精馏在化工生产中的应用

精馏在化工生产中的应用摘要精馏是利用混合物中各组分挥发度的差异进行分离的操作单元。它被广泛地应用于工业生产中,并且在所有的分离方法中长期占据着主导地位。在化学工程中,最典型和最重要的多级分离过程是精馏过程,各种节能的、特殊的精馏分离流程得到快速的发展。本文将对精馏技术的原理、发展、应用及前景做出讨论,并浅谈几种新型的精馏工艺,旨在使精馏技术得到更广泛的发展和应用。Abstract：Distillationistheuseofthedifferenceinthevolatilecomponentsofthemixturewereseparatedintheoperationunit,itiswidelyusedinindustrialproduction,andallthelong-termseparationdominates.Inchemicalengineering,themosttypicalandmostimportantmulti-stageseparationprocessisdistillationprocess,avarietyofenergy-saving,specialdistillationseparationprocessesarerapiddevelopment.Thisarticlewilldistillationtechnologyprinciple,thedevelopment,applicationandprospectstomakediscussionsandonseveralnewdistillationprocess,distillationtechnologyhasbeendesignedtoenablethedevelopmentandwiderapplication.1.蒸馏与精馏的原理液体具有挥发而成为蒸汽的能力。各种液体的挥发能力不同，因此，液体混合物汽化后所生成的蒸汽组成与原来液体的组成是有差别的。蒸馏是通过加热造成气液两项体系，利用液体混合物各组分挥发性的差别或沸点的差别实现组分的分离提纯的一种操作。若将混合液加热令其部分部分汽化，则挥发性高的组分，即沸点低的组分（称为易挥发组分或轻组分）在汽相中的浓度比液相中的浓度要高；而挥发性低的组分，即沸点叫高的组分（称为难挥发组分或重组分）在液相中的浓度要比在汽相中的高。例如：在容器中将苯和甲苯的混合液加热使之部分汽化，由于苯的挥发性能比甲苯强（即苯的沸点比甲苯的低），汽化出来的蒸汽中苯的浓度必然比原来的液体中的要高。当汽，液两相达到平衡后，将蒸汽抽出并使之冷凝，则得到的冷凝液中苯的含量比原来溶液要高。留下的残液中，甲苯的含量要比原来的溶液要高。这样混合液就实现了初步分离。多次进行部分汽化或部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就叫做精馏。2.精馏的概念及发展精馏过程是分离液体混合物的一种方法,在石油炼制、石油化工及化学工业中占有重要的地位,一般在化工厂的基建投资中通常占有50一90%的比重。为此了解分离过程,选择、设计和分析分离过程中的各参数是非常重要的。[1]蒸馏是有着悠久的历史的单元操作,早在公元初,人们已应用蒸馏来提浓酒精饮料。9世纪初,相继出现了泡罩塔填料塔和筛板塔。本世纪初,蒸馏技术已从酒精的提浓扩展为化学工业中的主要分离方法,广泛应用于原油分离制取各种油品。随着石油工业、化学工业的发展,特别是石油化工的发展,无论在精馏装置的规模上,还是在分离的难度上,都提出了更高的要求,新型分离设备不断涌现,各种节能的、特殊的精馏分离流程得到发展,精馏的设计方法逐步实现了规范化,先进的精馏优化控制方案不断被开发并获得应用,精馏技术的发展已达到了相当成熟的程度。3.精馏主要设备及过程精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定地进行。而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也叫残液），一部分则经再沸器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸气气流。4．精馏几种简单分类及特点（l）平衡闪蒸气化和部分冷凝单级分离过程即为一般闪蒸过程和部分冷凝过程,进料以某种方式被加热使其发生部分气化,经过减压装置,在闪蒸塔内使汽液两相迅速分离,得到含易挥发组分较多的蒸气,称为闪蒸过程。若与之相反,把蒸气进料部分冷凝,得到含难挥发组分较多的液体,称为部分冷凝过程。在上述过程中,如果气、液两相有足够的时间与紧密接触而达到了平衡状态,则这种方式称为平衡气化或平衡冷凝,适应于对分离纯度要求不高的场合。2)逐次气化也称“微分蒸馏”即一定量的混合液体在釜中被加热使之逐渐进行气化,产生的蒸气被引出,并经过冷却后将其收集起来。微分蒸馏是一种非稳态过程,分离程度不高,工业应用很少,一般多在实验室分析中使用。2.1.1连续多级蒸馏多级连续蒸馏即精馏,是化工装置中常用的蒸馏方法,进料连续地引入某一中间位置的板上,该板液体组成大体与进料组成相同,塔顶、塔底连续引出合格产品，塔顶设有冷凝器使蒸气冷凝并部分回流,塔底有再沸器产生蒸气送回塔内。蒸馏塔内建立温度和浓度梯度连续多级蒸馏的分离效果远优于平衡气化和微分蒸馏。