蒸馏与精馏原理及操作优化

液体均具有挥发成蒸气的能力，但它们的挥发度各不相同。因此，液体混合物部分汽化所生成的气相组成与液相组成将有差别，即

式中 yA、yB——气相中A、B两组分的摩尔分数；

xA、xB——液相中A、B两组分的摩尔分数。

将双组分液体混合物部分汽化，所得汽液相组成不仅满足上式，且必有yA ＞xA，这就是蒸馏原理。最简单的工业蒸馏过程是简单蒸馏和平衡蒸馏。

一、简单蒸馏和平衡蒸馏

（一）简单蒸馏

简单蒸馏又称微分蒸馏，1902年瑞利提出了该过程的数学描述方法，故该蒸馏又称为瑞利蒸馏，其流程如图6-5所示。

图6-5 简单蒸馏

简单蒸馏是分批加入原料，进行间歇操作。蒸馏过程中不断从塔顶采出产品。该过程是一个动态过程，产品与釜液组成随时间而改变，且互成相平衡关系。在蒸馏过程中釜内液体中的轻组分浓度不断下降，相应的蒸气中轻组分浓度也随之降低。因此，馏出液通常是按不同组成范围收集的。最终将釜液一次排出。所以简单蒸馏是一个不稳定的过程。

简单蒸馏只能适用于沸点相差较大而分离要求不高的场合，或者作为初步加工，粗略地分离混合物，例如原油或煤油的初馏。

（二）平衡蒸馏

平衡蒸馏又称闪蒸，是一个连续、稳定的单级蒸馏过程，其流程如图6-6所示。原料液通过加热器升温（未沸腾），在通过节流阀后因压强突然下降，液体过热，于是发生自蒸发，最终产生相互平衡的气、液两相。气相中易挥发组分浓度较高，与之呈平衡的液相中易挥发组分浓度较低，在分离器内气、液两相分离后，气相经冷凝成为顶部液态产品，液相则作为底部产品。

图6-6 平衡蒸馏

与简单蒸馏比较，平衡蒸馏为稳定连续过程，生产能力大，但也不能得到高纯度产物，常用于粗略分离物料，在石油炼制及石油裂解分离过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏。

许多情况下，要求混合液分离为几乎纯净的组分，需要采用精馏装置才能完成这样的任务。

二、精馏原理

上述的平衡蒸馏和简单蒸馏都是单级分离过程，只能使混合液得到部分分离。精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离，它可视为由多次蒸馏演变而来。不管何种操作方式，混合液中组分间挥发度的差异是分离的前提和依据。精馏过程的原理可利用图6-7所示物系的t-x-y 图来说明。将组成为xF 的混合液升温使其部分汽化，并将气相和液相分开，两相的组成分别为y1 和x1，此时y1＞xF ＞x1，汽液两相流量由杠杆定律确定。将组成为y1 的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成为y2 的气相和组成为x2 的液相。继续将组成为y1 的气相进行部分冷凝，又可得到组成为y3 的气相和组成为x3 的液相，显然y3＞y2＞y1。气相混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的易挥发组分。同理，若将组成为x1 的溶液继续进行部分汽化，则可能得到组成分别为y′2 和x′2 的气相和液相（图中未标出），如此将液体混合物进行多次部分汽化，在液相中可获得高纯度的难挥发组分。

图6-7 多次部分汽化和冷凝的t-x-y 图(www.xing528.com)

通过上述分别进行液相的多次部分汽化和气相的多次部分冷凝过程，原理上可获得高纯度的轻、重组分，但因产生大量的中间馏分而使所得产品量极少，收率很低，并且需要大量的换热设备。工业上的精馏过程是在精馏塔内将部分汽化和部分冷凝过程有机结合而进行操作的。

图6-8为连续精馏流程示意图。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段为提馏段，含进料板，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏的重要特点。

图6-8 连续精馏流程示意图

在精馏段，气相在上升的过程中，轻组分得到精制，在气相中不断地增浓，在塔顶获得轻组分产品。在提馏段，液相在下降过程中，轻组分不断地被提馏出来，使重组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得重组分产品。

精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别是前者可在塔两端同时提供纯度较高的液相和。气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使得在相同塔板数的条件下，能始终保证一定的传质推动力。理论上，只要塔板数足够多，回流量足够大，就可以在塔顶得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。

精馏操作也可以在填料塔内进行，因为无论塔板还是填料，都可以为气、液两相提供接触的场所，从而实现传质过程。

三、精馏流程

由精馏原理可知，只有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时提供塔底再沸器和塔顶冷凝器来提供连续的上升气流和下降液流，有时还需提供原料预热器、回流液泵等附属设备，才能完成整个操作。

图6-9（a）为一典型的连续精馏流程。原料液经预热器加热后进到精馏塔的进料板，与上层下降的液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器。在每层板上，下降液体与上升蒸气互相接触，进行传热传质。操作时，连续地从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜液），部分液体汽化产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，部分液体被送回塔顶作为回流液，其余冷却后作为塔顶产品（馏出液）。

图6-9（b）为间歇精馏流程。与连续精馏不同，料液是一次性加入釜内而不是塔中，所以间歇精馏只有精馏段而没有提馏段。同时在精馏操作过程中，釜液组成不断变化，因此馏出液组成也将变化，这是一个动态过程，当釜液组成达到规定要求时，操作即被停止。

图6-9 精馏流程