精馏工艺操作基本知识

精馏工艺操作基本知识1.何为相和相平衡?相就是指在系统中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分，不同相之间往往有一个相界面，把不同的相分别开。系统中相数的多少与物质的数量无关。如水和冰混合在一起，水为液相，冰为固相。一般情况下，物料在精馏塔内是气、液两相。

在一定的温度和压力下，如果物料系统中存在两个或两个以上的相，物料在各相的相对量以及物料中各组分在各个相中的浓度不随时间变化，我们称系统处于平衡状态。平衡时，物质还是在不停地运动，但是，各个相的量和各组分在各项的浓度不随时间变化，当条件改变时，将建立起新的相平衡，因此相平衡是运动的、相对的，而不是静止的、绝对的。比如：在精馏系统中，精馏塔板上温度较高的气体和温度较低的液体相互接触时，要进行传热、传质，其结果是气体部分冷凝，形成的液相中高沸点组分的浓度不断增加。塔板上的液体部分气化，形成的气相中低沸点组分的浓度不断增加。但是这个传热、传质过程并不是无止境的，当气液两相达到平衡时，其各组分的两相的组成就不再随时间变化了。2.何为饱和蒸汽压？在一定的温度下，与同种物质的液态（或固态）处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压，它随温度的升高而增加。众所周知，放在杯子里的水，会因不断蒸发变得愈来愈少。如果把纯水放在一个密闭容器里，并抽走上方的空气，当水不断蒸发时，水面上方气相的压力，即水的蒸汽所具有的压力就不断增加。但是，当温度一定时，气相压力最中将稳定在一个固定的数值上，这时的压力称为水在该温度下的饱和蒸汽压。应当注意的是，当气相压力的数值达到饱和蒸汽压力的数值是，液相的水分子仍然不断地气化，气相中的水分子也不断地冷凝成液体，只是由于水的气化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液体量才没有减少，气体量也没有增加，气体和液体达到平衡状态。所以，液态纯物质蒸汽所具有的压力为其饱和蒸汽压时，气液两相即达到了相平衡。3.何为精馏，精馏的原理是什么？把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程称为精馏。为什么把液体混合物进行多次部分汽化同时又多次部分冷凝，就能分离为纯或比较纯的组分呢？

对于一次汽化，冷凝来说，由于液体混合物中所含的组分的沸点不同，当其在一定温度下部分汽化时，因低沸点物易于气化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高。这就改变了气液两相的组成。当对部分汽化所得蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而为冷凝气中低沸点物的浓度比冷凝液中要高。这样经过一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到了初步分离。如果多次的这样进行下去，将最终在液相中留下的基本上是高沸点的组分，在气相中留下的基本上是低沸点的组分。由此可见，多次部分汽化和多次部分冷凝同时进行，就可以将混合物分离为纯或比较纯的组分。液体气化要吸收热量，气体冷凝要放出热量。为了合理的利用热量，我们可以把气体冷凝时放出的热量供给液体气化时使用，也就是使气液两相直接接触，在传热同时进行传质。为了满足这一要求，在实践中，这种多次部分汽化伴随多次部分冷凝的过程是逆流作用的板式设备中进行的。所谓逆流，就是因液体受热而产生的温度较高的气体，自下而上地同塔顶因冷凝而产生的温度较低的回流液体（富含低沸点组分）作逆向流动。塔内所发生的传热传质过程如下1）气液两相进行热的交换，利用部分汽化所得气体混合物中的热来加热部分冷凝所得的液体混合物；2）气液两相在热交换的同时进行质的交换。温度较低的液体混合物被温度较高的气体混合物加热二部分汽化。此时，因挥发能力的差异（低沸点物挥发能力强，高沸点物挥发能力差），低沸点物比高沸点物挥发多，结果表现为低沸点组分从液相转为气相，气相中易挥发组分增浓；同理，温度较高的气相混合物，因加热了温度较低的液体混合物，而使自己部分冷凝，同样因为挥发能力的差异，使高沸点组分从气相转为液相，液相中难挥发组分增浓。

精馏塔精馏塔是由若干塔板组成的，塔的最上部称为塔顶，塔的最下部称为塔釜。塔内的一块塔盘只进行一次部分汽化和部分冷凝，塔盘数愈多，部分汽化和部分冷凝的次数愈多，分离效果愈好。

