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  精馏操作基本知识

1、
何为相和相平衡：
答：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？
答：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？
答：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？
答：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？
答：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？
答：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？
答：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？
答：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
答：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？
答：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。 精馏


1、精馏塔组成：精馏塔一般是由若干塔板组成。一块塔板上只进行二次部分气化和部分冷凝。塔板越多，部分气化和部分冷凝的次数越多，分离效果越好。精馏塔的内件可由填料组成，在填料层内，当气液相接触时，即伴随着气化和冷凝的进行，显然，填料的效果和高度将影响分离的效果。
2、回流：通过整个精馏过程，最终由塔顶得到高纯度，易挥发的组分，由塔顶馏出，塔釜得到基本是难挥发的组分。精馏六区别于一次蒸馏在于回流，包括塔顶的液相回流及塔底的部分气化造成的液相回流。回流是构成气液相接触传质传热的必要条件。没有气液两相的接触也就无从进行质的交换。当然组分挥发度的差异仍然是精馏过程的基础。精馏过程中混和液加热所产生的蒸汽由塔顶馏出，进入塔顶分离器，冷凝成液体将其一部分冷凝液返回塔顶，沿塔板下流，这部分液体称为回流液。将一部分冷凝从塔顶采出作为产品，回流比就是精馏段内液体回流与采出液量之比。回流比大，分离效果好，产品质量高，回流比过大，生产能力下降，能耗增加，回流比对精馏操作影响很大，直接关系到塔内各层塔板上的物料浓度的改变和温度的分布，最终反映在它的分离效率上。
3、回流比的调节：
调节的依据是:根据塔的负荷和精甲醇质量,当塔的负荷较轻时,这时塔板比较富余,可以取较低的回流比,比较经济,为了保证精甲醇的质量,精馏段灵敏板的温度可控制略低,反之,则增大回流比,在照顾精甲醇的质量的同时,为保持塔釜温度、灵敏板的温度可控制略高。对精甲醇的精馏，回流比过大或过小都会影响精馏操作的经济性和精甲醇质量，一般负荷变动和正常条件受到破坏和产品不合格时调节回流比。调节后尽可能保持塔釜的加热量稳定，使回流比稳定。在调节回流比的同时，要注意板式塔的操作特点，防止液泛和严重漏液，都会造成塔内操作温度的混乱。
4、进料量的影响：
精馏塔进料量和组成改变时，都会改变塔内的物料平衡和气液平衡，引起塔温的波动，如不及时调节，将会导致精甲醇质量不合格或增加甲醇的损失。一般进料量在塔的操作条件下和附属设备能力允许范围内波动时，只要调节及时，对塔顶及塔釜温度不会有显著的影响，只是影响塔内蒸汽速度的变化，但是量的变动宜缓慢进行，否则限于塔板的操作特点，短时间内可造成塔顶、塔釜温度变化，而影响精甲醇的质量和损失。处理方法：进料量变化后，应根据回流比的情况，考虑调节热负荷，当进料量增加时，蒸汽上升的速度增加，一般对传质有利的，但蒸汽速度必须低于液泛速度，当进料量减少，蒸汽速度降低，对传质不利。因此，蒸汽速度不宜过低。有时为了保持塔板的分离效率，有意适当增大回流比，也提高塔内蒸汽上升速度，提高传质效果，这个方法自然是不经济，由此精馏塔不宜在低负荷下操作。
5、压力降：塔釜与塔顶的压力差。
精馏生产与精馏的压力降有密切关系，对于板式塔来说，塔板的压降由三部分组成：（1）干板压力降；（2）液层压力降；（克服液体表面张力的压力降）。
塔釜与塔顶的压力差，是全塔每一块塔板压力差的总和，干板压力差就是精馏塔内上升蒸汽通过没有液体存在的塔板所产生的压力降。液层压力降是气体穿过每层塔板上液体层使所产生的压力降。液体表面张力的压力降是使气体服液体表面张力所产生的压力降。
压降波动会引起温度和组分间相对应关系的混乱，我们在操作中经常以温度作为衡量产品质量的间接标准。但这只有在正常恒定塔压的前提下才是正确的，当塔压上升时，混和物的沸点也随之上升，引起全塔温度随之改变。温度与产品质量的相应关系也将发生改变。压降增大组分间的挥发度降低，分离效率下降，压降升高，气相中的重组分减少，相应地提高轻组分的浓度，使液相量增加，气相量减少，总的结果是塔顶馏份中轻组分的浓度增加，但数量却相对的减少，釜液中轻组分浓度也增加，釜液量增加，压力降改变将对塔的稳定操作带来较大影响，因此在塔的操作中，应维持塔压降的正常范围。
6、压力降增大的危害及处理
