精馏过程计算方法研究进展
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第一节 精馏技术现状与发展方向
❖ 精馏是在气液两相逐级流动和接触时进行穿 越界面的质量和热量传递，并实现混合物分 离纯化的化工单元操作过程
❖ 精馏传质分离过程具有极高的复杂性，它涉 及塔板(或填料表面)上气液两相流动的相互 影响、气泡表面流型结构的转化、穿越气液 界面的质量和热量传递之间的相互耦合、气 泡的聚并和分裂与塔板流动、气泡表面流型 的变化以及界面传质和传热等的密切关联等
❖ 措施: ❖ 大功率的固体脉பைடு நூலகம்激光器对体系内部发生的
传递过程进行瞬态全息干涉计量
❖ 非平衡热力学、耗散结构理论和协同论可对 涉及的界面分子相变传递、对整个系统内组 分之间的传递行为、流体流动状态与体系内 基本传递单元(例如泡滴)的形态变化(包括聚 并和分裂)三者之间的动态耦合关系加以描述
4 精馏过程的强化
3 精馏过程的传质动力学研究
❖ 40年代的气泡传质模型建立在拟流体模型的 基础上，即将一个高度不均匀的系统作为均 匀系统来分析
❖ 在精馏过程中最基本的气液传质单元是气泡
❖ 气泡两侧的流体在界面附近不断进行蒸发和 冷凝两种相变过程；气泡在连续相流体中的 运动和传质均具有时空动态变化特性
❖ 现有的理论模型均未考虑两相结构的特点及 其动态变化与两相传质的相互影响
一定的约束条件 ❖ (5)塔板或填料上气体分散相和连续相液体流
型的多样性
2 学科特点
❖ (1)传递过程中存在界面效应 ❖ (2)界面微观结构、组成在传递过程中的随机
变化 ❖ (3)气泡形状的非规则性和影响因素的复杂性。 ❖ (4)流动结构的非均匀性 ❖ (5)界面湍动、传递方向对过程传质和流动的
影响 (6)多组分界面传质的复杂性
6 精馏技术发展现状
❖ 6.1特殊精馏 ❖ 对于组分间相对挥发度相差很小的物系，
可以通过加入第三个组分即质量分离剂来改 变组分间的相对挥发度，通过精馏来实现组 分的分离
❖ 如共沸精馏、萃取精馏，这种过程一般需要 两个塔，以达到分离和回收质量分离剂的目 的
6.2 短程精馏
❖ 在高真空下，由于短程精馏器的加热面 和冷凝面之间距小于或等于被分离物料 分子的平均自由程，当分子在短程精馏 器加热面形成的液膜表面上进行蒸发时， 分子间互不发生碰撞，无阻拦地向冷凝 面运动并在冷凝面上被冷凝，从而使物 料得以分离
5 深化精馏技术的研究方向
❖ 深化精馏研究必须突破传统研究方法 ❖ 在研究思维、分析问题方式上开辟新思
路，寻求新理论，吸收其他学科的最新 研究成果； ❖ 在应用开发上除满足传统工艺的要求外， 要致力于各种新型工业领域的过程开发 和设备设计
5 深化精馏技术的研究方向
❖ 关键
❖ (1)研究深度由宏观平均向微观、由整体平均 向局部瞬时发展
第一节 精馏技术现状与发展方向
❖ 至今关于气液两相界面相变传质和传热及气 泡群传质动力学规律仍处于宏观的和热力学 平衡水平上的研究，尚未发展出能够比较准 确表示过程传递的理论预测方法
❖ 精馏学科目前仍处于半经验阶段
❖ 原因: 过程本身的复杂性，
❖
理论和实验研究手段的不充分
1 精馏分离工程的特点
❖ (1)系统工程性强，传递机理复杂 ❖ (2)分析方法和测试手段要求独特 ❖ (3)设备放大效应严重 ❖ (4)设备中气液两相混合物流体流量之间存在
❖ 宏观: 表观气液运动速度、时均浓度变化、形 状和体积变化
❖ 局部和瞬时结构参数及其变化规律: 如局部瞬 时传质、传热速率、浓度、温度、扩散系数 等的测量，多相流微观动态图象的记录和分 析，气泡在产生、形成、运动和破灭四个过 程中的表面形态的微观动态变化研究
5 深化精馏技术的研究方向
❖ (2)研究目标由现象描述向过程机理转移。 ❖ (3)研究手段逐步高技术化 ❖ 计算技术、光纤技术、激光、超声
❖ 强化精馏和传质过程的主要途径： ❖ 1) 通过改进设备结构； ❖ 刘大江，精馏塔设备的发展，工业科技，2005，
34（2）：31~32 ❖ 张卫兵，刘艳升，精馏塔设备的发展与展望，华
