精馏操作原理及技术
知识目标：
●了解精馏操作分类、各种类型的塔板的特点、性能及板式塔设计原则 ●理解板式塔的流体力学性能对精馏操作的影响 ●掌握精馏原理及双组分连续精馏塔计算 能力目标：
●能正确选择精馏操作的条件，对精馏过程进行正确的调节控制 ●能进行精馏塔的开、停车操作和事故分析
化工生产中所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物，而且大部分是均相物系。为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。精馏是分离均相液体混合物的重要方法之一，属于气液相间的相际传质过程。在化工生产中，尤其在石油化工、有机化工、高分子化工、精细化工、医药、食品等领域更是广泛应用。
第一节 精馏塔的结构及应用
一、精馏塔的分类及工业应用
完成精馏的塔设备称为精馏塔。塔设备为气液两相提供充分的接触时间、面积和空间，以达到理想的分离效果。根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。
板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触式塔设备。本章重点介绍板式塔。
填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。
二、板式塔的结构类型及性能评价
（一）板式塔的结构
板式塔结构如图3-1所示。它是由圆柱形壳体、塔板、气体和液体进、出口等部件组成的。操作时，塔内液体依靠重力作用，自上而下流经各层塔板，并在每层塔板上保持一定的液层，最后由塔
图3-1 板式塔结构 1-塔体；2-塔板； 3-溢流堰；4-受液盘；
5-降液管
底排出。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板上的液层，在液层中气液两相密切而充分的接触，进行传质传热，最后由塔顶排出。在塔中，使两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。
塔板是板式塔的核心构件，其功能是提供气、液两相保持充分接触的场所，使之能在良好的条件下进行传质和传热过程。
（二）塔板的类型
塔板有错、逆流两种，见表3-1。
表3-1 塔板的分类
分类 结构 塔板间设有降液管。液体横向流过塔板，气体经过塔板上的孔道上错流 塔板 升，在塔板上气、液两相呈错流接触, 如图3-2（a）所示。 特点 适当安排降液管位置和溢流堰高度，可以控制板上液层厚度，从而获得较高的传质效率。但是降液管约占塔板面积的20％，影响了塔的生产能力，而且，液体横过塔板时要克服各种阻力，引起液面落差，液面落差大时，能引起板上气体分布不均匀，降低分离效率。 逆流 塔板 塔板间无降液管，气、液同时由板所示 结构简单、板面利用充分，无液面落差，气体分操作弹性小，效率低， 应用不及错流塔板广泛。 应用 应用广泛。 上孔道逆向穿流而过，如图3-2（b）布均匀，但需要较高的气速才能维持板上液层，
图3-2 塔板分类
本章只介绍错流塔板。按照塔板上气液接触元件不同，可分为多种型式，见表3-2。
表3-2 塔板的类型
分类 结构 每层塔板上开有圆形孔，孔上焊有若干短管作为升气管。升气管高出液面，故板上泡罩塔板 液体不会从中漏下。升气管上盖有泡罩，泡罩分圆形和条形两种，多数选用圆形泡罩，其尺寸一般为Φ80 mm，100 mm，150mm三种直径，其下部周边开有许多特点 优点：低气速下操作不会发生严重漏液现象，有较好的操作弹性；塔板不易堵塞，对于各种物料的适应性强。 缺点：塔板结构复杂，金属耗量大，造价高；板上液层厚，气体流径曲折，塔板压降大，生产能力及板效率低。 齿缝，如图3-3 在塔板上开有许多均匀分布的筛孔，其结构如图3-4，筛孔在塔板上作正三角形排筛板 列，孔径一般为3～8mm，孔心距与孔径之比常在2.5～4.0范围内。板上设置溢流堰，以使板上维持一定深度的液层 近年来已很少应用。 优点：结构简单，金属耗量小，造价低廉；气体压降小，板上液面落差也较小，其生产能力及板效率较高。 缺点：操作弹性范围较窄，小孔筛板容易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 近年来对大孔（直径10mm以上）筛板的研究和应用有所进展。 阀片可随气速变化而升降。阀片上装有限位的三条腿，插入阀孔后将阀腿底脚旋转90°，限制操作时阀片在板上升起的最大浮阀塔板 高度，使阀片不被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片。