精馏塔中，塔内上升蒸汽速度过大，超过最大允许速度并增大至某一数值，液体被气体阻拦，不能向下流动，越积越多，甚至从塔顶溢出，称之为液泛，此时塔的压力降猛升，出现液泛现象。不管是板式塔还是填料塔，均应停止或减少进料量，稍减再沸器蒸汽量，降低釜温，停止塔顶采出，进行全回流操作，使湧带到塔顶，上层的难挥发组分慢慢流回塔釜和塔下正常位置，当生产不允许停止进料时，可将釜温控制在稍低于正常操作温度，加大塔顶采出量（此时精甲醇可能不合格），减小回流比，当塔压差达到正常后，再逐渐恢复正常操作条件。
7、冷凝温度的控制
以轻组分为主的大部分有机杂质，是通过精馏塔顶的冷凝器，未被冷凝再经液封槽后放空脱降。冷凝温度起着分水岭的作用。控制温度的高低对脱除杂质的成分有着直接的关系，粗甲醇杂质的含量与成份，主要决定于合成催化剂的选择，催化剂温度及压力的变化，对杂质的成分和总量均有极大的影响，尤其是触媒进入中后期，随着温度及压力的上升，有机杂质中高沸点成分及含量有了明显增加，铜基触媒早期副产品乙醇，含量大约1公斤内含150-200毫克，后期乙醇可达到1公斤里1000-2000毫克，铜基早期使用副产品很少，所以预塔塔顶冷凝温度可控制在30-40℃。如果触媒使用至后期，甲醇质量可能不达标。因此随着触媒反应温度及压力的升高，冷凝温度也相应提高，有利于杂质的有效脱除。
8、灵敏板温度的选择
在精馏中选择灵敏板是为了更好调节精馏温度，在操作中发现某一块板成某一段板液的组成变化较大，反映出的温度变化也大，发现变化时使物料平衡被打破。该板和该区域的板段温度变化最灵敏。实际生产中就选取其中一块作为灵敏板，以此温度作为参照来控制物料的变化。主塔灵敏板选择在自下向上第八块到十二块处。控制杂醇油采出的温度一般在88-94℃，控制该点温度的好处有：（1）变化灵敏、调节准确；（2）可以提前看出物料变化的趋势，提前调节。
温度升高说明重组分上移，温度下降说明轻组分下移，特别是温度下降时，应提前加大塔顶采出或减少进料量，必要时增加杂醇的采出，避免甲醇与中沸点组分（杂醇）下移到塔釜，而造成塔底排出的残液超标。
预塔灵敏板是自上而下第26到第36块板上，温度控制在76-80℃。由于塔顶值的中部温差很少，塔顶温度变化幅度很少。只有在物料很不平衡的状况下才能明显反映出来。这时若调节塔釜温度，往往容易调节滞后，造成大幅度的波动。而塔中部的温度与浓度改变较大，因此温度控制在一定范围内，就可以保证塔顶温度和组份，当物料平衡一旦破坏，此处塔温反应最灵敏的地方，通过预先调节以保证全塔，特别是塔顶温度稳定，温度的维持是全塔物料平衡的关键。
9、塔顶温度的控制
精馏主塔顶温度是决定甲醇产品质量的重要条件，实质上是在操作压力下，纯甲醇的沸点温度。通常控制塔顶温度在66-67℃，在塔压稳定的情况下，塔顶温度升高则说明塔顶重组分增加。当然，必须明确判断是工艺操作原因还是设备冷凝器泄漏的原因。前者往往是由于塔内重组分上升，后者则由于塔外水分被回流液带至塔顶。若工艺上操作的原因，则调节蒸汽量和回流量，若回流比小，则增加蒸汽量，提高回流比，必要时可减小或停止采出精甲醇，待塔顶温度正常后再采出，以保证塔内物料平衡，如果是设备冷凝器漏，则应停车处理。
10、塔釜温度的控制
塔底温度的控制是一项重要环节，如果塔内分离效果好，主塔釜液接近水的单一组份，其沸点约为106-110℃。维持釜底正常温度可避免甲醇流失。如果塔底温度降低，往往是由于轻组份带至残液中，或者是热负荷骤减，又可能是塔下部分重组分过多造成，这时需判明情况进行调节，如调节回流，增加热负荷，增加甲醇的采出，增加重组份的采出及减少进料量。
11、塔釜液面变化对精馏的影响
塔釜液面的稳定，是维持恒定釜温的首要条件，塔釜液面的变化，主要决定于塔底排出量的大小。当塔底排出量过大时，会造成塔釜液面降低成抽空，这将使通过蒸发器的釜液循环量减少，从而影响整个加热釜的传热效率，塔釜的蒸发量减少，蒸汽速度降低，以至破坏塔内的热量平衡和传质效果。如果塔底排出量过小，将会造成塔釜液面过高，增加了釜液循环的阻力，同样造成传热不好，釜温下降，正确的液面应保持在挥发管下沿。
工艺上影响塔釜液面变化的因素有：（1）釜液组成变化，在压力不变的前提下，降低釜温，就改变了塔釜的气液平衡，加大了釜液量和釜液中轻组分的含量，如果釜液排出量不变，釜液也会升高，发生这种情况应恢复釜温。（2）进料量变化，如果进料中水和重组分含量增加，釜液量也会增加，如果不增加釜液的排出，而采用升高釜温的办法，将使重组分带至塔顶。进料时增大，相应釜液量排放量增大，否则釜液面增高。在开车的初期，由于塔板上液体较少，还没有处于良好的气液接触状态，大量轻组分容易进入塔釜。气化的量一时满足不了塔内热量的要求。因此对于刚开车的塔，应在进料的同时，首先再沸器预热，在塔釜建液面后，适当供热。塔釜温度若不及时提起，釜液面过高，釜液排出量增大，则甲醇损失增大。如果进料量大，而塔顶采出量不大，后果使原有的物料平衡和气液相组成破坏，回流比增大，塔内物料增多，釜液中甲醇浓度增加，上升蒸汽浓度增大，塔顶与塔底的压差增大，严重时会引起液泛。进料量增大，则采出量增大，如进料量不变，采出量增大，则重组分上升，回流比减小，各塔板上回流液量减少，气液接触不好，传质传热效率下降，同时操作压力下降，结果是各塔板上的气液组成发生变化，重组分被带到塔顶，尤其是精馏段灵敏板的温度会首先反映出上涨的现象。