2.5 蒸馏与精馏操作
2.5.1 双组分精馏的操作型计算
操作型计算的任务是在设备（精馏塔板数及全塔理论板数）已定条件下，由指定的操作条件预计精馏操作的结果，或由某些操作参数（如R、F、xF、q）的改变预测其他操作参数的变化。
计算所用的方程与设计时相同，此时的已知量为全塔总板数N及加料板位置（第m块板）；相平衡曲线或相对挥发度；原料组成xF与热状态q；回流比R；并规定塔顶馏出液的采出率D/F。待求的未知量为精馏操作的最终结果——产品组成xD、xW以及逐板的组成分布。
操作型计算的特点如下。
①由于众多变量之间的非线性关系，使操作型计算一般均需通过试差（迭代），即先假设一个塔顶（或塔底）组成，再用物料衡算及逐板计算予以校核的方法来解决。有些情况下，利用吉利兰图可避免试差。
②加料板位置（或其他操作条件）一般不满足最优化条件。
2.5.2 影响精馏操作的主要因素
对于现有的精馏装置和特定的物系，精馏操作的基本要求是使设备具有尽可能大的生产能力（即更多的原料处理量），达到预期的分离效果（规定的xD、xW或组分回收率），操作费用最低（在允许范围内，采用较小的回流比）。影响精馏装置稳态、高效操作的主要因素包括操作压力、进料组成和热状况、塔顶回流、全塔的物料平衡和稳定、冷凝器和再沸器的传热性能，设备散热情况等。
（1）物料平衡的影响和制约
根据精馏塔的总物料衡算可知，对于一定的原料液流量F和组成xF，只要确定了分离程度xD和xW，馏出液流量D和釜残液流量W也就确定了。而xD和xW决定了气液平衡关系、xF、q、R和理论板数NT（适宜的进料位置），因此D和W或采出率D/F与W/F只能根据xD和xW确定，而不能任意增减，否则进、出塔的两个组分的量不平衡，必然导致塔内组成变化，操作波动，使操作不能达到预期的分离要求。
保持精馏装置的物料平衡是精馏塔稳态操作的必要条件。
（2）塔顶回流的影响
回流比和回流液的热状态均影响塔的操作。
回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用回流比来调节、控制产品的质量。例如当回流比增大时，精馏段操作线斜率L/V变大，该段内传质推动力增加，因此在一定的精馏段理论板数下馏出液组成变大。同时回流比增大，提馏段操作线斜率L'/V'变小，该段的传质推动力增加，因此在一定的提馏段理论板数下，釜残液组成变小。反之，当回流比减小时，xD减小而xW增大，使分离效果变差。
回流液的温度变化会引起塔内蒸汽实际循环量的变化。例如，从泡点回流改为低于泡点的冷回流时，上升到塔顶第一板的蒸汽有一部分被冷凝，其冷凝潜热将回流液加热到该板上的泡点。这部分冷凝液成为塔内回流液的一部分，称之为内回流，这样使塔内第一板以下的实际回流液量较R·D要大一些。与此对应的，上升到塔顶第一层板的蒸汽量也要比按（R+1）D计算的量要大一些。内回流增加了塔内实际的气液两相流量，使分离效果提高，同时，能量消耗加大。
回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内气液负荷超过允许值，则可能引起塔板效率下降，此时应减小原料液流量。回流比变化时再沸器和冷凝器的传热量也应相应发生变化。
必须注意：在馏出液流率D/F规定的条件下，借增加回流比R以提高xD的方法并非是有效的。
①xD的提高受精馏段塔板数即精馏塔分离能力的限制。对一定板数，即使回流比增至无穷大（全回流）时，xD也有确定的最高极限值；在实际操作的回流比下不可能超过此极限值。