通过整个精馏过程，最终由塔顶得到高纯度的易挥发组分，塔釜得到的基本上是难挥发的组分。4、什么是露点？把气体混合物在压力不变的条件下降温冷却，当冷却到某一温度时，产生的第一个微小的液滴，此温度叫做该混合物在指定压力下的露点温度，简称露点。处于露点温度下的气体称为饱和气体。从精馏塔顶蒸出的气体温度，就是处在露点温度下。值得注意的是：第一个野地不是纯组分，塔时露点温度下与气相平衡的液相，其组成有相平衡关系决定。由此可见，不同组成的气体混合物，塔的露点是不同的。5.什么是泡点？液体混合物在一定压力下加热到某一温度时，液体中出现的第一个很小的气泡，即刚开始沸腾时的温度叫该液体在指定压力下的泡点温度，简称泡点。处于泡点温度下的液体称为饱和液体，即精馏塔的釜温温度。应该说明，这第一个很小的气泡，也不是纯组分，它的组成也是有相平衡关系决定的。6、什么是沸点？当纯液体物质的饱和蒸汽压等于外压时，液体就会沸腾，此时的温度叫做该液体在指定压力下的沸点。纯物质的沸点是随外界压力的变化而改变的。当外界压力增大时，沸点升高，外界压力降低时，沸点降低。对于纯物质来说，在一定压力下，泡点、露点、沸点均为一个数值。7什么是潜热？单位重量的纯物质在相变（在没有化学反应的条件下，物质发生了相态的改变，称相变。如水结成冰或水汽化成水蒸气等成为相变过程。）过程吸收或放出的热叫潜热。如1公斤水由液态受热变成水蒸气的过程中所吸收的热叫水的汽化潜热，常用单位为千卡/公斤。值得注意的是，在相变时温度和压力都是不变的，否则不能称之为潜热。因此，在说潜热数值时，要说明在什么温度什么压力下，进行何种相变过程。如1公斤水在760毫米汞柱压力，100摄氏度下汽化，汽化潜热为539.6千卡。相反，在此条件下，水蒸汽冷凝释放出来的热，称为冷凝潜热，数值与上相等。混合物的潜热可以实测或计算，其数值的大小除了和组分的性质有关外，还和组分的含量有关，不是一个固定的数值。8、什么是显热？纯物质在不发生相变和化学反应的条件下，因温度的改变而吸收或放出的热量叫显热。9什么是回流比在精馏过程中，混合液加热后所产生的蒸汽由塔顶蒸出，进入塔顶冷凝器。蒸汽在此冷凝（或部分冷凝）成液体，将其一部分冷凝液返回塔顶沿塔板下流，这部分液体叫做回流液；将另一部分冷凝液（或未凝蒸汽）从塔顶采出，作为产品。回流比就是回流液量与采出量的重量比，通常以通常以R来表示，即

R=L/D

式中R-回流比

L-单位时间内塔顶回流液体量，公斤/小时。

D-单位时间内塔顶采储量，公斤/小时。10、什么是最小回流比？在规定的分离精度要求下，即塔顶、塔釜采出的组成一定时，逐渐减少回流比，此时所谓的理论板数逐渐增加。当回流比减少到某一数值时，所需的理论板数增加至无数多，这个回流比的数值，成为完成该项预定分离任务的最小回流比。通常操作时的实际回流比取为最小回流比的1.3～2倍。11、什么是全回流？在精馏操作中，把停止塔进料、塔釜出料和塔顶出料，将塔顶冷凝液全部作为回流液的操作，成为全回流。全回流操作，多半用在精馏塔的开车初期，或用在生产不正常时精馏塔的自生循环操作中。12.什么是液泛？在精馏操作中，下层塔板上的液体涌至上层塔板，破坏了塔的正常操作，这种现象叫做液泛。

液泛形成的原因，主要是由于塔内上升蒸汽的速度过大，超过了最大允许速度所造成的。另外在精馏操作中，也常常遇到液体负荷太大，使溢流管内液面上升，以至上下塔板的液体连在一起，破坏了塔的正常操作的现象，这也是液泛的一种形式。以上两种现象都属于液泛，但引起的原因是不一样的。13.什么是雾沫夹带？雾沫夹带是指气体自下层塔板带至上层塔板的液体雾滴。在传质过程中，大量雾沫夹带会使不应该上到塔顶的重组分带到产品中，从而降低产品的质量，同时会降低传质过程中的浓度差，只是塔板效率下降。对于给定的塔来说，最大允许的雾沫夹带量就限定了气体的上升速度。

