2.5　蒸餾與精餾操作

2.5.1　雙組分精餾的操作型計算

操作型計算的任務是在設備（精餾塔板數及全塔理論板數）已定條件下，由指定的操作條件預計精餾操作的結果，或由某些操作參數（如R、F、x_F、q）的改變預測其他操作參數的變化。

計算所用的方程與設計時相同，此時的已知量為全塔總板數N及加料板位置（第m塊板）；相平衡曲線或相對揮發度；原料組成x_F與熱狀態q；回流比R；并規定塔頂餾出液的采出率D/F。待求的未知量為精餾操作的最終結果——產品組成x_D、x_W以及逐板的組成分布。

操作型計算的特點如下。

①由于眾多變量之間的非線性關系，使操作型計算一般均需通過試差（迭代），即先假設一個塔頂（或塔底）組成，再用物料衡算及逐板計算予以校核的方法來解決。有些情況下，利用吉利蘭圖可避免試差。

②加料板位置（或其他操作條件）一般不滿足最優化條件。

2.5.2　影響精餾操作的主要因素

對于現有的精餾裝置和特定的物系，精餾操作的基本要求是使設備具有盡可能大的生產能力（即更多的原料處理量），達到預期的分離效果（規定的x_D、x_W或組分回收率），操作費用最低（在允許范圍內，采用較小的回流比）。影響精餾裝置穩態、高效操作的主要因素包括操作壓力、進料組成和熱狀況、塔頂回流、全塔的物料平衡和穩定、冷凝器和再沸器的傳熱性能，設備散熱情況等。

（1）物料平衡的影響和制約

根據精餾塔的總物料衡算可知，對于一定的原料液流量F和組成x_F，只要確定了分離程度x_D和x_W，餾出液流量D和釜殘液流量W也就確定了。而x_D和x_W決定了氣液平衡關系、x_F、q、R和理論板數N_T（適宜的進料位置），因此D和W或采出率D/F與W/F只能根據x_D和x_W確定，而不能任意增減，否則進、出塔的兩個組分的量不平衡，必然導致塔內組成變化，操作波動，使操作不能達到預期的分離要求。

保持精餾裝置的物料平衡是精餾塔穩態操作的必要條件。

（2）塔頂回流的影響

回流比和回流液的熱狀態均影響塔的操作。

回流比是影響精餾塔分離效果的主要因素，生產中經常用回流比來調節、控制產品的質量。例如當回流比增大時，精餾段操作線斜率L/V變大，該段內傳質推動力增加，因此在一定的精餾段理論板數下餾出液組成變大。同時回流比增大，提餾段操作線斜率L'/V'變小，該段的傳質推動力增加，因此在一定的提餾段理論板數下，釜殘液組成變小。反之，當回流比減小時，x_D減小而x_W增大，使分離效果變差。

回流液的溫度變化會引起塔內蒸汽實際循環量的變化。例如，從泡點回流改為低于泡點的冷回流時，上升到塔頂第一板的蒸汽有一部分被冷凝，其冷凝潛熱將回流液加熱到該板上的泡點。這部分冷凝液成為塔內回流液的一部分，稱之為內回流，這樣使塔內第一板以下的實際回流液量較R·D要大一些。與此對應的，上升到塔頂第一層板的蒸汽量也要比按（R+1）D計算的量要大一些。內回流增加了塔內實際的氣液兩相流量，使分離效果提高，同時，能量消耗加大。

回流比增加，使塔內上升蒸汽量及下降液體量均增加，若塔內氣液負荷超過允許值，則可能引起塔板效率下降，此時應減小原料液流量。回流比變化時再沸器和冷凝器的傳熱量也應相應發生變化。

必須注意：在餾出液流率D/F規定的條件下，借增加回流比R以提高x_D的方法并非是有效的。

①x_D的提高受精餾段塔板數即精餾塔分離能力的限制。對一定板數，即使回流比增至無窮大（全回流）時，x_D也有確定的最高極限值；在實際操作的回流比下不可能超過此極限值。

②x_D的提高受全塔物料衡算的限制。加大回流比可提高x_D，但其極限值為x_D=Fx_F/D。對一定塔板數，即使采用全回流，x_D也只能以某種程度趨近于此極限值。如x_D=Fx_F/D的數值大于1，則x_D的極限值為1。

