工業(yè)技術(shù)中精餾的原理研究

張世明（河南科技學(xué)院新科學(xué)院化學(xué)工程與工藝系，河南新鄉(xiāng)453000）

工業(yè)技術(shù)中精餾的原理研究

張世明（河南科技學(xué)院新科學(xué)院化學(xué)工程與工藝系，河南新鄉(xiāng)453000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，化學(xué)工業(yè)發(fā)展得到質(zhì)的飛躍。精餾作為一項(xiàng)采用回流促使液體混合物進(jìn)行高純度分離的蒸餾方法，是各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍的液體混合物分離操作。本文將進(jìn)一步對(duì)工業(yè)技術(shù)中精餾原理展開(kāi)分析與探討，旨在為同行業(yè)者提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

工學(xué)技術(shù)；精餾；原理分析

當(dāng)前是一個(gè)經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代，工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要與時(shí)俱進(jìn)，跟上時(shí)代前進(jìn)的腳步。精餾作為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的關(guān)鍵共性技術(shù)，在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮出了重要的價(jià)值作用。相對(duì)于其他化工分離技術(shù)，精餾最大的優(yōu)勢(shì)在于其更加成熟完善，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中占據(jù)了較大的應(yīng)用比重。在精餾分離技術(shù)實(shí)踐操作中，所涉及到的設(shè)備主要包括了精餾塔、再沸器以及冷凝器等，基于熱能驅(qū)動(dòng)和相平衡關(guān)系的限制下，液體混合物中的易揮發(fā)組分會(huì)從液相往氣相中轉(zhuǎn)移，而難揮發(fā)組分最會(huì)轉(zhuǎn)移到液相中，這樣就形成了分離狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程稱作為精餾。

1 精餾原理分析

隨著時(shí)間的不斷推移，化學(xué)工程技術(shù)的創(chuàng)新完善，分離技術(shù)逐漸朝著多元化方向不斷發(fā)展。在市場(chǎng)中常見(jiàn)的化工分離技術(shù)主要包括了精餾、吸收、結(jié)晶、萃取以及吸附等。其中，精餾是被應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的化工分離技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用在石油、化工以及食品等行業(yè)領(lǐng)域中。精餾操作原理是基于數(shù)次運(yùn)用部分汽化和部分冷凝的方法，促使液體混合物能夠順利完成分離過(guò)程，這樣就能夠有效獲得接近純組分的操作[1]。

工業(yè)技術(shù)中的精餾裝置構(gòu)成主要包括了精餾塔、冷凝器以及再沸器等，如下文所示為連續(xù)精餾過(guò)程和塔物料流動(dòng)裝置構(gòu)成。在精餾塔內(nèi)每隔一定的高度就必須合理設(shè)置一塊塔板，又或者是在其中堆放填料。通過(guò)促使氣液兩相與填料、塔板相互接觸，就能夠有效發(fā)生部分冷凝和部分汽化現(xiàn)象。原料液由精餾塔中間的一塊塔板上流至塔內(nèi)，此塔板叫做為加料板。在精餾原理研究中，工作人員通常將精餾塔劃分為兩段，一段是加料板以上部分稱作為精餾段，另一段則是加料板以下部分稱作為提餾段，加料板屬于提餾段。當(dāng)放入精餾塔的原料在加料板上于塔內(nèi)氣液相互匯合后，液體混合物中的易揮發(fā)組分會(huì)從液相往氣相中轉(zhuǎn)移，而難揮發(fā)組分最會(huì)轉(zhuǎn)移到液相中。要想保障精餾塔內(nèi)的所有塔板上都能夠具有正在下降的液體以及上升的蒸汽，順利實(shí)現(xiàn)部分汽化和部分冷凝的分離操作，只能通過(guò)把精餾塔頂部冷凝器中的冷凝液其中一部分作為產(chǎn)品，另一部分則讓其回流到塔內(nèi)。同理可知，當(dāng)液體下降到精餾塔底部再沸器的過(guò)程中，也只能將液體其中一部分作為產(chǎn)品，另外一部分這樣在汽化后重新流至塔內(nèi)。