北石油设计，2003，9~11 ❖ 2)引入质量分离剂(包括催化剂、反应组分、吸附剂、
有机活性组分、无机电解质等)提出的各种耦合精馏 技术； ❖ 3) 引入第二能量分离剂(如磁场、电场和激光)。
波、电子等新技术的发展，为精馏研究 提供了先进的测试手段和分析方法，使 深入了解精馏过程中的传递动态属性和 界面的非平衡特征成为可能
5 深化精馏技术的研究方向
❖ (4)研究方法由传统理论向多学科交叉方 面开拓
❖ 近年来，统计理论、分形理论、耗散 结构理论、表面物理化学等均在各自的 领域中取得了重大的成就，同时学科之 间的交叉更加频繁，交叉力度愈加提高
6.2 短程精馏
❖ 特点： ❖ 只要冷热面有足够的温差，可以在任何温度
下进行，可以是不沸腾的精馏过程； ❖ 是不可逆过程； ❖ 分离能力与组分的蒸汽压和相对分子质量之
2 学科特点
❖ 学科的突破性进展在很大程度上均依赖于数 学、物理等相关学科的最新研究成果
❖ 对界面处分子的协同传递特性加以微观或细 观层次的分形动力学探索，还需要从全局的 观点对系统动态演化规律与外界施加的限制 条件的关系进行深入研究
❖ 需要发展动态在线测试方法，以对传输过程 获得体系内状态函数和系统参数随时间变化 的数据
3 精馏过程的传质动力学研究
❖ 发展动向: ❖ 以液相为连续相的气泡和气泡群传质动力学
的研究 ❖ 开发尺度微型化的测试手段，即在微秒或毫
微秒时间间隔内，对各种细小尺寸气泡和液 滴周围发生的瞬时传质和传热，以及界面上 组分的相变过程进行动力学测量研究 ❖ 建立宏观和微观相结合的精馏传质理论
3 精馏过程的传质动力学研究
3 精馏过程的传质动力学研究
❖ 困难: ❖ 液相扩散系数的测量和理论研究方法，与气
体和固体中的扩散相比仍然很不成熟； ❖ 组分穿越界面进行传输时，界面附近各组分
的浓度场随时间的变化情况或界面传质动力 学行为与传递组分的性质直接相关； ❖ 气液两相之间的传质过程本身同时伴有熵增 和负熵两过程，界面处分子的相变对于气泡 表面和邻近流体的物性影响较大，其中表面 张力和粘度的温度效应显著，故直接关系到 动态扩散行为
❖ 精馏是在气液两相逐级流动和接触时进行穿 越界面的质量和热量传递，并实现混合物分 离纯化的化工单元操作过程
❖ 精馏传质分离过程具有极高的复杂性，它涉 及塔板(或填料表面)上气液两相流动的相互 影响、气泡表面流型结构的转化、穿越气液 界面的质量和热量传递之间的相互耦合、气 泡的聚并和分裂与塔板流动、气泡表面流型 的变化以及界面传质和传热等的密切关联等
❖ 措施: ❖ 大功率的固体脉பைடு நூலகம்激光器对体系内部发生的
传递过程进行瞬态全息干涉计量
❖ 非平衡热力学、耗散结构理论和协同论可对 涉及的界面分子相变传递、对整个系统内组 分之间的传递行为、流体流动状态与体系内 基本传递单元(例如泡滴)的形态变化(包括聚 并和分裂)三者之间的动态耦合关系加以描述
4 精馏过程的强化
3 精馏过程的传质动力学研究
❖ 40年代的气泡传质模型建立在拟流体模型的 基础上，即将一个高度不均匀的系统作为均 匀系统来分析
❖ 在精馏过程中最基本的气液传质单元是气泡
❖ 气泡两侧的流体在界面附近不断进行蒸发和 冷凝两种相变过程；气泡在连续相流体中的 运动和传质均具有时空动态变化特性
❖ 现有的理论模型均未考虑两相结构的特点及 其动态变化与两相传质的相互影响
一定的约束条件 ❖ (5)塔板或填料上气体分散相和连续相液体流
型的多样性
2 学科特点
❖ (1)传递过程中存在界面效应 ❖ (2)界面微观结构、组成在传递过程中的随机
变化 ❖ (3)气泡形状的非规则性和影响因素的复杂性。 ❖ (4)流动结构的非均匀性 ❖ (5)界面湍动、传递方向对过程传质和流动的
影响 (6)多组分界面传质的复杂性
6 精馏技术发展现状
❖ 6.1特殊精馏 ❖ 对于组分间相对挥发度相差很小的物系，
可以通过加入第三个组分即质量分离剂来改 变组分间的相对挥发度，通过精馏来实现组 分的分离
❖ 如共沸精馏、萃取精馏，这种过程一般需要 两个塔，以达到分离和回收质量分离剂的目 的