此外，加大操作回流比意味著加大蒸發量與冷凝量，這些數值還將受到塔釜及冷凝器的傳熱面的限制。

（3）進料組成和進料熱狀況的影響

進料組成的改變，直接影響到產品的質量。當進料中難揮發組分增加，使精餾段負荷增加，在塔板數不變時，則分離效果不好，結果重組分被帶到塔頂，造成塔頂產品質量不合格；若是從塔釜得到產品，則塔頂損失增加。如果進料組分中易揮發組分增加，使提餾段的負荷增加，可能因分離不好而造成塔釜產品質量不合格，其中夾帶的易揮發組分增多。由于進料組分的改變，直接影響著塔頂與塔釜產品的質量。加料中難揮發組分增加時，加料口往下移，反之，則向上移。同時，操作溫度、回流量和操作壓力等都需相應地調整，才能保證精餾操作的穩定性。

另外，加料量的變化直接影響蒸汽速度的改變。后者的增大，會產生夾帶，甚至液泛。當然，在允許負荷的范圍內，提高加料量對提高產量是有益的。如果超出了允許負荷，只有提高操作壓力，才可維持生產，但也有一定的局限性。

加料量過低，塔的平衡操作不好維持，特別是浮閥塔、篩板塔、斜孔塔等，由于負荷減低，蒸汽速度減小，塔板容易漏液，精餾效率降低。在低負荷操作時，可適當的增大回流比，使塔在負荷下限之上操作，以維持塔的操作正常穩定。

當進料狀況（x_F和q）發生變化時，應適當改變進料位置，并及時調節回流比R。一般精餾塔常設幾個進料位置，以適應生產中進料狀況的變化，保證在精餾塔的適宜位置進料。如進料狀況改變而進料位置不變，必然引起餾出液和釜殘液組成的變化。

進料熱狀況對精餾操作有著重要意義。常見的進料熱狀況有五種（前已述及），不同的進料熱狀況都顯著地直接影響提餾段的回流量和塔內的氣液平衡。如果是冷液進料，且進料溫度低于加料板上的溫度，那么，加入的物料全部進入提餾段，這樣，提餾段負荷增加，塔釜消耗蒸汽量增加，塔頂難揮發組分含量降低。若塔頂為產品，則會提高產品質量；如果是飽和蒸汽進料，則進料溫度高于加料板上的溫度，所進物料全部進入精餾段，提餾段的負荷減少，精餾段的負荷增加，會使塔頂產品質量降低，甚至不合格。精餾塔較為理想的進料熱狀況是泡點進料，它較為經濟和最為常用。對特定的精餾塔，若x_F減小，則將使x_D和x_W均減小，欲保持x_D不變，則應增大回流比。

（4）操作溫度和壓力的影響

1）精餾塔的溫度分布和靈敏板

溶液的泡點與總壓及組成有關。精餾塔內各塊塔板上物料的組成及總壓并不相同，因而從塔頂至塔底形成某種溫度分布。在加壓或常壓精餾中，各板的總壓差別不大，形成全塔溫度分布的主要原因是各板組成不同。圖2-42（a）表示各板組成與溫度的對應關系，于是可求出各板的溫度并將它標繪在圖2-42（b）中，即得全塔溫度分布曲線。

減壓精餾中，蒸汽每經過一塊塔板有一定的壓降，如果塔板數較多，塔頂與塔底壓力的差別與塔頂絕對壓力相比，其數值相當可觀，總壓力可能是塔頂壓力的幾倍。因此，各板組成與總壓的差別都是影響全塔溫度分布的重要原因，且后一因素的影響往往更為顯著。

一個正常操作的精餾塔當受到某一外界因素的干擾（如回流比、進料組成發生波動等），全塔各板的組成將發生變動，全塔的溫度分布也將發生相應的變化。在一定總壓下，塔頂溫度是餾出液組成的直接反應。因此，有可能用測量溫度的方法預示塔內組成尤其是塔頂餾出液組成的變化。但在高純度分離時，在塔頂（或塔底）相當高的一個塔段中溫度變化極小，典型的溫度分布曲線如圖2-43所示。這樣，當塔頂溫度有了可覺察的變化時，餾出液組成的波動早已超出允許的范圍。以乙苯-苯乙烯在8kPa下減壓精餾為例，當塔頂餾出液中含乙苯由99.9%降至90%時，泡點變化僅為0.7℃。可見高純度分離時一般不能用測量塔頂溫度的方法來控制餾出液的質量。

