工业技术中精馏的原理研究

张世明（河南科技学院新科学院化学工程与工艺系，河南新乡453000）

工业技术中精馏的原理研究

张世明（河南科技学院新科学院化学工程与工艺系，河南新乡453000）

随着社会经济的不断发展，科学技术的不断创新，化学工业发展得到质的飞跃。精馏作为一项采用回流促使液体混合物进行高纯度分离的蒸馏方法，是各个行业领域应用最为普遍的液体混合物分离操作。本文将进一步对工业技术中精馏原理展开分析与探讨，旨在为同行业者提供相关科学依据。

工学技术；精馏；原理分析

当前是一个经济全球化的时代，工业产业发展要与时俱进，跟上时代前进的脚步。精馏作为现代化学工业中应用最为广泛的关键共性技术，在各个行业领域中发挥出了重要的价值作用。相对于其他化工分离技术，精馏最大的优势在于其更加成熟完善，在工业生产过程中占据了较大的应用比重。在精馏分离技术实践操作中，所涉及到的设备主要包括了精馏塔、再沸器以及冷凝器等，基于热能驱动和相平衡关系的限制下，液体混合物中的易挥发组分会从液相往气相中转移，而难挥发组分最会转移到液相中，这样就形成了分离状态，整个过程称作为精馏。

1 精馏原理分析

随着时间的不断推移，化学工程技术的创新完善，分离技术逐渐朝着多元化方向不断发展。在市场中常见的化工分离技术主要包括了精馏、吸收、结晶、萃取以及吸附等。其中，精馏是被应用最为广泛、技术最为成熟的化工分离技术，被广泛的应用在石油、化工以及食品等行业领域中。精馏操作原理是基于数次运用部分汽化和部分冷凝的方法，促使液体混合物能够顺利完成分离过程，这样就能够有效获得接近纯组分的操作[1]。

工业技术中的精馏装置构成主要包括了精馏塔、冷凝器以及再沸器等，如下文所示为连续精馏过程和塔物料流动装置构成。在精馏塔内每隔一定的高度就必须合理设置一块塔板，又或者是在其中堆放填料。通过促使气液两相与填料、塔板相互接触，就能够有效发生部分冷凝和部分汽化现象。原料液由精馏塔中间的一块塔板上流至塔内，此塔板叫做为加料板。在精馏原理研究中，工作人员通常将精馏塔划分为两段，一段是加料板以上部分称作为精馏段，另一段则是加料板以下部分称作为提馏段，加料板属于提馏段。当放入精馏塔的原料在加料板上于塔内气液相互汇合后，液体混合物中的易挥发组分会从液相往气相中转移，而难挥发组分最会转移到液相中。要想保障精馏塔内的所有塔板上都能够具有正在下降的液体以及上升的蒸汽，顺利实现部分汽化和部分冷凝的分离操作，只能通过把精馏塔顶部冷凝器中的冷凝液其中一部分作为产品，另一部分则让其回流到塔内。同理可知，当液体下降到精馏塔底部再沸器的过程中，也只能将液体其中一部分作为产品，另外一部分这样在汽化后重新流至塔内。

蒸汽会从精馏塔底部以自下而上的顺序依次经过各层塔板，在整个过程当中，蒸汽会与每个塔板上的液体层发生接触，从而使得部分液体发生汽化现象，部分蒸汽则会发生冷凝现象，这样一来蒸汽中的易挥发组分就会随着塔板层数的递增越来越浓，当蒸汽达到精馏塔顶部时，就会达到事先设计规定好的浓度，待到冷凝后就能够有效获得需求产品。与此同时，液体从精馏塔顶部向下回流的过程中，液体会与精馏塔内的每块塔板相接触，当回流液体与上升的蒸汽汇合后，就会促使液体发生汽化，其中易挥发的组分浓度开始逐渐下降，而难以会发组分浓度则会开始不断极龘，最后从再沸器出来，就形成了工作人员想要的产品釜残夜。

结合连续精馏过程和塔物料流动示意图可知，在整个精馏塔分离操作中，各个塔板上的易挥发组分浓度会随着层数从上往下递减而降低，而当某块塔板上的浓度与原料液中浓度较为接近时，就会促使料液从此块塔板流入[2]。因为精馏塔底部大多数都是难以挥发的组分，所以精馏塔底部温度通常最高。相反，精馏塔顶部大多数都是容易挥发部分，所以精馏塔顶部温度最低，总结得出在精馏过程中，精馏塔内的温度是从下往上逐渐下降的。

2 回流比及回流的作用

2.1 回流比

在精馏实践操作过程中，精馏塔顶馏出物一部分D作为产品采出，而另一部分物料L则会从塔顶流回至精馏塔中，该部分物料L与采出物料D的实际比值就称作为回流比R，公式是R=L/D。