雾抹夹带影响雾沫夹带量的因素很多，诸如塔板间距、空塔速度、堰高、液流速度及物料的物理化学性质等。同时还必须指出：雾沫夹带量与捕集装置的结构也有很大的关系。虽然影响雾沫夹带量的因素很多，但最主要的影响因素是空塔速度和两块塔板之间的气液分离空间。对于固定的塔来说，雾沫夹带量主要随空塔速度的增大而增大。但是，如果增大塔板间的距离，扩大分离空间，则相应提高空塔速度。14.什么是液体泄漏？塔板上的液体从上升气体通道倒流入下层塔板的现象叫泄漏。在精馏操作中，如上升气体所具有的能量不足以穿过塔板上的液层，甚至低于液层所具有的位能，这时就会托不住液体而产生泄漏。

空塔速度越低，泄漏越严重。其结果是使一部分液体在塔板上没有和上升气体接触就流到下层塔板，不应留在液体中的低沸点组分没有蒸出去，致使塔板效率下降。因此，塔板的适宜操作的最低空塔速度是由液体泄漏量所限制的，正常操作中要求塔板的泄漏量不得大于塔板上液体量的10%。泄漏量的大小，亦是评价塔板性能的特性之一。筛板、浮阀塔板和舌形塔板在塔内上升气速度小的情况下比较容易产生泄漏。15.什么是返混现象？在有降液管的塔板上，液体横过塔板与气体呈错流状态，液体中易挥发组分的浓度降沿着流动的方向逐渐下降。但是当上升气体在塔板上是液体形成涡流时，浓度高的液体和浓度低的液体就混在一起，破坏了液体沿流动方向的浓度变化，这种现象较做返混现象。返混现象能导致分离效果的下降。

返混现象的发生，受到很多因素的影响，如停留时间、液体流动情况、流道的长度、塔板的水平度、水力梯度等。精馏塔的操作1.精馏操作的影响因素有哪些?除了设备问题以外，精馏操作过程的影响因素主要有以下几个方面：塔的温度和压力（包括塔顶、塔釜和某些有特殊意义的塔板）；进料状态；进料量；进料组成；进料温度；塔内上升蒸汽速度和蒸发釜的加热量；回流量；塔顶冷剂量；塔顶采出量和塔底采出量。塔的操作就是按照塔顶和塔底产品的组成要求来对这几个影响因素进行调节。2.精馏塔操作压力的变化对精馏操作有什么影响?塔的设计和操作都是基于一定的压力下进行的，因此一般的精馏塔总是先要保持压力的恒定。塔压波动对塔的操作将产生如下的影响:（1）影响产品质量和物料平衡改变操作压力，将使每块塔板上的气液相平衡的组成发生改变。压力升高，则气相中的重组份减少，相应的提高了气相中的轻组分的浓度；液相中的轻组分含量增加，同时也改变了气液相的重量比，使液相量增加，气相量减少。总的结果是：塔顶馏分中的轻组分浓度增加，但数量却相对减少；釜液中的轻组分浓度增加，釜液量增加。同理，压力降低，塔顶馏份的数量增加，轻组分浓度降低；釜液量减少，轻组分浓度减少。正常操作中应保持恒定的压力，但若操作不正常，引起塔顶产品中重组分浓度增加时，则可采用适当升高操作压力的办法，使产品质量合格，但此时液相中轻组分的损失增加。（2）改变组分间的相对挥发度压力增加，组分间的相对挥发度降低，分离效率下降，反之亦然。（3）改变塔的生产能力压力增加，组分的重度增大，塔的处理能力增大。（4）塔压的波动这将引起温度和组成间对应关系的混乱。我们在操作中经常以温度作为衡量产品质量的间接标准，但这只有在塔压恒定的情况下才是正确的。当塔压改变时，混合物的露点、泡点发生改变，引起全塔的温度分布发生改变，温度和产品质量的对应关系也将发生改变。

从以上分析来看，改变操作压力，将改变整个塔的工作状况，因此在正常操作中应维持恒定的压力，只有在塔的正常操作受到破坏时，才可以根据上述分析，在工艺指标允许的范围内，对塔的压力进行适当的调整。在精馏操作过程中，进料量、进料组成和进料温度的改变，塔釜加热蒸汽量的改变、回流量、回流温度、塔顶冷剂量的改变以及塔板的堵塞等，都有可能引起塔压的波动，此时我们应先分析塔压波动的原因，及时处理，使操作恢复正常。精馏操作中影响塔压变化的因素有哪些?该如何调节?

