精馏塔基本知识

精馏塔基本知识中国石油大学储运工程系 李玉星

蒸馏

使多组分混合物原料发生部分汽化或部分冷凝的相变，气 相内浓集了原料中的易挥发组分，而液相内浓集了原料中 的难挥发组分，使原料按挥发度不同实施一定程度的分离， 这一工艺称蒸馏。蒸馏是矿场实施油气初加工的一种主要 工艺，油气分离、原油稳定、天然气凝液回收、凝液分馏 等都是按蒸馏原理实施的油气加工过程。 蒸馏共有三种方式：闪蒸、简单蒸馏和精馏。

精馏

精馏是使液体混合物依据各组分挥发度不同、而达到较完 善分离、产品收率较高的一种蒸馏操作。 精馏原理

精馏过程实质上是多次平衡汽化和冷凝的过程。

如此重复m次，只要m足够大，就可得到轻组分浓度极小、 重组分浓度极高的液体，但数量很少。 如此重复n次，最后可得到轻组分浓度很高的气体，但数量 极少。 这种多级部分汽化和部分冷凝的极限情况即为微分汽化和 微分冷凝，它们能够得到很纯的轻重组分，但数量或收率 很低。

没有利用组分浓度不高的中间产物，如y1’和xn,是收率低 的根本原因。为此，可将与原料浓度z相近的y1’蒸气和液 体xn回流至罐F,设计出如图所示的流程。

所示的流程即为精馏 过程，它可使混合物 得到有效分离，既可 保证高的产品纯度， 又能达到较高的收率。

流程中，每个容器都是气液平衡的接触级，每一级都有气 液两股进料。液相回流的轻组分浓度应高于该级条件下的 平衡液相浓度；而气相进料的轻组分浓度应低于该条件下 的平衡气相浓度. 进入每一级的气液相浓度是不平衡的，液相浓度比平衡浓 度高，气相浓度比平衡浓度低，这就产生了传质推动力， 使气液两相接触时液相中的轻组分蒸发，气相中的重组分 冷凝，气液相趋近于相平衡。因此，相间的浓度差别是精 馏的重要前提。

从下向上，每一接触级的温度逐步递减，形成温度梯度。最顶上接触 级的温度最低，这样才能获得高浓度轻组分；最低下接触级的温度最 高，才能获得高浓度重组分。因而，合理的温度梯度是精馏的另一重 要前提。

为了创造这两个重要前提，顶部冷凝器和底部重沸器所造成的回流是 必不可少的。顶部产品冷凝器为精馏过程提供了轻组分浓度很高、而温度很低的顶 部液相回流。液相回流会在各个接触级上产生轻组分浓度较平衡浓度 高、温度较平衡温度低的液相回流。 底部的重沸器则提供温度很高、重组分浓度很高的气相回流。气相回 流由下向上，在各个接触级上产生温度高于平衡温度，其重组分浓度 也高于平衡浓度

的气相回流。在顶部液相回流和底部气相回流的共同 作用下，各接触级才具备相间浓度差别和温度梯度，使精馏过程持续 顺利地进行。

底部气相回流携入系统的能量，通过各接触级，在传质的 同时发生传热，逐级由下而上传递，最后由顶部冷凝器吸 收，这是精馏过程特殊的传热方式。热量由下向上的传递 中，也做一部分有用功，将轻重组分分离。

3 精馏塔构成

各接触级叠加在一个单一设备内，该设备即为精馏塔。在 塔中，气体由下而上、液体由上而下逆向流动，在每一个 由塔板或填料构成的接触级上密切接触，进行传质、传热。 原料一般从塔的中部进入塔内。塔顶引出的气相馏出物是 高纯度的轻质产品，塔底流出的是高纯度的重质产品。塔 顶由冷凝器提供液相回流，塔底由重沸器(再沸器)提供

气相回流。

完整的精馏塔由精馏段、提馏段和进料段(或进料板)三 部分构成。

1 平衡接触级、理论塔板和总板效率

接触级为气液相物流进行密切接触、传质的设施，即塔板和填料。 若一层塔板的分离能力能达到平衡接触级的分离能力，就称为理论塔 板。相当于一层理论塔板分离能力的填料层高度称等板高度 (HETP)。 理论塔板是虚构的。气液两相在塔板上愈接近平衡状态，组分浓度差 别愈小，传质推动力愈小，传质速度愈慢，气液两相在真实塔板上的 接触时间有限，而且气体中还夹带液沫等原因，使真实塔板一般都达 不到理论塔板的分离效果，因而真实塔板数总多于理论塔板数。 把理论塔板数与真实塔板数之比称为全塔板(平均)效率，或总板效 率。

