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精餾操作基本知識
1、
何為相和相平衡：
答：相就是指在系統(tǒng)中具有相同物理性質和化學性質的均勻部分，不同相之間往往有一個相界面，把不同的相分別開。系統(tǒng)中相數(shù)的多少與物質的數(shù)量無關。如水和冰混合在一起，水為液相，冰為固相。一般情況下，物料在精餾塔內是氣、液兩相。
在一定的溫度和壓力下，如果物料系統(tǒng)中存在兩個或兩個以上的相，物料在各相的相對量以及物料中各組分在各個相中的濃度不隨時間變化，我們稱系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。平衡時，物質還是在不停地運動，但是，各個相的量和各組分在各項的濃度不隨時間變化，當條件改變時，將建立起新的相平衡，因此相平衡是運動的、相對的，而不是靜止的、絕對的。比如：在精餾系統(tǒng)中，精餾塔板上溫度較高的氣體和溫度較低的液體相互接觸時，要進行傳熱、傳質，其結果是氣體部分冷凝，形成的液相中高沸點組分的濃度不斷增加。塔板上的液體部分氣化，形成的氣相中低沸點組分的濃度不斷增加。但是這個傳熱、傳質過程并不是無止境的，當氣液兩相達到平衡時，其各組分的兩相的組成就不再隨時間變化了。
2、何為飽和蒸汽壓？
答：在一定的溫度下，與同種物質的液態(tài)（或固態(tài)）處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強叫飽和蒸汽壓，它隨溫度的升高而增加。眾所周知，放在杯子里的水，會因不斷蒸發(fā)變得愈來愈少。如果把純水放在一個密閉容器里，并抽走上方的空氣，當水不斷蒸發(fā)時，水面上方氣相的壓力，即水的蒸汽所具有的壓力就不斷增加。但是，當溫度一定時，氣相壓力最中將穩(wěn)定在一個固定的數(shù)值上，這時的壓力稱為水在該溫度下的飽和蒸汽壓。
應當注意的是，當氣相壓力的數(shù)值達到飽和蒸汽壓力的數(shù)值是，液相的水分子仍然不斷地氣化，氣相中的水分子也不斷地冷凝成液體，只是由于水的氣化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液體量才沒有減少，氣體量也沒有增加，氣體和液體達到平衡狀態(tài)。所以，液態(tài)純物質蒸汽所具有的壓力為其飽和蒸汽壓時，氣液兩相即達到了相平衡。
3、何為精餾，精餾的原理是什么？
答：把液體混合物進行多次部分汽化，同時又把產(chǎn)生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分離為所要求組分的操作過程稱為精餾。
為什么把液體混合物進行多次部分汽化同時又多次部分冷凝，就能分離為純或比較純的組分呢？對于一次汽化，冷凝來說，由于液體混合物中所含的組分的沸點不同，當其在一定溫度下部分汽化時，因低沸點物易于氣化，故它在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當對部分汽化所得蒸汽進行部分冷凝時，因高沸點物易于冷凝，使冷凝液中高沸點物的濃度較氣相高，而為冷凝氣中低沸點物的濃度比冷凝液中要高。這樣經(jīng)過一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通過各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次的這樣進行下去，將最終在液相中留下的基本上是高沸點的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點的組分。由此可見，多次部分汽化和多次部分冷凝同時進行，就可以將混合物分離為純或比較純的組分。