仔細分析操作條件波動前后溫度分布的變化，即可發現在精餾段或提餾段的某些塔板上，溫度變化最為顯著。也就是說，這些塔板的溫度對外界干擾因素的反映最靈敏，故將這些塔板稱之為靈敏板。將感溫元件安置在靈敏板上可以較早覺察精餾操作所受的干擾；而且靈敏板比較靠近進料口，可在塔頂餾出液組成尚未產生變化之前先感受到進料參數的變動并及時采取調節手段，以穩定餾出液的組成。

2）塔釜溫度

在操作壓力不變的情況下，改變塔釜操作溫度，對蒸汽流速、氣液相組成的變化，都有一定的影響。提高塔釜溫度時，則使塔內液相易揮發組分減少，同時使上升蒸汽的流速增大，有利于提高傳質效率。如果由塔頂得到產品，則塔釜排出的難揮發物中，易揮發組分減少，損失減少；如果塔釜排出物為產品，則可提高產品質量，但塔頂排出的易揮發組分中夾帶的難揮發組分增多，從而增大損失。因此，在提高溫度的時候，既要考慮到產品的質量，又要考慮到工藝損失。一般情況下，操作習慣于用溫度來提高產品質量，降低工藝損失。

在平穩操作中，釜溫突然升高，來不及調節相應的壓力和塔釜溫度時，必然導致塔釜液被蒸空，壓力升高。這時，塔頂氣液相組成變化很大，重組分（難揮發組分）容易被蒸到塔頂，使塔頂產品不合格。

3）操作壓力的影響

在操作溫度一定的情況下，改變操作壓力，對產品質量、工藝損失都有影響。提高操作壓力，可以相應地提高塔的生產能力，操作穩定。但在塔釜難揮發產品中，易揮發組分含量增加。如果從塔頂得到產品，則可提高產品的質量和易揮發組分的濃度。

操作壓力的改變或調節，應考慮產品的質量和工藝損失，以及安全生產等問題。因此，在精餾操作時，常常規定了操作壓力的調節范圍。當受到外界因素的影響而使操作壓力受到破壞時，塔的正常操作就會完全破壞。例如真空精餾，當真空系統出了故障時，塔的操作壓力（真空度）因發生變化而迫使操作完全停止。一般精餾也是如此，塔頂冷凝器的冷卻介質突然停止時，塔的操作壓力也就無法維持。

2.5.3　間歇精餾的新型操作方式

間歇精餾是化工生產中的重要單元操作，其主要特點為：能單塔分離多組分混合物；允許進料組分濃度在很大的范圍內變化；可適用于不同分離要求的物料，如相對揮發度及產品純度要求不同的物料。

此外，間歇精餾還比較適用于高沸點、高凝固點和熱敏性等物料的分離。隨著精細化工及醫藥等工業的發展，對間歇精餾技術的要求越來越高，陸續出現了一些新塔型，如反向間歇塔、中間罐間歇塔和多罐間歇塔等。這些新型操作方式往往是針對分離任務的特點而設計的，因而其流程和操作方式更符合實際情況，效率更高、更具靈活性，在化工生產中具有很好的應用前景。

（1）塔頂累積全回流操作

這種操作也叫循環操作，塔頂設置一定容量的積累槽，在一次加料后進行全回流操作，使輕組分在塔頂累積罐內快速濃縮。當累積罐內輕組分達到指定的濃度后，將累積罐內的液體全部放出作為塔頂產品，此過程可明顯縮短操作時間。這種循環操作包括進料、全回流、出料3個階段。塔頂累積全回流操作同傳統的部分回流操作方式相比，具有分離效率高、控制準確、對振動不敏感、易于操作等優點。

通過對循環操作進行實驗研究，并對回流槽的持液量和全回流時間進行優化，結果表明與傳統方法相比，全回流操作可節省30%的操作時間。若用于輕組分含量較高的一般分離任務，可比傳統的恒回流比操作縮短操作時間40%。

