第2章　計算傳質學的應用（一）——精餾過程

精餾過程是目前應用最廣和規模最大的氣液傳質分離過程，廣泛應用于煉油、石化以及近年發展的生物能源（例如由農作物生產乙醇）等生產過程。

在多種傳統的和新發展的精餾設備中，以板式塔和填料塔兩種類型最為普遍。

自20世紀30年代以來，精餾過程的模擬計算方法經歷過幾個發展階段。

對于板式塔來說，第一階段是以“平衡級塔板及板上液相完全混合模型”為代表，其特點是認為將精餾過程歸結為由若干塊“理論塔板”完成，而“理論塔板”是指塔板處于氣液平衡狀態，而且板上液相是完全混合的，即板上濃度均勻。然后將計算得到的理論塔板數再用經驗的板效率來校正，以得出過程所需的實際塔板數。這類模型從20世紀30年代的氣液平衡曲線x-y圖解法發展到60年代的逐板MESH方法（其中，M為物料衡算，E為氣液平衡關系，S為濃度分數歸一，H為熱量衡算）。

第二階段是以“非平衡級塔板完全混合模型”為代表，其特點是認為塔板的氣液兩相之間不是處于氣液平衡，而是直接計算塔板上的傳質通量，可免去用經驗的塔板效率校正，但仍然認為液相流動是均勻的和塔板上濃度是完全混合的。從20世紀80年代起，由這類模型構成了逐板的MRSH方法（其中，R為計算塔板上傳質通量的方程）。

上述兩類模型由于假設塔板上的完全混合，顯然與實際情況不符，特別是在大型精餾塔的設計和評估上，會產生很大的誤差。在此之后發展到第三階段。

第三階段是以“非平衡級塔板及板上液相部分混合模型”為代表，其特點是認為塔板不但處于氣液非平衡狀態，而且板上流動及濃度都不均勻，例如在流動上存在返流、在濃度上存在返混。這種模型比較符合精餾過程與設備的實際情況。從20世紀80年代起，這類模擬計算方法已有萌芽，采用離散混合池方法進行計算；從20世紀90年代起，采用計算流體力學方法來預測塔板上的流速分布，但濃度分布都是結合由實驗或經驗而得到的湍流傳質擴散系數來預測（即相當于計算傳質學的零方程方法）。直到21世紀初，開始采用計算傳質學的兩方程方法，不再需要用到經驗的湍流傳質擴散系數。

對于精餾填料塔的模擬計算方法，其發展過程亦類似于板式塔，從平衡級完全混合的理論塔板當量高度（HETP）模型發展到非平衡級部分混合模型，但直到21世紀初以前，仍依賴從經驗而得的湍流傳質擴散系數。

此外，從節能的角度來說，精餾過程是耗能大戶，因此如何提高精餾過程的效率，實現精餾過程節能，是化學工程一個亟待解決的重要問題。為達到此目的，除用各種方法提高精餾過程熱力學效率（如減少過程熱量散失、熱能綜合利用、采用熱泵、熱耦精餾、添加物質以改變組分相對揮發度等）以及提高氣液接觸傳質效率（如改善結構或發展新型設備以增大氣液接觸面積和改變接觸方式等）外，另一個重要方面就是要尋求精餾設備的合理設計與運行，以減少氣液過程在設備中的流動與傳質的不合理性（例如減少液體返流、溝流及不理想的組分濃度分布等），使設備的設計與運行能夠接近理想狀態下進行（例如流動接近活塞流、組分濃度接近最優分布等），從而提高精餾設備的效率，并且降低能耗與設備投資及運行的總費用。因此使精餾設備內的流動和濃度分布的合理化是提高精餾過程效率和節能的一個重要方式。

由此可見，深入研究精餾設備內的流動與濃度分布狀態對提高精餾設備效能十分重要，特別是對于大型精餾設備來說更是十分關鍵。精餾設備內的流動分布狀態可以借助于計算流體力學來求取（參見附錄Ⅰ），但濃度分布狀態則需要采取計算傳質學的方法來解決。