浮阀的类型很多，常用的有F1型、V-4型及T型等，如图3-5所示 在塔板上开出许多舌型孔，向塔板液流出舌形 塔板 喷射浮舌 型塔板 结板 斜孔 塔板 口处张开，张角20°左右。舌片与板面成一定的角度，按一定规律排布，塔板出口不设溢流堰，降液管面积也比一般塔板大些，如图3-6所示 将固定舌片用可上下浮动的舌片替代，结构如图3-7。 在塔板上冲有一定形状的斜孔，斜孔开口方向与液流方向垂直，相邻两排斜孔的开口方向相反，如图3-8所示。 在塔板上冲压出许多网状定向切口，网孔的开口方向与塔板水平夹角约为30°，有效张口高度为2～5mm，如图3-9所示。 优点：结构简单，制造方便，造价低。塔板的开孔面积大，生产能力大。操作弹性大。塔板效率高。 缺点：不易处理易结焦、粘度大的物料；操作中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 应用广泛。 优点：开孔率较大，故可采用较大空速，生产能力大；传质效率高；塔板压降小。 缺点：操作弹性小；板上液流易将气泡带到下层塔板，使板效率下降。 生产能力大，操作弹性大，压降小。 生产能力比浮阀塔大30％左右，结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。 网孔 塔板 具有处理能力大、压力降低、塔板效率高等优点，特别适用于大型化生产。 工业上常用的几种塔板的性能比较见表3-3。
表3-3 常见塔板的性能比较
塔板类型 泡罩塔板 筛板 浮阀塔板 舌形塔板 斜孔塔板 相对生产能力 1.0 1.2～1.4 1.2～1.3 1.3～1.5 1.5～1.8 相对塔板效率 1.0 1.1 1.1～1.2 1.1 1.1 操作弹性 中 低 大 小 中 压力降 高 低 中 低 低 结构 复杂 简单 一般 简单 简单 成本 1.0 0.4～0.5 0.7～0.8 0.5～0.6 0.5～0.6
图3-3 泡罩塔板 图3-4 筛板 1-升气管；2-泡罩；3-塔板
F1型 V-4型 T型
图3-5 浮阀型式
1-浮阀片；2-凸缘；3-浮阀“腿”；4-塔板上的孔
图3-6 舌形塔板 图3-7 浮舌塔板 图3-9 网孔塔板
（a）斜孔结构
图3-8 斜孔塔板
(b)塔板布置
活动建议
进行现场教学，了解塔板的结构类型，了解石油化工厂板式塔的性能及选用依据。
第二节 精馏基础知识
一、蒸馏及精馏
蒸馏是分离液体均相混合物最早实现工业化的典型单元操作。它是通过加热造成汽液两相体系，利用混合物中各组分挥发性不同而达到分离的目的。
液体均具有挥发而成为蒸汽的能力，但不同液体在一定温度下的挥发能力各不相同。例如：一定温度下，乙醇比水挥发的快。如果在一定压力下，对乙醇和水混合液进行加热，使之部分汽化，因乙醇的沸点低，易于汽化，故在产生的蒸汽中，乙醇的含量将高于原混合液中乙醇的含量。若将汽化的蒸汽全部冷凝，便可获得乙醇含量高于原混合液的产品，使乙醇和水得到某种程度的分离。
混合物中挥发能力高的组分称为易挥发组分或轻组分，把挥发能力低的组分称为难挥发组分或重组分。
工业蒸馏过程有多种分类方法，见表3-4。本章主要讨论双组分连续精馏操作过程。
表3-4 蒸馏操作的分类
分类 平衡蒸馏 简单蒸馏 按蒸馏方式分类 精馏 特殊精馏 加压精馏 按操作压力分类 常压精馏 真空精馏 按被分离混合物中组分的数目分类 按操作流程分类 两组分精馏 多组分精馏 间歇精馏 连续精馏 间歇操作是不稳定操作，主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合，工业中以连续精馏为主。 特点及应用 平衡蒸馏和简单蒸馏，只能达到有限程度的提浓而不可能满足高纯度的分离要求。常用于混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。 精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分离操作。 特殊精馏适用于普通精馏难以分离或无法分离的物系。 常压下为气态（如空气）或常压下沸点为室温的混合物，常采用加压蒸馏；对于常压下沸点较高（一般高于150℃）或高温下易发生分解，聚合等变质现象的热敏性物料宜采用真空蒸馏，以降低操作温度。 工业生产中，绝大多数为多组分精馏，多组分精馏过程更复杂 二、双组分理想溶液的气液相平衡
根据溶液中同分子间与异分子间作用力的差异，溶液可分为理想溶液和非理想溶液。理想溶液实际上并不存在，但是在低压下当组成溶液的物质分子结构及化学性质相近时，如苯
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