2.精馏段和液相回流

进料板以上至塔顶为精馏段。原料在进料段部分汽化产生的 蒸气，自下而上逐级流过精馏段的接触级，进入塔的顶部。 塔顶液相回流自上而下逐级流过接触级，流向进料板，在每 个接触级上液体与上升的蒸气逆向接触。 一个接触级不能得到纯度很高的塔顶轻质产品，精馏段内需 设若干个接触级。一般，轻质产品的纯度要求愈高、轻重组 分的分离难度愈大，所需的接触级数愈多。每个接触级相当 于一块理论板，在理论板上气液两相达到相平衡状态。真实 塔板不可能使气液达到完善的相平衡状态，因而精馏塔的实 际塔板数总多于理论塔板数，或接触级数。

液相回流是精馏操作的必要条件。如果没有液相回流， 气流就会穿过精馏段直达塔顶，气相得不到任何提浓作 用。塔顶回流量L0常为塔顶产品量的几倍、甚至数十倍。

L0与D的比值称回流比R。

3.提馏段和气相回流

精馏塔进料板下方直

至塔底为提馏段。进料板上分出的 液体和由精馏段下流的液体汇合，进入提馏段。在提馏 段的每一接触级上发生的气液传热、传质过程与精馏段 接触级完全相同。液体每经过一个接触级，液体内重组 分浓度得到一次提升，流至塔底得到浓度较纯的重组分 产品。每经过一个接触级，气相内轻组分浓度得到一次 提升，流至提馏段顶端其轻组分浓度趋近于进料板上轻 组分的浓度yF

塔底产品经重沸器加热后，所产生的蒸气返回塔底、产生气 相回流是提馏段工作的必要条件。若无气相回流，液体仅流 经各层接触级，液体内的重组分浓度也得不到提浓。

假如塔底产品内含有较多的轻组分，将使塔顶轻组分产品的 收率下降。类似地，精馏塔塔顶产品不纯也将影响塔底产品 的收率。由上可得出结论，若要求进塔原料同时获得纯度较高的轻、 重产品，精馏塔必须有精馏段和提馏段，这种塔称为完整精 馏塔。若只要求生产高纯度、低沸点产品，为减少塔的造价 和运行费用，可只设精馏段，原料由塔底附近进塔。若只要 求生产高纯度、高沸点产品，可只设提馏段，原料由塔顶附 近进塔。这类塔称为不完整塔或半截塔。

最后应说明，精馏塔只是一种传质的通用设备。用于原料 轻重组分分离者，也称分馏塔。用于吸收天然气内的水蒸 气，使气体干燥者，称吸收塔。用于使甘醇溶液提浓，使 溶液更有效地吸收天然气内的水蒸气，这种塔称再生塔。

4 进料热状态

塔的进料通常用汽化率e表示其热状态，共有以下几种 进料情况。

过冷液体进料 饱和液相进料 部分汽化进料

e<0 e=00<e<1

饱和气相进料过热蒸气进料

e=1e>1

当已知原料和要求的产品组成时，进料热状态对所需的 接触级数量影响不大，但对进料位置有明显影响。进料 汽化率e愈高，则气相中轻组分浓度愈低，进料位置应 愈低，使精馏段有较多接触级，提馏段接触级的数量相 应减少。进料汽化率e愈高，所需塔顶回流比增加，会 增大塔径并增大塔顶冷凝器的负荷。若保持回流比不变，

进料汽化率e愈高，带入塔内的热量愈多，可减少塔底重沸器的负荷和提馏段的塔径。

对只有精馏段的不完整塔，在塔底附近进料。为防止原 料直接从塔底流出，一般在饱和或过热蒸气状态进料。 类似地，对只有提馏段的不完整塔，在塔顶附近进料， 原料一般应处于饱和或过冷状态，以防原料蒸气直接从 塔顶流出。

回流比和理论塔板数

回流比R有若干种定义方法，较常用的定义为：塔顶回流量L 与塔顶产品量D之比(以mol/h计)。

回流比减小

,理论塔板数增加。理论塔板数趋于无穷大时的 回流比称最小回流比塔顶馏出物全部冷凝后回流，称全回流,对应的理论塔板数为 最小塔板数

分馏塔的回流比应在两者之间。在某些特定情况下，可能需 要使用全回流，如塔的启动；塔的产品达不到纯度要求，进 行一段时间全回流，使塔迅速恢复正常工况；试验中测定各 层塔板分离效率等。