高等分离工程小论文

高等分离工程小论文【摘要】精馏技术因其独特的优势在化工工业中日益受到重视，已在多个领域实现了工业化，对某些新领域的开发也取得了一定的进展。

本文从理论和实际两方面对精馏做了简单的介绍，包括定义、分类、原理、应用等方面，本文也对已在工业生产中占有一定的地位特殊精馏做了详细的介绍，旨在更进一步了解有关精馏方面的问题。

【关键词】精馏精馏原理特殊精馏【正文】混合物的分离是化工生产中的重要过程。

精馏馏是分离液体混合物的典型单元操作。

它是通过加热造成气、液两物系，利用物系中各组成部分挥发度不同的特性以实现分离的目的。

1. 精馏概念同时多次进行部分气化和部分冷凝的方法，使混合液较完全分离，获得接近纯组分的单元操作。

精馏是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。

1.1 精馏的分类（1）根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；（2）根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；（3）根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏，包括萃取精馏、恒沸精馏、加盐精馏，变压精馏和分子蒸馏。

此外，若精馏过程伴有化学反应，则称为反应精馏。

普通精馏1.2 精馏原理在精馏过程中，由塔釜产生的蒸汽沿塔逐板上升与来自塔顶逐板下降的回流液在塔板上多次部分汽化部分冷凝，进行传热与传质，使混合液达到一定程度的分离。

回流是精馏操作的必要条件，塔顶的回流量与采出量之比称为回流比。

回流比是精馏操作的主要参数，它的大小直接影响精馏操作的分离效果和能耗。

若塔在最小回流比下操作，要完成分离任务，则需要无穷多块塔板，在工业上是不可行的。

若在全回流下操作，既无任何产品的采出，也无任何原料的加入，塔顶的冷凝液全部返回到塔中，这在生产中也无任何意义。

但是，由于此时所需理论板数最少，易于达到稳定，故常在科学研究及工业装置的开停车及排除故障时采用。

通常回流比取最小回流比的1.2～2.0倍。

1.2.1多次部分冷凝如图：将组成为XF，温度为TA的混合液加热到气液共存区，使其部分气化，并将气液两相分开，气相组成为Y1，液相组成为X1，且Y1>X f>X1，部分分离。

将产生的组成为Y1的饱和蒸汽部分冷凝到T1出现新的气液平衡，气相组成为Y2，液相组成为X2且Y2>Y1。

再将温度为T1组成为Y2的饱和蒸汽冷凝到T2出现新平衡，气相组成为Y3，Y3 >Y1。

1.2.2多次部分汽化将组成为X1的饱和液体加热T3，使其部分气化，这时又出现新的气液平衡，将气液两相分开，液相组成为X2’。

再将组成为X2’的饱和液体部分气化，如此类推，最终可得易挥发组分浓度很低，接近于纯净的难挥发组分的液相。

1.2.3精馏的相图解释将第一级溶液部分汽化所得气相产品在冷凝后再在第二级中进行部分汽化所得气相组成y2，且y2必大于y1.可见这种部分汽化的次数（即级数）愈多，所得到的蒸汽浓度也愈高，最后可得到几乎为纯态的易挥发组分。

同理，若将从各分离器得到的液相产品分别进行多次部分汽化和分离，那么这种级数愈多，得到液相产品的组分愈低，最后可得到几乎纯态的难挥发组分。

1.3装置缺陷及解决原理基于以上理论我们不难理解精馏的原理，但是实际的精馏操作却存在以下两个问题：（1）分离过程得到许多中间馏分，影响纯产品的收率；（2）设备庞杂，能量消耗大。