影响塔压变化的因素有以下几个方面：塔顶温度；塔釜温度；进料组成；进料流量；回流量；冷剂量；冷剂压力等的变化以及仪表故障、设备和管道的冻堵，都可以引起塔压的变化。

在生产中，当以上因素变化引起塔压变化时，控制塔压的调节机构就会自动动作，使塔压恢复正常。当塔压发生变化时，首先要判断引起变化的原因，而不要简单地只从调节上使塔的压力恢复正常，要从根本上消除变化的原因，才能不破坏塔的正常操作。例如：当冷剂量不足或塔顶冷凝其设备出现故障时引起塔压升高时，若不采取正常的处理方法，而只是加大塔顶采出量来恢复正常的塔压，就有可能使重组份带到精馏段，造成塔顶产品质量不合格。又如，釜温过低引起塔压降低时，若不提釜温，而单靠减少塔顶采出量来恢复正常塔压，将造成釜液中轻组分大量增加。当釜温突然升高，引起塔压上升时，重要的是恢复塔釜正常的温度，而不是单靠增加冷剂量和加大塔顶采出量来降低塔压；否则将容易产生液泛，破坏塔的正常操作。由于设备原因而影响了塔压的正常调节时，应当考虑改变其他操作因素以维持生产，严重时则要停工检修。3.进料状态对精馏操作有什么影响?当进料状况发生变化（回流比、塔顶馏出物的组成为规定值）时，影响到提馏段回流量的改变，从而使提馏段操作线方程式改变，进料板的位置也随之改变，将引起理论塔板数和精馏段、提馏段塔板数分配的改变。对于固定进料状况的某个塔来说，进料状况的改变，将会影响到产品质量及损失情况的改变。进料情况有五种（1）冷进料；（2）泡点进料；（3）气液混合进料；（4）饱和蒸汽进料；（5）过热蒸汽进料。例如，某塔应为泡点进料，当改为冷液进料时，则精馏段塔板数过多，提馏段塔板数不足，结果是塔顶产品质量可能提高，而釜液中的轻组分的蒸出则不完全。若改为气液混合进料或者饱和蒸汽、过饱和蒸汽进料，则精馏段的塔板数不足，提馏段的塔板数过多，其结果是塔顶产品种重组分含量超过规定，釜液中轻组分含量比规定值低，同时增加了塔顶冷剂的消耗量，减少了塔釜的热剂消耗。

生产中多用泡点进料，此时，精馏段、提馏段上升蒸气的流量相等，故塔径也一样，设计计算也比较方便。4.进料量的大小对精馏操作有什么影响?（1）进料量变动范围不超过塔顶冷凝器和加热釜的负荷范围时，只要调节及时得当，对顶温和釜温不会有显著的影响，而只影响塔内上升蒸汽速度的变化。进料量增加，蒸汽上升的速度增加，一般对传质是有利的，在蒸汽上升速度接近液泛速度时，传质效果为最好。若进料量再增加，蒸汽上升速度超过液泛速度时，则严重的雾沫夹带会破坏塔的正常操作。进料量减少，蒸汽上升速度降低，对传质是不利的，蒸汽速度降低容易造成漏液，降低精馏效果。因此，低负荷操作时，可适当的增大回流比，提高塔内上升蒸汽的速度，以提高传质效果。应该说明，上述结论是以进料量发生变动时，塔顶冷剂量或釜温热剂量均能作相应的调整为前提的。（2）进料的变动范围超出了塔顶冷凝器或加热釜的负荷范围，此时，不仅塔内上升蒸汽的速度改变而且塔顶温度、塔釜温度也会相应的改变，致使塔板上的气液相平衡组成改变，塔顶和塔釜馏分的组成改变。

例如，液相进料时，若进料量过大，则引起提馏段的回流也很快增加，在热剂不够的前提下，将引起提馏段温度降低，釜温中轻组分浓度增大，釜液的流量增大，这同时也会引起上升蒸汽中轻组分量增加，致使全塔温度下降，顶部馏出物中的轻组分纯度提高。当气液两相混合进料时，若进料量突然增加过快，将使精馏段内蒸汽量突然增加，同时使提馏段内回流液量也突然增加，在冷剂、热剂不够的前提下，前者是精馏段的温度上升，后者是提馏段的温度下降；前者引起塔顶馏分中重组份浓度增加，使产品质量不合格，后者引起塔釜馏份中轻组分的浓度增加，损失加大。