液體氣化要吸收熱量，氣體冷凝要放出熱量。為了合理的利用熱量，我們可以把氣體冷凝時放出的熱量供給液體氣化時使用，也就是使氣液兩相直接接觸，在傳熱同時進行傳質。為了滿足這一要求，在實踐中，這種多次部分汽化伴隨多次部分冷凝的過程是逆流作用的板式設備中進行的。所謂逆流，就是因液體受熱而產(chǎn)生的溫度較高的氣體，自下而上地同塔頂因冷凝而產(chǎn)生的溫度較低的回流液體（富含低沸點組分）作逆向流動。塔內所發(fā)生的傳熱傳質過程如下1）氣液兩相進行熱的交換，利用部分汽化所得氣體混合物中的熱來加熱部分冷凝所得的液體混合物；2）氣液兩相在熱交換的同時進行質的交換。溫度較低的液體混合物被溫度較高的氣體混合物加熱二部分汽化。此時，因揮發(fā)能力的差異（低沸點物揮發(fā)能力強，高沸點物揮發(fā)能力差），低沸點物比高沸點物揮發(fā)多，結果表現(xiàn)為低沸點組分從液相轉為氣相，氣相中易揮發(fā)組分增濃；同理，溫度較高的氣相混合物，因加熱了溫度較低的液體混合物，而使自己部分冷凝，同樣因為揮發(fā)能力的差異，使高沸點組分從氣相轉為液相，液相中難揮發(fā)組分增濃。
精餾塔是由若干塔板組成的，塔的最上部稱為塔頂，塔的最下部稱為塔釜。塔內的一塊塔盤只進行一次部分汽化和部分冷凝，塔盤數(shù)愈多，部分汽化和部分冷凝的次數(shù)愈多，分離效果愈好。
通過整個精餾過程，最終由塔頂?shù)玫礁呒兌鹊囊讚]發(fā)組分，塔釜得到的基本上是難揮發(fā)的組分。
4、什么是露點？
答：把氣體混合物在壓力不變的條件下降溫冷卻，當冷卻到某一溫度時，產(chǎn)生的第一個微小的液滴，此溫度叫做該混合物在指定壓力下的露點溫度，簡稱露點。處于露點溫度下的氣體稱為飽和氣體。從精餾塔頂蒸出的氣體溫度，就是處在露點溫度下。值得注意的是：第一個野地不是純組分，塔時露點溫度下與氣相平衡的液相，其組成有相平衡關系決定。由此可見，不同組成的氣體混合物，塔的露點是不同的。
5、什么是泡點？
答：液體混合物在一定壓力下加熱到某一溫度時，液體中出現(xiàn)的第一個很小的氣泡，即剛開始沸騰時的溫度叫該液體在指定壓力下的泡點溫度，簡稱泡點。處于泡點溫度下的液體稱為飽和液體，即精餾塔的釜溫溫度。應該說明，這第一個很小的氣泡，也不是純組分，它的組成也是有相平衡關系決定的。
6、什么是沸點？
答：當純液體物質的飽和蒸汽壓等于外壓時，液體就會沸騰，此時的溫度叫做該液體在指定壓力下的沸點。純物質的沸點是隨外界壓力的變化而改變的。當外界壓力增大時，沸點升高，外界壓力降低時，沸點降低。對于純物質來說，在一定壓力下，泡點、露點、沸點均為一個數(shù)值。
7什么是潛熱？
答：單位重量的純物質在相變（在沒有化學反應的條件下，物質發(fā)生了相態(tài)的改變，稱相變。如水結成冰或水汽化成水蒸氣等成為相變過程。）過程吸收或放出的熱叫潛熱。如1公斤水由液態(tài)受熱變成水蒸氣的過程中所吸收的熱叫水的汽化潛熱，常用單位為千卡/公斤。值得注意的是，在相變時溫度和壓力都是不變的，否則不能稱之為潛熱。因此，在說潛熱數(shù)值時，要說明在什么溫度什么壓力下，進行何種相變過程。如1公斤水在760毫米汞柱壓力，100攝氏度下汽化，汽化潛熱為539.6千卡。相反，在此條件下，水蒸汽冷凝釋放出來的熱，稱為冷凝潛熱，數(shù)值與上相等?；旌衔锏臐摕峥梢詫崪y或計算，其數(shù)值的大小除了和組分的性質有關外，還和組分的含量有關，不是一個固定的數(shù)值。