②xD的提高受全塔物料衡算的限制。加大回流比可提高xD，但其极限值为xD=FxF/D。对一定塔板数，即使采用全回流，xD也只能以某种程度趋近于此极限值。如xD=FxF/D的数值大于1，则xD的极限值为1。
此外，加大操作回流比意味着加大蒸发量与冷凝量，这些数值还将受到塔釜及冷凝器的传热面的限制。
（3）进料组成和进料热状况的影响
进料组成的改变，直接影响到产品的质量。当进料中难挥发组分增加，使精馏段负荷增加，在塔板数不变时，则分离效果不好，结果重组分被带到塔顶，造成塔顶产品质量不合格；若是从塔釜得到产品，则塔顶损失增加。如果进料组分中易挥发组分增加，使提馏段的负荷增加，可能因分离不好而造成塔釜产品质量不合格，其中夹带的易挥发组分增多。由于进料组分的改变，直接影响着塔顶与塔釜产品的质量。加料中难挥发组分增加时，加料口往下移，反之，则向上移。同时，操作温度、回流量和操作压力等都需相应地调整，才能保证精馏操作的稳定性。
另外，加料量的变化直接影响蒸汽速度的改变。后者的增大，会产生夹带，甚至液泛。当然，在允许负荷的范围内，提高加料量对提高产量是有益的。如果超出了允许负荷，只有提高操作压力，才可维持生产，但也有一定的局限性。
加料量过低，塔的平衡操作不好维持，特别是浮阀塔、筛板塔、斜孔塔等，由于负荷减低，蒸汽速度减小，塔板容易漏液，精馏效率降低。在低负荷操作时，可适当的增大回流比，使塔在负荷下限之上操作，以维持塔的操作正常稳定。
当进料状况（xF和q）发生变化时，应适当改变进料位置，并及时调节回流比R。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况的变化，保证在精馏塔的适宜位置进料。如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。
进料热状况对精馏操作有着重要意义。常见的进料热状况有五种（前已述及），不同的进料热状况都显著地直接影响提馏段的回流量和塔内的气液平衡。如果是冷液进料，且进料温度低于加料板上的温度，那么，加入的物料全部进入提馏段，这样，提馏段负荷增加，塔釜消耗蒸汽量增加，塔顶难挥发组分含量降低。若塔顶为产品，则会提高产品质量；如果是饱和蒸汽进料，则进料温度高于加料板上的温度，所进物料全部进入精馏段，提馏段的负荷减少，精馏段的负荷增加，会使塔顶产品质量降低，甚至不合格。精馏塔较为理想的进料热状况是泡点进料，它较为经济和最为常用。对特定的精馏塔，若xF减小，则将使xD和xW均减小，欲保持xD不变，则应增大回流比。
（4）操作温度和压力的影响
1）精馏塔的温度分布和灵敏板
溶液的泡点与总压及组成有关。精馏塔内各块塔板上物料的组成及总压并不相同，因而从塔顶至塔底形成某种温度分布。在加压或常压精馏中，各板的总压差别不大，形成全塔温度分布的主要原因是各板组成不同。图2-42（a）表示各板组成与温度的对应关系，于是可求出各板的温度并将它标绘在图2-42（b）中，即得全塔温度分布曲线。
图2-42 精馏塔的温度分布
减压精馏中，蒸汽每经过一块塔板有一定的压降，如果塔板数较多，塔顶与塔底压力的差别与塔顶绝对压力相比，其数值相当可观，总压力可能是塔顶压力的几倍。因此，各板组成与总压的差别都是影响全塔温度分布的重要原因，且后一因素的影响往往更为显著。
一个正常操作的精馏塔当受到某一外界因素的干扰（如回流比、进料组成发生波动等），全塔各板的组成将发生变动，全塔的温度分布也将发生相应的变化。在一定总压下，塔顶温度是馏出液组成的直接反应。因此，有可能用测量温度的方法预示塔内组成尤其是塔顶馏出液组成的变化。但在高纯度分离时，在塔顶（或塔底）相当高的一个塔段中温度变化极小，典型的温度分布曲线如图2-43所示。这样，当塔顶温度有了可觉察的变化时，馏出液组成的波动早已超出允许的范围。以乙苯-苯乙烯在8kPa下减压精馏为例，当塔顶馏出液中含乙苯由99.9%降至90%时，泡点变化仅为0.7℃。可见高纯度分离时一般不能用测量塔顶温度的方法来控制馏出液的质量。
