精餾實驗技術與裝備

精餾是常用的化工單元操作之一，有悠久的應用歷史，我國早 在元朝就在白酒生產中開始應用。精餾技術就是將生產中所需要的混 合物，利用精餾技術按照混合物不同的揮發度，實現混合物有效分離 的一項工業技術。在生產中，一般是利用精餾塔進行精餾作業，利用 氣體與液體的逆流二相接觸產生的動量、熱量和質量的傳遞，實現物 質的有效分離。由于一般不需要加入其它組分，從分離目的的角度看， 精餾是合理而簡單的分離手段，但精餾又是一種需要加熱和冷凝的 過程，精餾技術在實際應用中產生大量的能源消耗，導致生產能源消 耗增加。以上二個因素使人們對精餾技術“又愛又恨"。因此開展對降低精餾能源消耗問題的研究，即所謂綠色精餾技術，是目前研究的 熱點之一。 根據操作方式，精餾可分為連續精餾和間歇精餾；根據混合物的 組分數，可分為二元精餾和多元精餾；根據是否在混合物中加入影響 氣液平衡的添加劑，可分為普通精餾和特殊精餾（包括萃取精餾、共 沸精餾和外場下的精餾）。若伴有化學反應，則稱為反應精餾。 由于精餾過程必須是在汽液（氣液）共存條件進行，故精餾設備 又稱為氣-液傳質設備，是化工及相關過程工業應用最多的設備之一， 氣-液傳質設備型式類別眾多，主要可以分為填料塔和板式塔。 填料塔的構造比較簡單，塔體一般為圓筒形，兩端有封頭，并裝 有氣、液相進、出口接管。填料塔作為傳質設備，主要是提供潤濕的 填料表面使氣、液兩相達到良好的接觸。為此在空塔中放入具有一定 形狀的填料。填料可以散堆也可以整砌而成為填料層。填料置于支承 裝置之上，在填料層的上部裝有床層限位裝置。為了使液體盡可能均勻地噴淋在填料層的頂部，塔內設有液體分布裝置。在操作時液體從 塔頂噴淋而下，沿填料表面呈膜狀流動，自塔底排出；而氣體則從塔 底進入，自下而上流動，與填料表面的液膜接觸進行傳質，然后自塔 頂排出。由于填料層中的液體有向塔壁流動的傾向(壁流效應)，故當 填料層較高時，需將其分為若干段，每兩段之間設有液體收集裝置和 再分布裝置。 填料塔不僅結構簡單，而且具有氣體處理能力大、流動阻力小和 便于用耐腐蝕材料制造等優點，尤其適用于塔直徑較小的情況及要求 壓降較小的真空蒸餾系統。 板式塔的塔型很多，最早在工業上應用的有泡罩塔(1813 年)和 篩板塔(1832 年)，隨著石油化學工業的發展，先后出現了許多新型 塔，如浮閥塔、波紋篩板塔、斜孔篩板塔、多降液管塔和固定閥塔等。 板式塔與填料塔不同，它屬于逐級接觸式氣-液傳質設備，塔板 上氣、液接觸的良好與否和塔板結構及氣、液兩相相對流動情況有關。 上一層塔板上的液體由降液管流至塔板上，并經過板上由另一側的降 液管流至下一層塔板上。而下一層板上升的氣體(或蒸氣)經塔板上的 鼓泡元件，以鼓泡的形式穿過塔板上的液體層，并在此進行氣、液接 觸傳質。離開液層的氣體繼續升至上一層塔板，再次進行氣、液接觸 傳質。由此經過若干層塔板，進行多次的氣、液接觸和分離，最終達 到要求的傳質目的。塔板上的鼓泡層高度由塔板結構和氣、液兩相流 量而定。在塔板結構和液量已定的情況下，鼓泡層高度隨氣速而變。 通常在塔板以上形成三種不同狀態的區間，靠近塔板的液層底部屬鼓 泡區，在液層表面屬泡沫區，在液層上方空間屬霧沫區。這三種狀態 都能進行氣、液接觸傳質作用，其中泡沫狀態的傳質效果尤為良好。 當氣速不很大時，塔板上以鼓泡區為主，傳質效果不夠理想。隨著氣速增大至一定值，泡沫區增加，傳質效果明顯改善，相應的霧沫夾帶 量雖有增加，但還不至于影響傳質效果。如果氣速超過一定范圍，則 霧沫區顯著增大，霧沫夾帶過量，嚴重影響傳質效果。為此，在板式 塔中必須在適宜的液體流量和氣速下操作，才能達到良好的傳質效果。 精餾技術雖然多年應用廣泛，但由于其為流體熱量、質量和動能 三種傳遞過程同時進行的過程，是化工單元操作中最為復雜的單元操作之一。