（2）反向間歇精餾操作

在分批精餾時，當某些重組分是被提取的主要對象，且該組分還有一定的熱敏性，經不起長時間的高溫煮沸，此種情況下采用反向間歇精餾比較合適。這種塔與常規間歇塔（見圖2-44）的不同之處在于：被處理物料存在于塔頂，產品從塔底餾出，稱為反向間歇精餾塔（見圖2-45）。首先餾出的是重組分，相當于連續塔中的提餾段。開工過程所需時間短、操作周期短、能耗低。

通過對常規間歇精餾塔和反向精餾塔的動態特性及最優化操作進行比較，可以看出：當混合物料中輕組分含量較高時，常規間歇精餾塔優于反向精餾塔，且操作時間短；而當進料混合物中重組分含量較高時，使用反向間歇精餾塔，即顯示出明顯的優越性。主要原因是當低含量組分從塔內餾出時，為達到比較高的分離純度，需要很大的回流比或再沸比，如進料組成x_F=0.1、分離純度x_D=0.98時，為回收進料中的輕組分，就需要很高的回流比，而采用反向塔，由于大量重組分從塔底餾出，使得輕組分在塔中的冷凝器中不斷累積而增濃，開始時再沸比很低，隨著重組分的不斷餾出而升高。而且當輕組分含量低時，使用反向塔比常規塔可節省一半的時間。處理量越大，相對揮發度越小，越節省時間。但當分離要求不高時，情況則相反。

雖然采用反向塔有利于輕組分含量低的情況，但是采用反向塔也存在兩個難點：首先再沸器的持液量會影響操作時間，故應盡量減少再沸器的持液量，但這很難實現；其次，無法直接控制再沸器中的持液量，只能通過冷凝器中回流液間接控制。

（3）中間罐間歇精餾塔操作

中間罐間歇精餾塔也叫復合間歇精餾塔，這種塔同連續塔的相似之處是同時具有精餾段和提餾段，可以同時得到塔頂和塔底產品。中間罐相當于連續精餾塔中的進料板，如圖2-46所示。這種塔比較適合于中間組分的提純，當重組分雜質更易除去時，這種塔即顯示出明顯的優越性。輕重組分分別從塔頂和塔底餾出，當貯罐中中間組分達到指定濃度后即停止操作。

對于反應間歇精餾，使用這種結構的塔，由于能將產品不斷移走，因而可提高產品的轉化率。

在中間貯罐精餾塔中，由于易揮發組分在精餾段隨時間減少，難揮發組分在提餾段也隨時間而減少，同時采出塔頂和塔底產品，能夠有效地縮短操作時間。

（4）多罐間歇精餾塔操作

多罐間歇精餾塔裝置如圖2-47所示。這種塔在構型上可看作是多個塔上下相連而成，中間設置多個貯罐，也叫多效間歇精餾塔。這種塔進行全回流操作，可以使相對揮發度不同的各個組分分別在塔的不同位置的貯罐內濃縮，將濃縮后的產品放出，可獲得純度很高的產品。建立足夠多的中間罐即能同時分離多組分混合物，但它的設計不如一般間歇塔自由。

多罐間歇精餾塔同傳統的間歇精餾塔相比有兩個優點：首先，由于能夠同時采出多個產品，操作過程無產品切換，因而操作簡單；其次，由于該塔本質上的多效性，因而所需能量很低，對于多組分混合物的分離，此塔所需的能量同連續精餾塔相似。

多罐間歇精餾塔的操作控制有以下幾種。

①多罐間歇塔全回流操作的控制。首先通過物料衡算預先計算出每個貯罐的持液量，然后將確定的原料量加入各個貯罐中，保持持液量恒定，直到所有組分達到指定純度。

②多罐間歇塔全回流反饋控制。即安裝在塔內不同部位的多個溫度傳感器來調節回流量，由于所控制的溫度為各純組分的沸點，從而可使貯罐中累積的產品達到指定純度。

③多罐間歇塔優化持液量控制。它將原料液一次性加入再沸器中，其余貯罐中的持液量逐漸增加達到最終持液量。優化結果表明，多罐間歇塔優化持液量控制比傳統的間歇塔優化操作可節省47%的操作時間，比恒持液量操作節省17%的操作時間。

