蒸馏与精馏的原理和应用

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：将液体混合物加热使之汽化，然后再将蒸汽冷凝的过程称为蒸馏。反复进行的多次汽化和冷凝称为精馏。蒸馏和精馏的理论基础是相平衡原理、相律、拉乌尔定律和道尔顿分压定律。此温度范围的数值和体系的压力、混合液的性质与组成有关。气液平衡时某组分在气相中的浓度与其在液相中浓度的比值称为相平衡常数。蒸馏可归纳为闪蒸、简单蒸馏和精馏3种。

(一)基本概念

原油是极其复杂的混合物，多数石油产品也是由多种不同沸点烃类组成的混合液。原油加工过程中经常依据这一特点，通过汽化和冷凝将其分离为不同沸点范围的馏分，以进一步加工成各种石油产品。

将液体混合物加热使之汽化，然后再将蒸汽冷凝的过程称为蒸馏。反复进行的多次汽化和冷凝称为精馏。蒸馏和精馏的理论基础是相平衡原理、相律、拉乌尔定律和道尔顿分压定律。

液体混合物与纯液体的液—气相变过程规律有很大的差别。例如在一定的体系压力下，纯液体有一个固定的沸腾温度即沸点。而混合液体由于其中各组分具有不同的挥发度，轻组分较重组分更易于汽化，因此在汽化时液相(以及气相)组成在不断地改变，轻组分逐渐减少，重组分相对增多，沸腾温度也随之升高，表现出一个沸腾的温度范围(亦称沸程)。此温度范围的数值和体系的压力、混合液的性质与组成有关。

在一个气、液两相体系中，当其分子从液相变为气相的速率等于从气相变为液相的速率时就达到了相平衡状态，此时气、液相的温度、压力相等，但两相的组成不同，气相中轻组分的浓度较液相中轻组分浓度为大，此时的液体称为饱和液体，蒸汽称为饱和蒸汽。当外界条件改变时，例如升高温度或降低压力，则分子从液相逸出的速率增加；相反，当温度下降或压力增大时，分子从气相返回液相的速率大于逸出速率，上述的气液平衡状态被破坏，直至体系在另一条件下重新建立起新的平衡为止。

气液平衡时某组分在气相中的浓度与其在液相中浓度的比值称为相平衡常数。

式中，ki为i组分的相平衡常数；yi为i组分在平衡气相中的浓度；xi为i组分在平衡液相中的浓度。

在同样温度和压力下，各组分具有不同的ki值，这是精馏过程赖以进行的基础，因此确定相平衡常数，对于分析气、液平衡体系的特性及进行有关的工艺计算都是很重要的。当气相为理想气体、液相为理想溶液时，应用拉乌尔定律和道尔顿分压定律得到如下关系。

式中，为在该体系温度下，混合物中i组分纯态时的饱和蒸汽压；π为体系压力。

从式(2-2)可明显地看出，相平衡常数ki值与物质的属性和体系的温度、压力有关。在高压下或对非理想溶液，由于组分之间的互相影响，不能直接应用上式求取相平衡常数时，可通过专门图表或特殊的状态方程加以计算。原油及油品不同于一般的两元或多元混合物，而有其自身的特殊性，通常都不去直接计算其相平衡常数，而是用经验的或半经验的方法来解决，但气液平衡的基本规律及其主要研究方法则是相同的。

(二)蒸馏方式

蒸馏是石油加工过程最常使用的分离手段之一，由于它具有经济、方便等特点，所以凡是需要分离的地方，总是首先考虑选用蒸馏操作。蒸馏可归纳为闪蒸(平衡汽化或一次汽化)、简单蒸馏(渐次汽化)和精馏3种。

1.闪蒸

闪蒸(亦称平衡汽化或一次汽化)是指加热液体混合物，使之达到一定的温度和压力，然后引入一个汽化空间(如闪蒸旅、蒸发塔、蒸馏塔的汽化段等)，使之一次汽化分离为平衡的气液两相，将含轻组分较多的气相冷凝下来，使混合液得到相对分离的过程。由于在加热混合液过程中产生的气相是在达到一定的温度和压力下迅速分离，即一次汽化分开的，故又称一次汽化。又由于分开的气液两相是呈平衡状态的两相，故从其汽化方式而言，也称为平衡汽化。

2.简单蒸馏

简单蒸馏是用来浓缩物料或粗略分离油料的一种手段。将混合液置于蒸馏釜中，加热到达混合物的泡点温度时将产生的气相随时引出，加以冷凝冷却收集。随着蒸馏的进行，液相逐渐变重(轻组分浓度逐渐减小)，沸腾温度随之升高，汽化生成的气相浓度也在不断变化。釜底残液只与瞬时产生的气相成平衡，而不是与前面产生的全部气相成平衡。简单蒸馏得到气相冷凝液是一个组成不断变重的混合液，最早得到的气相冷凝液中轻组分含量最高，以后轻组分含量逐渐减少，但总比残液中的轻组分含量要高。因此简单蒸馏虽然可以使混合液中的轻重组分得到相对的分离，但不能将轻重组分彻底分开，所以它只能用于分离要求不太严格的场合。

3.精馏

由于闪蒸和简单蒸馏都无法使液体混合物精确分开，为了适应生产发展的需要，就出现了多次汽化，并发展成精馏过程。人们从一次汽化可以使轻重组分得到相对分离的实践中受到启发，把一次汽化得到的气液两相继续进行平衡冷凝和平衡汽化，如此反复多次最终可得到纯度较高的轻重组分，即所谓多次汽化过程。以后又采用了精馏。把多次汽化和多次冷凝过程巧妙地组合起来，构成可以把混合液精确分开的精馏过程。

蒸馏与精馏的原理和应用

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