6.2 短程精馏
❖ 在高真空下，由于短程精馏器的加热面 和冷凝面之间距小于或等于被分离物料 分子的平均自由程，当分子在短程精馏 器加热面形成的液膜表面上进行蒸发时， 分子间互不发生碰撞，无阻拦地向冷凝 面运动并在冷凝面上被冷凝，从而使物 料得以分离
5 深化精馏技术的研究方向
❖ 深化精馏研究必须突破传统研究方法 ❖ 在研究思维、分析问题方式上开辟新思
路，寻求新理论，吸收其他学科的最新 研究成果； ❖ 在应用开发上除满足传统工艺的要求外， 要致力于各种新型工业领域的过程开发 和设备设计
5 深化精馏技术的研究方向
❖ 关键
❖ (1)研究深度由宏观平均向微观、由整体平均 向局部瞬时发展
第一节 精馏技术现状与发展方向
❖ 至今关于气液两相界面相变传质和传热及气 泡群传质动力学规律仍处于宏观的和热力学 平衡水平上的研究，尚未发展出能够比较准 确表示过程传递的理论预测方法
❖ 精馏学科目前仍处于半经验阶段
❖ 原因: 过程本身的复杂性，
❖
理论和实验研究手段的不充分
1 精馏分离工程的特点
❖ (1)系统工程性强，传递机理复杂 ❖ (2)分析方法和测试手段要求独特 ❖ (3)设备放大效应严重 ❖ (4)设备中气液两相混合物流体流量之间存在
❖ 宏观: 表观气液运动速度、时均浓度变化、形 状和体积变化
❖ 局部和瞬时结构参数及其变化规律: 如局部瞬 时传质、传热速率、浓度、温度、扩散系数 等的测量，多相流微观动态图象的记录和分 析，气泡在产生、形成、运动和破灭四个过 程中的表面形态的微观动态变化研究
5 深化精馏技术的研究方向
❖ (2)研究目标由现象描述向过程机理转移。 ❖ (3)研究手段逐步高技术化 ❖ 计算技术、光纤技术、激光、超声
❖ 强化精馏和传质过程的主要途径： ❖ 1) 通过改进设备结构； ❖ 刘大江，精馏塔设备的发展，工业科技，2005，
34（2）：31~32 ❖ 张卫兵，刘艳升，精馏塔设备的发展与展望，华
北石油设计，2003，9~11 ❖ 2)引入质量分离剂(包括催化剂、反应组分、吸附剂、
有机活性组分、无机电解质等)提出的各种耦合精馏 技术； ❖ 3) 引入第二能量分离剂(如磁场、电场和激光)。
波、电子等新技术的发展，为精馏研究 提供了先进的测试手段和分析方法，使 深入了解精馏过程中的传递动态属性和 界面的非平衡特征成为可能
5 深化精馏技术的研究方向
❖ (4)研究方法由传统理论向多学科交叉方 面开拓
❖ 近年来，统计理论、分形理论、耗散 结构理论、表面物理化学等均在各自的 领域中取得了重大的成就，同时学科之 间的交叉更加频繁，交叉力度愈加提高
6.2 短程精馏
❖ 特点： ❖ 只要冷热面有足够的温差，可以在任何温度
下进行，可以是不沸腾的精馏过程； ❖ 是不可逆过程； ❖ 分离能力与组分的蒸汽压和相对分子质量之
2 学科特点
❖ 学科的突破性进展在很大程度上均依赖于数 学、物理等相关学科的最新研究成果
❖ 对界面处分子的协同传递特性加以微观或细 观层次的分形动力学探索，还需要从全局的 观点对系统动态演化规律与外界施加的限制 条件的关系进行深入研究
❖ 需要发展动态在线测试方法，以对传输过程 获得体系内状态函数和系统参数随时间变化 的数据
3 精馏过程的传质动力学研究
❖ 发展动向: ❖ 以液相为连续相的气泡和气泡群传质动力学
的研究 ❖ 开发尺度微型化的测试手段，即在微秒或毫
微秒时间间隔内，对各种细小尺寸气泡和液 滴周围发生的瞬时传质和传热，以及界面上 组分的相变过程进行动力学测量研究 ❖ 建立宏观和微观相结合的精馏传质理论
3 精馏过程的传质动力学研究
3 精馏过程的传质动力学研究
❖ 困难: ❖ 液相扩散系数的测量和理论研究方法，与气
体和固体中的扩散相比仍然很不成熟； ❖ 组分穿越界面进行传输时，界面附近各组分
的浓度场随时间的变化情况或界面传质动力 学行为与传递组分的性质直接相关； ❖ 气液两相之间的传质过程本身同时伴有熵增 和负熵两过程，界面处分子的相变对于气泡 表面和邻近流体的物性影响较大，其中表面 张力和粘度的温度效应显著，故直接关系到 动态扩散行为