2.1.2分批蒸馏在许多化工过程中,所处理的液体混合物可能要分批进行,或者是产量小,或者是浓度经常改变,或者是要求用同一个塔分离多组分混合物成为几个不同馏分等。此时,需采用分批蒸馏(或称间歇蒸馏)首先将被分离的原料液整批全部装入蒸馏塔的塔釜中,然后通过塔釜加热,使所产生的蒸气进入塔内逐渐上升,然后在塔顶冷凝,部分采出作为塔顶产品,与单级的微分蒸馏不同,分批蒸馏可以是多级的,并采用部分冷凝液作为液体回流,使塔内气!液保持接触,这与连续蒸馏类似。在操作过程中,塔釜中的液体连续减少,塔顶产品在馏出液接收罐中积累。分批蒸馏可以通过改变回流比或压力,以达到馏出不同馏分的目的。它属于一种不稳态过程,适用于小型、多品种产品的工厂。2.2特殊蒸馏2.2.1萃取蒸馏在化工过程中,有许多溶液组分的沸点很相近或相对挥发度很接近于1,用常规蒸馏的方法需要很多的板数,萃取蒸馏就是用加入第三组分的方法,分离沸点相差微小的溶液,加入的第三组分称为萃取剂。溶剂是萃取精馏技术的关键或核心,不同的分离体系必须采用不同的溶剂,根据被分离体系的性质,溶剂应与被分离体系的某一个组分有较强交互作用、而与另一个被分离组分有较弱交互作用。[6]萃取剂的选择要考虑以下几点:萃取剂的选择性要大,即萃取剂的加入应使原组分间的相对挥发度有较显著的变化。萃取剂的沸点要适宜,若沸点太低,萃取剂容易被分离产品所带走,增大了萃取剂的消耗量。一般萃取剂的沸点比原组分的沸点都高。不与任一组分形成共沸物或化学反应,否则溶剂回收就比较复杂。萃取剂的溶解性也要好。2.2.2共沸蒸馏(恒沸蒸馏)大部分非理想混合物,由于分子间相互作用力的结果,往往有共沸现象产生,用一般的蒸馏方法不能把它们分离,共沸蒸馏是通过加入第三组分的办法,分离最低恒沸物,最高恒沸物或沸点相近的物系,加入的第三组分通常称为共沸剂或挟带剂。从分离和经济角度考虑:共沸剂能与被分离组分形成共沸物,且沸点要与纯组分的沸点有足够大的差别。在共沸物中每份共沸剂所挟带的组分要尽可能高,这样共沸剂的用量少,热耗也少,共沸剂容易分离和回收。2.2.3反应蒸馏化学反应和蒸馏是化工生产中常用的两个单元操作,它们通常是在单独的设备中完成的,反应过程在各种形式的反应器中进行,而未反应的反应物、产物和副产物则在蒸馏塔中得到分离反应蒸馏过程即伴有化学反应的蒸馏过程,是将反应和蒸馏两个过程结合在于一个设备中进行。降低设备的投资和能耗,但不是所有的反应过程和蒸馏过程都可以合成反应蒸馏过程。反应蒸馏过程仅适合于反应和蒸馏相匹配的情况,而对于高温、高压下的气相反应就不能采用。自七十年代以来,反应蒸馏的研究不再限于均相反应,已扩大到非均相催化反应系统,出现了催化蒸馏过程,即将催化剂粒子布于蒸馏塔中,它既有加速组分间化学反应的作用,还起到了填料的作用,其应用将日益广泛。反应精馏技术(ReactiveDistillation,简称RD)最早由Bacchaus于1921年提出,它是将化学反应与精馏分离结合在同一设备中进行的一种耦合过程。[7]自此项技术提出以来,国内外学者对它的研究经历了纯实验、简单的图解和计算以及在计算机上用严格的数学模型进行模拟等不同阶段。反应精馏最大优势在于反应过程的进行和反应产物的转移是在同时进行的。对可逆反应来说,反应产物及时转移出反应区可以驱动反应向正方向进行,另外对于平衡反应,也会得到较高的转化率。反应精馏的优点可以总结为：更高的选择性、转化率、设备集成；更短的反应时间；更低的能耗与投资。[8]2.2.4分子蒸馏与短程蒸馏分子蒸馏是在高真空条件下,蒸发面和冷凝面的间距小于或等于被分离物料的蒸气分子的平均自由程,由蒸发而逸出的分子,不与其它分子碰撞,毫无阻碍地奔射到并凝集在冷凝面上。通常,分子蒸馏在10-3-10-4J/(mmHg)的真空下操作。若操作真空度有所降低(即绝对压力略增加),则冷、热两面的距离有时就略大于蒸气分子平均自由程,这种蒸馏称为短程蒸馏。短程蒸馏与分子蒸馏一般相差不大,但在设计计算时需加入校正系数。2.2.5催化精馏催化精馏（CatalyticDistillation,简称CD）是反应精馏（ReactiveDistillation,简称RD）的一个重要分支,它将催化反应过程和精馏分离过程这两种常见的化工操作单元结合在同一个设备即催化精馏塔中进行,是一种有效的化工过程强化技术。[9-10]催化精馏耦合了催化反应和精馏分离两个过程,使反应物的反应和反应产物的分离同时进行,二者彼此强化。结语化工生产过程中所遇到的液体物料有许多是两个或两个以上组分的均相液体混合物，有的是粗产品与其他物质或溶剂的混合物，有的是两种溶剂的混合物。工艺上往往要求对粗产品进行纯化或将溶剂回收和提纯，例如：石油炼制品的切割，有机合成产品的得提纯，溶剂的回收和废液排放前的达标处理等。蒸馏是分离均相物系最常用的方法和典型的单元操作之一，广泛地应用于化工、石油、医药、食品、冶金及环保等领域。参考文献：[l]化学工程手册编委会.化学工程手册第H篇,北京:化学工业出版社,1979.[2]李天一,用同伦算法模拟复杂精馏过程[D]天津大学化工学院,2004,11.[3]袁传敏,多元物系中分离异松油烯精馏塔的研究[D]昆明理工大学,2001,3.[4]王梦华.精馏过程节能技术探讨[J]齐鲁石油化工,2003,31(9)：324-326．[5]贾邵义,柴诚敬,化工传质与分离过程[J],北京：化学工业出版社,2001,158-160.