因此，上述流程工业上是不可能利用的。

只有想办法解决了上两个问题后才能加以采用。

在实验室中和工业生产中又是怎样解决这个问题的呢？现阶段我们采用了经典的回流操作，此方法能有效地解决中间馏分多和能源消耗大的缺点，下面我们来看看回流操作流程。

由图可知，第二级液相产品组成X2小于第一级原料液组成X f 。

但两者较为接近，因此X2可返回与X f相混合。

同时，让第三级所产生的中间产品X3与第二级的料液Y1混合，这样就消除了中间产品，提高了最后产品的收率。

此外，当第一级所产生蒸气Y1与第三级下降的液相X3直接混合时，由于液体温度T3低于气相温度T1，因此高温蒸气将加热低温的液体，而使液体部分气化，而蒸气本身则被冷却冷凝。

因此，不同温度且互不平衡的气液两相接触时，避孕药然会同时产生传热和使质的双重作用，所以使上一级液相回流（如液相X3）与下一级的气相（如气相Y1）直接接触，就可以变为如图工业上所采用的流程，而省去了中间加热器和冷凝器。

从上分析可知，将每一级中间产品迫回到下一级中，不仅可提离产品的收率，且是过程进行的必不可少条件。

例如，对第二级而言，如没有液体X3回流到Y1中，而又无中间加热器和冷嘲热冷凝器，那么就不含有溶液的部分气化和蒸气的部分冷凝，第二级也就没有分离作用。

显然，每一级都需有回流液，那么，对于最上一级（图中第三级）而言，将Y3冷凝后不是全部作为产品，而把其中一部分返回与Y2相混合，这是最简单的回流方法。

通常，将引回设备的部分产品称为回流。

因此，回流是保证精馏过程连续稳定操作必不可少的条件之一。

上面分析是增浓混合液中易挥发组分的情况。

对增浓难挥发组分来说，原理是完全相同的。

此时，将加热器移至底部，使难挥发组分组成最高的蒸发进入最下一级，显然这部分蒸气只能由最下一级下降的液体部分气化而得到，此时气化所需的热量由加热器（称为再沸器）供给。

所以在再沸器中，溶液的部分气化而产生上升蒸气，如同设备上部回流一样，是精馏得以连续稳定操作的另一个必不可少条件。

1.4精馏的工业生产装置如图所示为典型的连续精馏流程装置简图。

由图可知，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。

在每层板上，回流液与上升蒸气互相接触，进行使热和使质过程。

操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（斧残液），部分液体气化，产生生升蒸气，依次通过各层塔板。

塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液体，蓁部分经冷却器冷却后被送出作为塔顶产品（馏出液）。

装置部件的作用塔顶冷凝器的作用: 获得塔顶产品及保证有适宜的液相回流。

再沸器的作用: 提供一定量的上升蒸气流. 保证精馏过程连续稳定操作。

精馏段:加料板以上的塔段.上升汽相中重组分向液相传递，液相中轻组分向汽相传递，完成上升蒸气轻组分精制。

提馏段:加料板及其以下的塔段.下降液体中轻组分向汽相传递，汽相中重组分向液相传递，完成下降液体重组分提浓。

间歇精馏操作流程装置与连续精馏不同的是原料液一次加入塔斧中，而不是连续加入精馏塔。

因此间歇精馏只有精馏段，而没有提馏段。

同时，因间歇精馏斧液浓度不断地变化，故产品组成也逐渐降低。

当斧中的液体过到规定的组成后，精馏操作即被停止。

2.特殊精馏特殊精馏包括：反应精馏、分子精馏、膜精馏、渗透精馏、萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏等。

只选取几个进行讨论。

2.1 反应精馏反应精馏(Reactive Distillation简称RD)是蒸馏技术中的一个特殊领域。

它是化学反应与精馏分离两种过程相耦合的化工过程。

反应精馏工艺与传统生产工艺相比，具有选择性高、转化率高、生产能力高、产品纯度高、投资少、操作费用低、能耗低等特点［1］。

反应精馏技术的使用也有如下限制：精馏必须是分离反应物和产物的可行方法；化学反应必须是液相反应，催化剂应该充分润湿；反应停留时间不能过长；反应温度和泡点温度一致；反应不能是强吸热反应；催化剂寿命至少1～2 a［2］；在同一设备中进行的反应精馏耦合过程要求化学反应和精馏过程的操作工况(温度和压力)一致。