图2-43 高纯度分离时全塔的温度分布
仔细分析操作条件波动前后温度分布的变化，即可发现在精馏段或提馏段的某些塔板上，温度变化最为显著。也就是说，这些塔板的温度对外界干扰因素的反映最灵敏，故将这些塔板称之为灵敏板。将感温元件安置在灵敏板上可以较早觉察精馏操作所受的干扰；而且灵敏板比较靠近进料口，可在塔顶馏出液组成尚未产生变化之前先感受到进料参数的变动并及时采取调节手段，以稳定馏出液的组成。
2）塔釜温度
在操作压力不变的情况下，改变塔釜操作温度，对蒸汽流速、气液相组成的变化，都有一定的影响。提高塔釜温度时，则使塔内液相易挥发组分减少，同时使上升蒸汽的流速增大，有利于提高传质效率。如果由塔顶得到产品，则塔釜排出的难挥发物中，易挥发组分减少，损失减少；如果塔釜排出物为产品，则可提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组分中夹带的难挥发组分增多，从而增大损失。因此，在提高温度的时候，既要考虑到产品的质量，又要考虑到工艺损失。一般情况下，操作习惯于用温度来提高产品质量，降低工艺损失。
在平稳操作中，釜温突然升高，来不及调节相应的压力和塔釜温度时，必然导致塔釜液被蒸空，压力升高。这时，塔顶气液相组成变化很大，重组分（难挥发组分）容易被蒸到塔顶，使塔顶产品不合格。
3）操作压力的影响
在操作温度一定的情况下，改变操作压力，对产品质量、工艺损失都有影响。提高操作压力，可以相应地提高塔的生产能力，操作稳定。但在塔釜难挥发产品中，易挥发组分含量增加。如果从塔顶得到产品，则可提高产品的质量和易挥发组分的浓度。
操作压力的改变或调节，应考虑产品的质量和工艺损失，以及安全生产等问题。因此，在精馏操作时，常常规定了操作压力的调节范围。当受到外界因素的影响而使操作压力受到破坏时，塔的正常操作就会完全破坏。例如真空精馏，当真空系统出了故障时，塔的操作压力（真空度）因发生变化而迫使操作完全停止。一般精馏也是如此，塔顶冷凝器的冷却介质突然停止时，塔的操作压力也就无法维持。
2.5.3 间歇精馏的新型操作方式
间歇精馏是化工生产中的重要单元操作，其主要特点为：能单塔分离多组分混合物；允许进料组分浓度在很大的范围内变化；可适用于不同分离要求的物料，如相对挥发度及产品纯度要求不同的物料。
此外，间歇精馏还比较适用于高沸点、高凝固点和热敏性等物料的分离。随着精细化工及医药等工业的发展，对间歇精馏技术的要求越来越高，陆续出现了一些新塔型，如反向间歇塔、中间罐间歇塔和多罐间歇塔等。这些新型操作方式往往是针对分离任务的特点而设计的，因而其流程和操作方式更符合实际情况，效率更高、更具灵活性，在化工生产中具有很好的应用前景。
（1）塔顶累积全回流操作
这种操作也叫循环操作，塔顶设置一定容量的积累槽，在一次加料后进行全回流操作，使轻组分在塔顶累积罐内快速浓缩。当累积罐内轻组分达到指定的浓度后，将累积罐内的液体全部放出作为塔顶产品，此过程可明显缩短操作时间。这种循环操作包括进料、全回流、出料3个阶段。塔顶累积全回流操作同传统的部分回流操作方式相比，具有分离效率高、控制准确、对振动不敏感、易于操作等优点。
通过对循环操作进行实验研究，并对回流槽的持液量和全回流时间进行优化，结果表明与传统方法相比，全回流操作可节省30%的操作时间。若用于轻组分含量较高的一般分离任务，可比传统的恒回流比操作缩短操作时间40%。
