精馏实验技术与装备

精馏是常用的化工单元操作之一，有悠久的应用历史，我国早 在元朝就在白酒生产中开始应用。精馏技术就是将生产中所需要的混 合物，利用精馏技术按照混合物不同的挥发度，实现混合物有效分离 的一项工业技术。在生产中，一般是利用精馏塔进行精馏作业，利用 气体与液体的逆流二相接触产生的动量、热量和质量的传递，实现物 质的有效分离。由于一般不需要加入其它组分，从分离目的的角度看， 精馏是合理而简单的分离手段，但精馏又是一种需要加热和冷凝的 过程，精馏技术在实际应用中产生大量的能源消耗，导致生产能源消 耗增加。以上二个因素使人们对精馏技术“又爱又恨"。因此开展对降低精馏能源消耗问题的研究，即所谓绿色精馏技术，是目前研究的 热点之一。 根据操作方式，精馏可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的 组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响 气液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏（包括萃取精馏、共 沸精馏和外场下的精馏）。若伴有化学反应，则称为反应精馏。 由于精馏过程必须是在汽液（气液）共存条件进行，故精馏设备 又称为气-液传质设备，是化工及相关过程工业应用最多的设备之一， 气-液传质设备型式类别众多，主要可以分为填料塔和板式塔。 填料塔的构造比较简单，塔体一般为圆筒形，两端有封头，并装 有气、液相进、出口接管。填料塔作为传质设备，主要是提供润湿的 填料表面使气、液两相达到良好的接触。为此在空塔中放入具有一定 形状的填料。填料可以散堆也可以整砌而成为填料层。填料置于支承 装置之上，在填料层的上部装有床层限位装置。为了使液体尽可能均匀地喷淋在填料层的顶部，塔内设有液体分布装置。在操作时液体从 塔顶喷淋而下，沿填料表面呈膜状流动，自塔底排出；而气体则从塔 底进入，自下而上流动，与填料表面的液膜接触进行传质，然后自塔 顶排出。由于填料层中的液体有向塔壁流动的倾向(壁流效应)，故当 填料层较高时，需将其分为若干段，每两段之间设有液体收集装置和 再分布装置。 填料塔不仅结构简单，而且具有气体处理能力大、流动阻力小和 便于用耐腐蚀材料制造等优点，尤其适用于塔直径较小的情况及要求 压降较小的真空蒸馏系统。 板式塔的塔型很多，最早在工业上应用的有泡罩塔(1813 年)和 筛板塔(1832 年)，随着石油化学工业的发展，先后出现了许多新型 塔，如浮阀塔、波纹筛板塔、斜孔筛板塔、多降液管塔和固定阀塔等。 板式塔与填料塔不同，它属于逐级接触式气-液传质设备，塔板 上气、液接触的良好与否和塔板结构及气、液两相相对流动情况有关。 上一层塔板上的液体由降液管流至塔板上，并经过板上由另一侧的降 液管流至下一层塔板上。而下一层板上升的气体(或蒸气)经塔板上的 鼓泡元件，以鼓泡的形式穿过塔板上的液体层，并在此进行气、液接 触传质。离开液层的气体继续升至上一层塔板，再次进行气、液接触 传质。由此经过若干层塔板，进行多次的气、液接触和分离，最终达 到要求的传质目的。塔板上的鼓泡层高度由塔板结构和气、液两相流 量而定。在塔板结构和液量已定的情况下，鼓泡层高度随气速而变。 通常在塔板以上形成三种不同状态的区间，靠近塔板的液层底部属鼓 泡区，在液层表面属泡沫区，在液层上方空间属雾沫区。这三种状态 都能进行气、液接触传质作用，其中泡沫状态的传质效果尤为良好。 当气速不很大时，塔板上以鼓泡区为主，传质效果不够理想。随着气速增大至一定值，泡沫区增加，传质效果明显改善，相应的雾沫夹带 量虽有增加，但还不至于影响传质效果。如果气速超过一定范围，则 雾沫区显著增大，雾沫夹带过量，严重影响传质效果。为此，在板式 塔中必须在适宜的液体流量和气速下操作，才能达到良好的传质效果。 精馏技术虽然多年应用广泛，但由于其为流体热量、质量和动能 三种传递过程同时进行的过程，是化工单元操作中最为复杂的单元操作之一。