在研究和开发反应精馏工艺时，对这些限制应给予充分注意。

2.1.1反应精馏工艺的开发方法反应精馏的开发步骤如图2所示当设想用反应精馏工艺取代常规的反应／分离工艺或用反应精馏开发新产品时，首先要判断该物系是否具备采用反应精馏的基本条件，不存在制约反应精馏的限制，然后，通过查阅文献，实验测定等多种渠道获得所研究物系有关化学反应和分离过程的基础数据，在此基础上进行概念设计，探讨采用反应精馏工艺的可行性，确定原则流程。

上述开发阶段称之为可行性研究，是进一步开展实验研究和模拟计算的基础和先决条件。

在完成可行性研究后，按实验室研究、中试实验等实验手段以及在热力学、动力学、传递性质基础数据测定基础上的数学模拟，2条途径进行开发，实验和模拟工作相辅相成，不断深化和完善，实现过程的最优化。

在确定反应精馏过程的优越性和有效性并得到较适宜的工艺条件后可实施过程放大。

2.1.2反应精馏的工业应用反应精馏技术适用于多种类型的反应，如连串反应，可逆反应，但更多应用于转化率受化学平衡限制的反应体系。

目前，该技术工业规模的应用仅仅限于醚化、酯化、水解和烷基化等反应，下面就反应精馏在化工生产中的应用作简要叙述。

（1）烷基化乙烯与苯烷基化的CD塔由2部分组成，上部装填特殊设计的捆扎包，内装Y型分子筛，下部安装精馏塔板，乙烯从催化剂层低部进料，苯从回流罐进塔，过程的特点是反应温度受泡点温度制约，避免反应区热点的生成，提高了催化剂的寿命；副产物二异丙苯和三异丙苯返回CD塔，与苯进行烯烃转移反应生成更多的异丙苯；消除了大量苯的循环；反应放热有效利用。

与传统工艺比较，CD过程节能50％，投资降低25 ％。

美国CDTECH公司开发了生产乙苯的CD过程，现有2套工业生产装置，总生产能力约850 kt/a。

丙烯与苯烷基化的CD工艺与上述过程相似，也是美国CDTECH公司开发的CD技术，催化剂为Y、ct，或p型分子筛，催化剂寿命大于2a，由于CD有效地提高了与催化剂接触的液相主体中苯／乙烯的摩尔比，故异丙苯收率超过99，目前有2套工业装置在运行，一套在俄罗斯的Nizhny Nov—grod，生产能力为170 kt/a。

另一套在中国台湾化学品和纤维公司，生产能力240 kt/a［3］。

（2）醚化反应甲基叔丁基醚(MTBE)是应用CD技术第1个取得工业化成功的产品。

该过程与传统流程相比具有无反应器的外部循环和冷却；通过预反应有效脱除催化剂毒物，延长催化剂的使用寿命；充分利用反应放出的热量；反应物转化率高以及产品纯度高等特点。

美国C．R．& L．公司首先开发了MTBE催化精馏技术，并于1981年在Charter International Oil公司的Huston炼油厂建成日产222．6m。

MTBE的工业生产装置，异丁烯转化率大于99.9％，比固定床提高3 ～4％。

类似的醚化工业过程还有甲基叔戊基醚(TAME)，乙基叔丁基醚(ETBE)等的生产。

CD TAME过程的转化率大于90％，比固定床提高20％。

2.2 萃取精馏2.2.1萃取精馏原理萃取精馏作为一种分离络合物、近沸点混合物及其他低相对挥发度混合物技术,在石油化学工业中的1 ,3-丁二烯的分离、芳烃抽提、乙醇/水分离、环己烷提纯等过程得到广泛的应用。