蒸汽會(huì)從精餾塔底部以自下而上的順序依次經(jīng)過(guò)各層塔板，在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，蒸汽會(huì)與每個(gè)塔板上的液體層發(fā)生接觸，從而使得部分液體發(fā)生汽化現(xiàn)象，部分蒸汽則會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，這樣一來(lái)蒸汽中的易揮發(fā)組分就會(huì)隨著塔板層數(shù)的遞增越來(lái)越濃，當(dāng)蒸汽達(dá)到精餾塔頂部時(shí)，就會(huì)達(dá)到事先設(shè)計(jì)規(guī)定好的濃度，待到冷凝后就能夠有效獲得需求產(chǎn)品。與此同時(shí)，液體從精餾塔頂部向下回流的過(guò)程中，液體會(huì)與精餾塔內(nèi)的每塊塔板相接觸，當(dāng)回流液體與上升的蒸汽匯合后，就會(huì)促使液體發(fā)生汽化，其中易揮發(fā)的組分濃度開(kāi)始逐漸下降，而難以會(huì)發(fā)組分濃度則會(huì)開(kāi)始不斷極龘，最后從再沸器出來(lái)，就形成了工作人員想要的產(chǎn)品釜?dú)堃埂?/p>

結(jié)合連續(xù)精餾過(guò)程和塔物料流動(dòng)示意圖可知，在整個(gè)精餾塔分離操作中，各個(gè)塔板上的易揮發(fā)組分濃度會(huì)隨著層數(shù)從上往下遞減而降低，而當(dāng)某塊塔板上的濃度與原料液中濃度較為接近時(shí)，就會(huì)促使料液從此塊塔板流入[2]。因?yàn)榫s塔底部大多數(shù)都是難以揮發(fā)的組分，所以精餾塔底部溫度通常最高。相反，精餾塔頂部大多數(shù)都是容易揮發(fā)部分，所以精餾塔頂部溫度最低，總結(jié)得出在精餾過(guò)程中，精餾塔內(nèi)的溫度是從下往上逐漸下降的。

2 回流比及回流的作用

2.1 回流比

在精餾實(shí)踐操作過(guò)程中，精餾塔頂餾出物一部分D作為產(chǎn)品采出，而另一部分物料L則會(huì)從塔頂流回至精餾塔中，該部分物料L與采出物料D的實(shí)際比值就稱作為回流比R，公式是R=L/D。

2.2 回流的作用

回流比的數(shù)值對(duì)精餾塔有著關(guān)鍵的作用。工作人員在對(duì)回流比進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，如果回流比持續(xù)增加，則會(huì)導(dǎo)致精餾段操作線在y軸上的截距不斷減小，如下圖1所示。點(diǎn)c和點(diǎn)d會(huì)同時(shí)向下開(kāi)始移動(dòng)，最后造成操作線完全偏離平衡線，促使精餾塔所需的理論塔板數(shù)不斷減少，這樣對(duì)精餾操作過(guò)程有一定的益處。但是，也不是證明回流比數(shù)值越大越好，當(dāng)回流比大到一定程度，會(huì)使冷凝器與再沸器負(fù)荷過(guò)大，這樣精餾塔的整體負(fù)荷就會(huì)不斷加大，內(nèi)部塔徑也要隨之增加，提高了裝置成本支出。工作人員在精餾塔實(shí)際操作內(nèi)容方面，要注重有效提升產(chǎn)品的純度，結(jié)合精餾操作實(shí)際情況，合理補(bǔ)充易揮發(fā)組分，這樣才能夠有效確保精餾連續(xù)操作過(guò)程的穩(wěn)定可靠性。

圖1 回流比與精餾操作之間的關(guān)系示意圖

3 精餾塔的相平衡關(guān)系

3.1 精餾塔物料平衡

精餾塔物料平衡指的是放入塔內(nèi)的物料量要與出塔的物料量保持一致，他們之間的關(guān)系可以用公式F=D+W來(lái)表示。其中，F(xiàn)代表的是進(jìn)塔原料液流量，D代表塔頂采出液流量，而W則是釜液采出流量。

3.2 組分平衡

工作人員要想確保整個(gè)精餾分離操作過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定性，不僅僅要保證進(jìn)出塔物料量的一致性，還必須關(guān)注到易揮發(fā)和難揮發(fā)組分之間平衡關(guān)系。只有維持進(jìn)出塔的物料量和組分都相等，才能夠有效保障精餾塔內(nèi)物料組成保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。組分平衡關(guān)系可以用公式FxF=DxD+WxW來(lái)表示。其中FxF代表的是原料液中易揮發(fā)組分含量，DxD代表的是餾出液中易揮發(fā)組分含量，WxW代表的是塔釜液中易揮發(fā)組分含量