8、什么是顯熱？
答：純物質在不發(fā)生相變和化學反應的條件下，因溫度的改變而吸收或放出的熱量叫顯熱。
9什么是回流比
答：在精餾過程中，混合液加熱后所產(chǎn)生的蒸汽由塔頂蒸出，進入塔頂冷凝器。蒸汽在此冷凝（或部分冷凝）成液體，將其一部分冷凝液返回塔頂沿塔板下流，這部分液體叫做回流液；將另一部分冷凝液（或未凝蒸汽）從塔頂采出，作為產(chǎn)品?；亓鞅染褪腔亓饕毫颗c采出量的重量比，通常以通常以R來表示，即
R=L/D
式中R-回流比
L-單位時間內塔頂回流液體量，公斤/小時。
D-單位時間內塔頂采儲量，公斤/小時。
10、什么是最小回流比？
答：在規(guī)定的分離精度要求下，即塔頂、塔釜采出的組成一定時，逐漸減少回流比，此時所謂的理論板數(shù)逐漸增加。當回流比減少到某一數(shù)值時，所需的理論板數(shù)增加至無數(shù)多，這個回流比的數(shù)值，成為完成該項預定分離任務的最小回流比。通常操作時的實際回流比取為最小回流比的1.3～2倍。
精餾
1、精餾塔組成：精餾塔一般是由若干塔板組成。一塊塔板上只進行二次部分氣化和部分冷凝。塔板越多，部分氣化和部分冷凝的次數(shù)越多，分離效果越好。精餾塔的內件可由填料組成，在填料層內，當氣液相接觸時，即伴隨著氣化和冷凝的進行，顯然，填料的效果和高度將影響分離的效果。
2、回流：通過整個精餾過程，最終由塔頂?shù)玫礁呒兌?，易揮發(fā)的組分，由塔頂餾出，塔釜得到基本是難揮發(fā)的組分。精餾六區(qū)別于一次蒸餾在于回流，包括塔頂?shù)囊合嗷亓骷八椎牟糠謿饣斐傻囊合嗷亓鳌；亓魇菢嫵蓺庖合嘟佑|傳質傳熱的必要條件。沒有氣液兩相的接觸也就無從進行質的交換。當然組分揮發(fā)度的差異仍然是精餾過程的基礎。精餾過程中混和液加熱所產(chǎn)生的蒸汽由塔頂餾出，進入塔頂分離器，冷凝成液體將其一部分冷凝液返回塔頂，沿塔板下流，這部分液體稱為回流液。將一部分冷凝從塔頂采出作為產(chǎn)品，回流比就是精餾段內液體回流與采出液量之比。回流比大，分離效果好，產(chǎn)品質量高，回流比過大，生產(chǎn)能力下降，能耗增加，回流比對精餾操作影響很大，直接關系到塔內各層塔板上的物料濃度的改變和溫度的分布，最終反映在它的分離效率上。
3、回流比的調節(jié)：
調節(jié)的依據(jù)是:根據(jù)塔的負荷和精甲醇質量,當塔的負荷較輕時,這時塔板比較富余,可以取較低的回流比,比較經(jīng)濟,為了保證精甲醇的質量,精餾段靈敏板的溫度可控制略低,反之,則增大回流比,在照顧精甲醇的質量的同時,為保持塔釜溫度、靈敏板的溫度可控制略高。對精甲醇的精餾，回流比過大或過小都會影響精餾操作的經(jīng)濟性和精甲醇質量，一般負荷變動和正常條件受到破壞和產(chǎn)品不合格時調節(jié)回流比。調節(jié)后盡可能保持塔釜的加熱量穩(wěn)定，使回流比穩(wěn)定。在調節(jié)回流比的同時，要注意板式塔的操作特點，防止液泛和嚴重漏液，都會造成塔內操作溫度的混亂。
4、進料量的影響：