2.2 回流的作用

回流比的数值对精馏塔有着关键的作用。工作人员在对回流比进行科学设计时，如果回流比持续增加，则会导致精馏段操作线在y轴上的截距不断减小，如下图1所示。点c和点d会同时向下开始移动，最后造成操作线完全偏离平衡线，促使精馏塔所需的理论塔板数不断减少，这样对精馏操作过程有一定的益处。但是，也不是证明回流比数值越大越好，当回流比大到一定程度，会使冷凝器与再沸器负荷过大，这样精馏塔的整体负荷就会不断加大，内部塔径也要随之增加，提高了装置成本支出。工作人员在精馏塔实际操作内容方面，要注重有效提升产品的纯度，结合精馏操作实际情况，合理补充易挥发组分，这样才能够有效确保精馏连续操作过程的稳定可靠性。

图1 回流比与精馏操作之间的关系示意图

3 精馏塔的相平衡关系

3.1 精馏塔物料平衡

精馏塔物料平衡指的是放入塔内的物料量要与出塔的物料量保持一致，他们之间的关系可以用公式F=D+W来表示。其中，F代表的是进塔原料液流量，D代表塔顶采出液流量，而W则是釜液采出流量。

3.2 组分平衡

工作人员要想确保整个精馏分离操作过程的持续稳定性，不仅仅要保证进出塔物料量的一致性，还必须关注到易挥发和难挥发组分之间平衡关系。只有维持进出塔的物料量和组分都相等，才能够有效保障精馏塔内物料组成保持在一个相对稳定的范围之内。组分平衡关系可以用公式FxF=DxD+WxW来表示。其中FxF代表的是原料液中易挥发组分含量，DxD代表的是馏出液中易挥发组分含量，WxW代表的是塔釜液中易挥发组分含量

3.3 热量平衡

精馏塔塔内的热量平衡关系可以表示为：进塔物料所蕴含的内能加上再沸器中输入能量应该与精馏塔顶部冷凝器的换热量，精馏塔顶部采出液与塔釜采出液的内能之和相同，如果差距过大，就会导致精馏过程停止运行操作。倘若是输入热量大于输出热量，就会造成精馏塔底难挥发组分大量进入到产品中[3]，最终得到的产品质量偏差；倘若是输入热量严重不足，则又会造成易挥发组分不能得到充分热量，致使大量原料的浪费。

4 双组分混合液的精馏操作

双组分混合液分离是在化工领域最为常见的精馏操作，在实践操作过程中所涉及到核心设备连续精馏装置，该装置构件主要有精馏塔、再沸器以及冷凝器等。其中，精馏塔的作用是供气液互相接触进行相际传质；在精馏塔底部的再沸器作用是促使液体部分发生汽化，蒸汽随着塔板慢慢上升，剩余下来的液体成为塔底产品；在精馏塔顶部的冷凝器作用是促使蒸汽得到部分冷凝，部分冷凝液作为回流液流入到塔底，剩余的馏出液成为塔顶产品。进入精馏塔中的液体与上塔段来的液体共同顺着塔板慢慢往下降落，同时进料中的蒸汽则会随着下塔段来的蒸汽共同沿着塔板往上升。在精馏塔设备内，蒸汽与液体两者之间会进行逆流接触，从而发生相际传质。此时，液相中的易挥发组分会成功进入到气相中，而气相中的难挥发组分则会成功进入到液相中。工作人员要不断加强对精馏装置的优化设计工作，这样才能够确保馏出液成为高纯度的易挥发组分，塔釜液成为高纯度的难挥发组分。精馏塔内的两段操作操作结合，促使双组分混合液的两个组分较完全的分离，最后顺利生产出企业需求的相关产品，帮助企业创造出更多的经济效益和社会效益。

5 结语

综上所述，工业产业要不断加强对精馏技术的深入研究开发工作，要想最大程度提升精馏传质效率，就必须积极开发出新型高效塔板和填料。基于科学的传质理论知识下，相关工作人员要建立更加精确完善的传质模型，用来全面描述气液传质的过程。只有在众多技术研究人员共同努力下，才能够促进我国精馏技术的稳定持续发展进步。

[1]任海伦,安登超,朱桃月,李海龙,李鑫钢.精馏技术研究进展与工业应用[J].化工进展,2016(35):121-123.

[2]李港桥.工业技术中的精馏原理探究[J].产业与科技论坛,2014(05):142-145.

[3]于光认，陈晓春，刘辉，刘时伟．工业湍动流化床反应器内流体力学行为的模型化研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2014(02):35-36.

张世明（1996.2-），男，汉族，河南郑州人，河南科技学院新科学院化学工程与工艺系2014级本科在读，研究方向：化学工艺、化工原理