（2）反向间歇精馏操作
在分批精馏时，当某些重组分是被提取的主要对象，且该组分还有一定的热敏性，经不起长时间的高温煮沸，此种情况下采用反向间歇精馏比较合适。这种塔与常规间歇塔（见图2-44）的不同之处在于：被处理物料存在于塔顶，产品从塔底馏出，称为反向间歇精馏塔（见图2-45）。首先馏出的是重组分，相当于连续塔中的提馏段。开工过程所需时间短、操作周期短、能耗低。
图2-44 常规间歇塔
图2-45 反向间歇精馏塔
通过对常规间歇精馏塔和反向精馏塔的动态特性及最优化操作进行比较，可以看出：当混合物料中轻组分含量较高时，常规间歇精馏塔优于反向精馏塔，且操作时间短；而当进料混合物中重组分含量较高时，使用反向间歇精馏塔，即显示出明显的优越性。主要原因是当低含量组分从塔内馏出时，为达到比较高的分离纯度，需要很大的回流比或再沸比，如进料组成xF=0.1、分离纯度xD=0.98时，为回收进料中的轻组分，就需要很高的回流比，而采用反向塔，由于大量重组分从塔底馏出，使得轻组分在塔中的冷凝器中不断累积而增浓，开始时再沸比很低，随着重组分的不断馏出而升高。而且当轻组分含量低时，使用反向塔比常规塔可节省一半的时间。处理量越大，相对挥发度越小，越节省时间。但当分离要求不高时，情况则相反。
虽然采用反向塔有利于轻组分含量低的情况，但是采用反向塔也存在两个难点：首先再沸器的持液量会影响操作时间，故应尽量减少再沸器的持液量，但这很难实现；其次，无法直接控制再沸器中的持液量，只能通过冷凝器中回流液间接控制。
（3）中间罐间歇精馏塔操作
中间罐间歇精馏塔也叫复合间歇精馏塔，这种塔同连续塔的相似之处是同时具有精馏段和提馏段，可以同时得到塔顶和塔底产品。中间罐相当于连续精馏塔中的进料板，如图2-46所示。这种塔比较适合于中间组分的提纯，当重组分杂质更易除去时，这种塔即显示出明显的优越性。轻重组分分别从塔顶和塔底馏出，当贮罐中中间组分达到指定浓度后即停止操作。
图2-46 中间罐间歇精馏塔
对于反应间歇精馏，使用这种结构的塔，由于能将产品不断移走，因而可提高产品的转化率。
在中间贮罐精馏塔中，由于易挥发组分在精馏段随时间减少，难挥发组分在提馏段也随时间而减少，同时采出塔顶和塔底产品，能够有效地缩短操作时间。
（4）多罐间歇精馏塔操作
多罐间歇精馏塔装置如图2-47所示。这种塔在构型上可看作是多个塔上下相连而成，中间设置多个贮罐，也叫多效间歇精馏塔。这种塔进行全回流操作，可以使相对挥发度不同的各个组分分别在塔的不同位置的贮罐内浓缩，将浓缩后的产品放出，可获得纯度很高的产品。建立足够多的中间罐即能同时分离多组分混合物，但它的设计不如一般间歇塔自由。
图2-47 多罐间歇精馏塔
多罐间歇精馏塔同传统的间歇精馏塔相比有两个优点：首先，由于能够同时采出多个产品，操作过程无产品切换，因而操作简单；其次，由于该塔本质上的多效性，因而所需能量很低，对于多组分混合物的分离，此塔所需的能量同连续精馏塔相似。
多罐间歇精馏塔的操作控制有以下几种。
①多罐间歇塔全回流操作的控制。首先通过物料衡算预先计算出每个贮罐的持液量，然后将确定的原料量加入各个贮罐中，保持持液量恒定，直到所有组分达到指定纯度。
②多罐间歇塔全回流反馈控制。即安装在塔内不同部位的多个温度传感器来调节回流量，由于所控制的温度为各纯组分的沸点，从而可使贮罐中累积的产品达到指定纯度。
③多罐间歇塔优化持液量控制。它将原料液一次性加入再沸器中，其余贮罐中的持液量逐渐增加达到最终持液量。优化结果表明，多罐间歇塔优化持液量控制比传统的间歇塔优化操作可节省47%的操作时间，比恒持液量操作节省17%的操作时间。