3.3 熱量平衡

精餾塔塔內(nèi)的熱量平衡關(guān)系可以表示為：進(jìn)塔物料所蘊(yùn)含的內(nèi)能加上再沸器中輸入能量應(yīng)該與精餾塔頂部冷凝器的換熱量，精餾塔頂部采出液與塔釜采出液的內(nèi)能之和相同，如果差距過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致精餾過(guò)程停止運(yùn)行操作。倘若是輸入熱量大于輸出熱量，就會(huì)造成精餾塔底難揮發(fā)組分大量進(jìn)入到產(chǎn)品中[3]，最終得到的產(chǎn)品質(zhì)量偏差；倘若是輸入熱量嚴(yán)重不足，則又會(huì)造成易揮發(fā)組分不能得到充分熱量，致使大量原料的浪費(fèi)。

4 雙組分混合液的精餾操作

雙組分混合液分離是在化工領(lǐng)域最為常見(jiàn)的精餾操作，在實(shí)踐操作過(guò)程中所涉及到核心設(shè)備連續(xù)精餾裝置，該裝置構(gòu)件主要有精餾塔、再沸器以及冷凝器等。其中，精餾塔的作用是供氣液互相接觸進(jìn)行相際傳質(zhì)；在精餾塔底部的再沸器作用是促使液體部分發(fā)生汽化，蒸汽隨著塔板慢慢上升，剩余下來(lái)的液體成為塔底產(chǎn)品；在精餾塔頂部的冷凝器作用是促使蒸汽得到部分冷凝，部分冷凝液作為回流液流入到塔底，剩余的餾出液成為塔頂產(chǎn)品。進(jìn)入精餾塔中的液體與上塔段來(lái)的液體共同順著塔板慢慢往下降落，同時(shí)進(jìn)料中的蒸汽則會(huì)隨著下塔段來(lái)的蒸汽共同沿著塔板往上升。在精餾塔設(shè)備內(nèi)，蒸汽與液體兩者之間會(huì)進(jìn)行逆流接觸，從而發(fā)生相際傳質(zhì)。此時(shí)，液相中的易揮發(fā)組分會(huì)成功進(jìn)入到氣相中，而氣相中的難揮發(fā)組分則會(huì)成功進(jìn)入到液相中。工作人員要不斷加強(qiáng)對(duì)精餾裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，這樣才能夠確保餾出液成為高純度的易揮發(fā)組分，塔釜液成為高純度的難揮發(fā)組分。精餾塔內(nèi)的兩段操作操作結(jié)合，促使雙組分混合液的兩個(gè)組分較完全的分離，最后順利生產(chǎn)出企業(yè)需求的相關(guān)產(chǎn)品，幫助企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)產(chǎn)業(yè)要不斷加強(qiáng)對(duì)精餾技術(shù)的深入研究開(kāi)發(fā)工作，要想最大程度提升精餾傳質(zhì)效率，就必須積極開(kāi)發(fā)出新型高效塔板和填料?；诳茖W(xué)的傳質(zhì)理論知識(shí)下，相關(guān)工作人員要建立更加精確完善的傳質(zhì)模型，用來(lái)全面描述氣液傳質(zhì)的過(guò)程。只有在眾多技術(shù)研究人員共同努力下，才能夠促進(jìn)我國(guó)精餾技術(shù)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展進(jìn)步。

[1]任海倫,安登超,朱桃月,李海龍,李鑫鋼.精餾技術(shù)研究進(jìn)展與工業(yè)應(yīng)用[J].化工進(jìn)展,2016(35):121-123.

[2]李港橋.工業(yè)技術(shù)中的精餾原理探究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2014(05):142-145.

[3]于光認(rèn)，陳曉春，劉輝，劉時(shí)偉．工業(yè)湍動(dòng)流化床反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)行為的模型化研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(02):35-36.

張世明（1996.2-），男，漢族，河南鄭州人，河南科技學(xué)院新科學(xué)院化學(xué)工程與工藝系2014級(jí)本科在讀，研究方向：化學(xué)工藝、化工原理