第一章　精馏操作技术

第一节　概　　述

混合物的分离是化工生产中的重要过程。混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相物系的分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离。而化工生产中遇到的大多是均相混合物，例如，石油是由许多烃类化合物组成的液相混合物，空气是由氧气、氮气等组成的气相混合物。

均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。精馏是分离液体混合物的典型单元操作，它是通过加热造成气、液两相物系，利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的目的。

精馏装置单有精馏塔并不能完成精馏操作，必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸气流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流，因而使精馏能连续稳定的进行。

一、精馏分离的基本特点

①通过精馏分离可以直接获得所需要的产品。

②精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。

③精馏过程适用于各种组成混合物的分离。

④精馏操作是通过对混合液加热建立气液两相体系进行的，所得到的气相还需要再冷凝。因此，精馏操作耗能较大。

二、精馏基本原理

塔设备是最常采用的精馏装置，填料塔与板式塔在化工生产过程中应用广泛，下面以板式塔为例介绍精馏的基本原理。

精馏分离是根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。其中较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分），较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。它通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液两相之间的传递过程。

现取第n板（图1-1）为例来分析精馏过程和原理。

塔板的形式有多种，最简单的一种是板上有许多小孔（称筛板塔），每层板上都装有降液管，来自下一层（n+1层）的蒸气通过板上的小孔上升，而上一层（n-1层）来的液体通过降液管流到第n板上，在第n板上气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。进、出第n板的物流有四种：

①由第n-1板溢流下来的液体量为Ln-1，其组成为xn-1，温度为tn-1；

②由第n板上升的蒸气量为Vn，组成为yn，温度为tn；

③从第n板溢流下去的液体量为Ln，组成为xn，温度为tn；

④由第n+1板上升的蒸气量为Vn+1，组成为yn+1，温度为tn+1。

因此，当组成为xn-1的液体及组成为yn+1的蒸气同时进入第n板，由于存在温度差和浓度差，气液两相在第n板上密切接触进行传质和传热的结果，会使离开第n板的气液两相平衡（如果为理论板，则离开第n板的气液两相成平衡），若气液两相在板上的接触时间长，接触比较充分，那么离开该板的气液两相相互平衡，通常称这种板为理论板（yn，xn成平衡）。精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上升蒸气中易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度（共沸情况除外）。

加料板把精馏塔分为两段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸气的精制，除去其中的难挥发组分，因而称为精馏段。加料板以下（包括加料板）的塔，即塔的下半部完成了下降液体中难挥发组分的提浓，除去了易挥发组分，因而称为提馏段。一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段。

精馏段操作方程为：

　　        （1-1）

提馏段操作方程为：

　　        （1-2）

式中　R——操作回流比；

F——进料摩尔流率；

D——塔顶产品（馏出液）流量，kmol/h；

xn——精确段中第n层板下降的液体组成，摩尔分数；

xW——塔底产品中易挥发组分的摩尔分数；

q——进料的热状态参数。

部分回流时，进料热状况参数的计算式为：

　　        （1-3）

式中　        tF——进料温度，℃；

tBP——进料的泡点温度，℃；

Cpm——进料液体在平均温度（tF+tBP）/2下的比热容，J/（mol·℃）；

rm——进料液体在其组成和泡点温度下的汽化热，J/mol。

　　        （1-4）

　　        （1-5）

式中　，——纯组分1和组分2在平均温度下的比热容，kJ/（kg·℃）；

r1，r2——纯组分1和组分2在泡点温度下的汽化热，kJ/kg；

x1，x2——纯组分1和组分2在进料中的摩尔分数。

精馏操作涉及气、液两相间的传热和传质过程。塔板上两相间的传热速率和传质速率不仅取决于物系的性质和操作条件，而且还与塔板结构有关，因此它们很难用简单方程加以描述。引入理论板的概念，可使问题简化。

所谓理论板，是指在其上气、液两相都充分混合，且传热和传质过程阻力为零的理想化塔板。因此不论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相达到平衡状态，即两相温度相等，组成互相平衡。

实际上，由于板上气、液两相接触面积和接触时间是有限的，因此在任何形式的塔板上，气、液两相难以达到平衡状态，即理论板是不存在的。理论板仅用作衡量实际板分离效率的依据和标准。通常，在精馏计算中，先求得理论板数，然后利用塔板效率予以修正，即求得实际板数。引入理论板的概念，对精馏过程的分析和计算是十分有用的。

对于二元物系，如已知其气液平衡数据，则根据精馏塔的原料液组成、进料热状况、操作回流比及塔顶馏出液组成、塔底釜液组成，可由图解法或逐板计算法求出该塔的理论板数NT。按照下式可以得到总板效率ET，其中NP为实际塔板数。

　　        （1-6）

三、主要物料的平衡及流向

典型的连续精馏流程如图1-2所示，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸气互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。如图1-3所示为一典型的带有控制点的工艺及设备流程图。