由于间歇精馏的过程控制复杂，以往优化操作的研究大多停留在理论阶段，生产实际难以应用。为了克服间歇精馏控制复杂及能耗高等缺点，近年来人们侧重于一些新型操作方式的开发研究，它们具有以下特点。
①这些新型操作方式往往是针对分离任务的特点而设计的，因而在流程和操作方式上更符合实际情况，从而效率更高，如反向间歇精馏方式。
②新的操作方式大多以合理利用间歇精馏的动态特性为基础，如“飞轮效应”，塔顶累积全回流操作即属于此类。
③由于间歇精馏是典型的动态过程，具有很强的不确定性，特别是多组分间歇精馏过程，存在多个产品和过渡馏分的切换，操作复杂，难以实现自动控制，所以如何从工艺角度进行简化，是重要的研究方向。多罐间歇塔属于此类。
近年来，计算机技术和智能化仪表的迅速发展为实现间歇精馏真正意义上的自动控制提供了有利条件，现代计算机控制技术与新型操作方式的结合，将会大大提高间歇精馏的技术水平。
（5）蒸馏过程的强化
对于具有恒沸点或沸点相近的物系，仅仅利用蒸馏一般难以达到有效分离的目的。为此，结合萃取、反应（包括均相和非均相）、吸附等其他化工操作单元的优势，提出或已实现工业化的有萃取蒸馏、反应蒸馏、催化蒸馏、吸附蒸馏、结晶蒸馏和膜蒸馏等。在体系中引入某些添加剂以利用溶液的非理想性质，完成改变组分间相对挥发度，而实现高效和节能的气液分离，如共沸蒸馏、加盐精馏和加盐萃取精馏等的添加物精馏。
从现在的研究工作看，强化蒸馏和传质过程的主要途径有：一是通过改进设备结构，如从改善两相流动和接触发展出的新型规整填料和喷射式并流填料塔板；二是引入质量分离剂（包括催化剂、反应组、吸附剂、有机活性组分、无机电解质等）提出的各种耦合蒸馏技术；三是引入第二能量分离剂（如磁场、电场和激光）。其中脉冲激光由于不在原有物系中引入添加物，且组分之间的物理化学性质变化很容易被人为控制，所以，随着超导材料和激光器制备技术的提高和生产成本的降低，脉冲激光在蒸馏分离中的应用将会取得巨大效益。
（6）蒸馏技术的研究方向
根据蒸馏学科的特点和研究现状，深化蒸馏研究必须突破传统研究方法，在研究思维、分析问题方式上开辟新思路，寻求新理论，吸收其他学科的最新研究成果；在应用开发上除满足传统工艺的要求外，应致力于各种新型工业领域的过程开发和设备设计。因此进行蒸馏过程基础研究，促进蒸馏技术和学科发展的关键包括以下几个方面。
1）研究深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬时发展
仅仅对宏观现象的研究，已不能满足目前要求。由于多相流的复杂结构，对整体平均量的研究并不能从根本上揭示过程机理和描述过程动态变化规律，因此局部和瞬时结构参数及其变化规律的研究逐步引起了人们的重视。
2）研究目标由现象描述向过程机理转移
表观现象的描述不足以分析过程的本质特征，因此蒸馏过程的研究目标已经逐渐由现象描述转向对过程机理的认识，由此通过认识过程机理实现有预见的新设备开发，并应用于新的工程领域。
3）研究手段逐步高技术化
计算技术、光纤技术、激光、超声波、电子等新技术的发展，为蒸馏研究提供了先进的测试手段和分析方法，使深入理解蒸馏过程中的传递动态属性和界面的非平衡特征成为可能。
4）研究方法由传统理论向多学科交叉方面开拓
近年来，统计理论、分形理论、耗散结构理论、表面物理化学等均在各自的领域中取得了重大的成就，同时学科之间的交叉更加频繁，交叉力度越加提高。所以，如果我们对蒸馏过程的传质动力学实质进行深入了解，就可以根据以上所提及的各种新理论的特点将其引入蒸馏学科的研究之中。