系統中之流量為一重要 之設計變數，一般來說夾帶劑流量愈大，提升相對揮發度能力愈佳，對於分離共 沸物之效果愈好，但因為夾帶劑於萃取蒸餾塔及回收塔中亦需要經過蒸發冷凝之 過程，因此過多的夾帶劑亦會提高熱負載，因此適當之夾帶劑流量為重要之設計 變數。
圖 1- 5 萃取蒸餾系統流程圖
1.3.2 變壓蒸餾(Pressure swing distillation)
利用共沸物對壓力的敏感性，藉由改變操作壓力來使共沸物之組成移動，進 而將共沸物分離。圖 1- 6 為變壓蒸餾之示意圖，變壓蒸餾系統由低壓塔及高壓塔 組成，首先進料進入低壓塔系統，於塔底可分離出純成分之 A，於塔頂則分離出 接近共沸組成之產物，此流再經過一高壓塔，高壓塔中因為操作壓力之不同，使 得共沸組成改變，因而從塔底分離出 B，於塔頂則分離出接近共沸組成之產物，回
流至低壓塔內。
圖 1- 6 變壓蒸餾流程示意圖
1.3.3 萃取(Extraction)
萃取是利用合適的溶劑把液體中之目的成分溶解出來，利用兩相溶解度之不 同而達分離之效果。一般來講於工業上之分離最主要仍使用蒸餾，因為僅需考慮 氣液平衡而並不需要如萃取添加入第三成份，但如遇到共沸物，或相對揮發度接 近 1 之物質分離，則需要較高之能耗或塔板數較多之蒸餾塔，或是遇到熱敏感物 質，以上之情況下萃取之方式就顯得較為有優勢。
三成分系統之液液平衡如圖 1- 7 所示，其中 F 為 A 與 B 之混合物，若於此系 統中加入溶劑(Solvent)則系統之組成會往溶劑處移動至 F’，因落在液液兩相區，故 會自動依據 tie line 分出包含溶劑之萃取物(Extract)及溶劑較少之萃餘物(Raffinate)。
其中用來判斷溶劑萃取能力之指標有二，其一為選擇度(Selectivity)，其二為分散 係數(Distribution coefficient)，一般來說選擇度及分散係數愈大則是愈好之溶劑，
其計算方式分別如下：
Selectivity β =(𝑥(𝑥BB⁄ )𝑥A E
𝑥A
⁄ )R
(1-2) Distribution coefficient K = (𝑥(𝑥B)E
B)R (1-3)
摺點(plait point)即選擇度為 1 之點，即分出之兩相組成一樣之點，亦可說是無法再 分離之限制點。一般來說液液兩相區之大小與溫度相關，在高溫狀況液液兩相區 會逐漸縮小，而溫度降低時液液兩相區會較大。
圖 1- 7 三成分之液液平衡關係與溫度對兩相區之影響
萃取之方式可分為同向(co-current)及反向(counter-current)萃取兩種，同向萃取 之方式如下圖所示，溶劑由多段萃取進入，以減小單段萃取恐不理想之情況，但 此方式也增加溶劑之需求量。
圖 1- 8 同向萃取示意圖
於工業上較常使用之方式為反向萃取，反向萃取之方式將萃餘液及萃取液進 行多段串連，如圖 1- 9 所示，將之作質量平衡之分析可得以下式子：
F + 𝐸𝑛+1= 𝑅𝑛+ 𝐸1 (1-4) 𝐹 − 𝐸1 = 𝑅𝑛− 𝐸𝑛+1(= 𝑃) (1-5) Rn−1+ 𝐸𝑛+1 = 𝐸𝑛+ 𝑅𝑛 (1-6) Rn−1− 𝐸𝑛 = 𝑅𝑛− 𝐸𝑛+1(= 𝑃) (1-7) 因此可以看出相鄰兩槽間兩液相流量之差相等且為一定值，而於三相圖上 Rn、En+1 與 P 則會形成一直線關係，由反相萃取可不斷地將兩成分皆提純至較高之程度。
圖 1- 9 反向萃取示意圖