当全部为气相进料，进料量突然增加过大时，首先应想到是精馏段内上升蒸汽的量突然增加，随之而来的是塔顶的气相馏出物量增加，回流比减小，塔顶温度上升，提馏段的温度上升。前者使塔顶产品中重组分含量增加，塔内回流液体中中组份含量也增加；后者使塔底产品中重组份的浓度增加。综上所述，不管进料状况如何，进料量过大的波动，将会破坏塔内正常的物料平衡和工艺条件，造成塔顶、塔釜产品质量不合格或者物料损失增加。因此，应尽量使进料量保持平衡，即使在需要调节时，也应该缓慢进行。

5.进料组成的变化对精馏操作有什么影响?进料组成的变化，直接影响精馏操作，当进料中重组分的浓度增加时，精馏段的负荷增加。对于固定了精馏段板数的塔来说，将造成重组份带到塔顶，使塔顶产品质量不合格。

若进料中的轻组分的浓度增加时，提馏段的负荷增加。对于固定了提馏段塔板数的塔来说，将造成提馏段的轻组分蒸出不完全，釜液中轻组分的损失加大。同时，进料组成的变化还将引起全塔物料平衡和工艺条件的变化。组份变轻，则塔顶馏分增加，釜液排出量减少。同时，全塔温度下降，塔压升高。组份变重，情况相反。进料组成变化时，可采取如下措施。

（1）改进料口。组份变重时，进料口往下改；组份变轻时，进料口往上改。

（2）改变回流比。组份变重时，加大回流比；组份变轻时，减少回流比。

（3）调节冷剂和热剂量。根据组成变动的情况，相应地调节塔顶冷剂和塔釜热剂量，维持顶、釜的产品质量不变。6.进料温度的变化对精馏操作有什么影响？进料温度的变化对精馏操作的影响是很大的。总的来讲，进料温度降低，将增加塔底蒸发釜的热负荷，减少塔顶冷凝器的冷负荷。进料温度升高，则增加塔顶冷凝器的冷负荷，减少塔底蒸发釜的热负荷。当进料温度的变化幅度过大时，通常会影响整个塔身的温度，从而改变气液平衡组成。例如：进料温度过低，塔釜加热蒸汽量没有富余的情况下，将会使塔底馏份中轻组份含量增加。进料温度的改变，意味着进料状态的改变，而后者的改变将影响精馏段、提馏段负荷的改变。因此，进料温度是影响精馏塔操作的重要因素之一。7.回流比的大小对精馏操作有什么影响？操作中改变回流比的大小，以满足产品的质量要求是经常遇到的问题。当塔顶馏份重组份含量增加时，常采用加大回流的方法将重组份压下去，以使产品质量合格。当精馏段的轻组份下到提馏段造成塔下部温度降低时，可以用适当减少回流比的方法以使釜温度提起来。增加回流比，对从塔顶得到产品的精馏塔来说，可以提高产品质量，但是却要降低塔的生产能力，增加水、电、气的消耗。回流比过大，将会造成塔内物料的循环量过大，甚至能导致液泛，破坏塔的正常操作。其它影响精馏操作的因素精馏塔的操作应该掌握好哪三个平衡?（1）物料平衡体现了塔的生产能力，它主要是靠进料量和塔顶、塔底采储量来调节。当塔的操作不符合总的物料平衡式时，这可以从塔压差的变化上看出，进得多，取得少，则塔压差上升。对于一个固定的精馏塔来说，塔压差应该在一定范围内。塔压差过大，说明塔内上升的蒸汽速度过快，雾沫夹带严重，甚至发生液泛，破坏塔的正常操作；塔压差过小，表明塔内上升蒸汽的速度过小，塔板上的气液湍动的程度过低、传质效果差，使塔板产生漏液，降低塔板效率。

如果精馏塔不符合对某组分的物料平衡式时，将有两种表现：

A、轻组分的采出量超过了物料平衡的量，在这种情况下，将使塔内的物料组成变重，全塔的温度逐步升高，塔顶馏分中重组份的浓度增加，以致使质量不合格。

B、另一种情况是重组份的采出量超过了物料平衡的量，全塔的物料组成将随着操作的进行而逐渐变轻，塔身温度下降，特别是釜温明显下降，釜液中轻组分的浓度增加。

由此可见，物料平衡掌握不好，将使整个塔的操作处于混乱状况，达不到预期的目的。另外，如果正常的物料平衡受到破坏，那么，气液相平衡也达不到预想的效果，随之而来的热量平衡也得重新调整。所以物料平衡是塔操作中的一个关键