由于間歇精餾的過程控制復雜，以往優化操作的研究大多停留在理論階段，生產實際難以應用。為了克服間歇精餾控制復雜及能耗高等缺點，近年來人們側重于一些新型操作方式的開發研究，它們具有以下特點。

①這些新型操作方式往往是針對分離任務的特點而設計的，因而在流程和操作方式上更符合實際情況，從而效率更高，如反向間歇精餾方式。

②新的操作方式大多以合理利用間歇精餾的動態特性為基礎，如“飛輪效應”，塔頂累積全回流操作即屬于此類。

③由于間歇精餾是典型的動態過程，具有很強的不確定性，特別是多組分間歇精餾過程，存在多個產品和過渡餾分的切換，操作復雜，難以實現自動控制，所以如何從工藝角度進行簡化，是重要的研究方向。多罐間歇塔屬于此類。

近年來，計算機技術和智能化儀表的迅速發展為實現間歇精餾真正意義上的自動控制提供了有利條件，現代計算機控制技術與新型操作方式的結合，將會大大提高間歇精餾的技術水平。

（5）蒸餾過程的強化

對于具有恒沸點或沸點相近的物系，僅僅利用蒸餾一般難以達到有效分離的目的。為此，結合萃取、反應（包括均相和非均相）、吸附等其他化工操作單元的優勢，提出或已實現工業化的有萃取蒸餾、反應蒸餾、催化蒸餾、吸附蒸餾、結晶蒸餾和膜蒸餾等。在體系中引入某些添加劑以利用溶液的非理想性質，完成改變組分間相對揮發度，而實現高效和節能的氣液分離，如共沸蒸餾、加鹽精餾和加鹽萃取精餾等的添加物精餾。

從現在的研究工作看，強化蒸餾和傳質過程的主要途徑有：一是通過改進設備結構，如從改善兩相流動和接觸發展出的新型規整填料和噴射式并流填料塔板；二是引入質量分離劑（包括催化劑、反應組、吸附劑、有機活性組分、無機電解質等）提出的各種耦合蒸餾技術；三是引入第二能量分離劑（如磁場、電場和激光）。其中脈沖激光由于不在原有物系中引入添加物，且組分之間的物理化學性質變化很容易被人為控制，所以，隨著超導材料和激光器制備技術的提高和生產成本的降低，脈沖激光在蒸餾分離中的應用將會取得巨大效益。

（6）蒸餾技術的研究方向

根據蒸餾學科的特點和研究現狀，深化蒸餾研究必須突破傳統研究方法，在研究思維、分析問題方式上開辟新思路，尋求新理論，吸收其他學科的最新研究成果；在應用開發上除滿足傳統工藝的要求外，應致力于各種新型工業領域的過程開發和設備設計。因此進行蒸餾過程基礎研究，促進蒸餾技術和學科發展的關鍵包括以下幾個方面。

1）研究深度由宏觀平均向微觀、由整體平均向局部瞬時發展

僅僅對宏觀現象的研究，已不能滿足目前要求。由于多相流的復雜結構，對整體平均量的研究并不能從根本上揭示過程機理和描述過程動態變化規律，因此局部和瞬時結構參數及其變化規律的研究逐步引起了人們的重視。

2）研究目標由現象描述向過程機理轉移

表觀現象的描述不足以分析過程的本質特征，因此蒸餾過程的研究目標已經逐漸由現象描述轉向對過程機理的認識，由此通過認識過程機理實現有預見的新設備開發，并應用于新的工程領域。

3）研究手段逐步高技術化

計算技術、光纖技術、激光、超聲波、電子等新技術的發展，為蒸餾研究提供了先進的測試手段和分析方法，使深入理解蒸餾過程中的傳遞動態屬性和界面的非平衡特征成為可能。

4）研究方法由傳統理論向多學科交叉方面開拓

近年來，統計理論、分形理論、耗散結構理論、表面物理化學等均在各自的領域中取得了重大的成就，同時學科之間的交叉更加頻繁，交叉力度越加提高。所以，如果我們對蒸餾過程的傳質動力學實質進行深入了解，就可以根據以上所提及的各種新理論的特點將其引入蒸餾學科的研究之中。