精餾塔進料量和組成改變時，都會改變塔內的物料平衡和氣液平衡，引起塔溫的波動，如不及時調節(jié)，將會導致精甲醇質量不合格或增加甲醇的損失。一般進料量在塔的操作條件下和附屬設備能力允許范圍內波動時，只要調節(jié)及時，對塔頂及塔釜溫度不會有顯著的影響，只是影響塔內蒸汽速度的變化，但是量的變動宜緩慢進行，否則限于塔板的操作特點，短時間內可造成塔頂、塔釜溫度變化，而影響精甲醇的質量和損失。處理方法：進料量變化后，應根據(jù)回流比的情況，考慮調節(jié)熱負荷，當進料量增加時，蒸汽上升的速度增加，一般對傳質有利的，但蒸汽速度必須低于液泛速度，當進料量減少，蒸汽速度降低，對傳質不利。因此，蒸汽速度不宜過低。有時為了保持塔板的分離效率，有意適當增大回流比，也提高塔內蒸汽上升速度，提高傳質效果，這個方法自然是不經(jīng)濟，由此精餾塔不宜在低負荷下操作。
5、壓力降：塔釜與塔頂?shù)膲毫Σ睢?/font>
精餾生產(chǎn)與精餾的壓力降有密切關系，對于板式塔來說，塔板的壓降由三部分組成：（1）干板壓力降；（2）液層壓力降；（克服液體表面張力的壓力降）。
塔釜與塔頂?shù)膲毫Σ?，是全塔每一塊塔板壓力差的總和，干板壓力差就是精餾塔內上升蒸汽通過沒有液體存在的塔板所產(chǎn)生的壓力降。液層壓力降是氣體穿過每層塔板上液體層使所產(chǎn)生的壓力降。液體表面張力的壓力降是使氣體服液體表面張力所產(chǎn)生的壓力降。
壓降波動會引起溫度和組分間相對應關系的混亂，我們在操作中經(jīng)常以溫度作為衡量產(chǎn)品質量的間接標準。但這只有在正常恒定塔壓的前提下才是正確的，當塔壓上升時，混和物的沸點也隨之上升，引起全塔溫度隨之改變。溫度與產(chǎn)品質量的相應關系也將發(fā)生改變。壓降增大組分間的揮發(fā)度降低，分離效率下降，壓降升高，氣相中的重組分減少，相應地提高輕組分的濃度，使液相量增加，氣相量減少，總的結果是塔頂餾份中輕組分的濃度增加，但數(shù)量卻相對的減少，釜液中輕組分濃度也增加，釜液量增加，壓力降改變將對塔的穩(wěn)定操作帶來較大影響，因此在塔的操作中，應維持塔壓降的正常范圍。
6、壓力降增大的危害及處理
精餾塔中，塔內上升蒸汽速度過大，超過最大允許速度并增大至某一數(shù)值，液體被氣體阻攔，不能向下流動，越積越多，甚至從塔頂溢出，稱之為液泛，此時塔的壓力降猛升，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。不管是板式塔還是填料塔，均應停止或減少進料量，稍減再沸器蒸汽量，降低釜溫，停止塔頂采出，進行全回流操作，使湧帶到塔頂，上層的難揮發(fā)組分慢慢流回塔釜和塔下正常位置，當生產(chǎn)不允許停止進料時，可將釜溫控制在稍低于正常操作溫度，加大塔頂采出量（此時精甲醇可能不合格），減小回流比，當塔壓差達到正常后，再逐漸恢復正常操作條件。
7、冷凝溫度的控制
以輕組分為主的大部分有機雜質，是通過精餾塔頂?shù)睦淠?，未被冷凝再?jīng)液封槽后放空脫降。冷凝溫度起著分水嶺的作用。控制溫度的高低對脫除雜質的成分有著直接的關系，粗甲醇雜質的含量與成份，主要決定于合成催化劑的選擇，催化劑溫度及壓力的變化，對雜質的成分和總量均有極大的影響，尤其是觸媒進入中后期，隨著溫度及壓力的上升，有機雜質中高沸點成分及含量有了明顯增加，銅基觸媒早期副產(chǎn)品乙醇，含量大約1公斤內含150-200毫克，后期乙醇可達到1公斤里1000-2000毫克，銅基早期使用副產(chǎn)品很少，所以預塔塔頂冷凝溫度可控制在30-40℃。如果觸媒使用至后期，甲醇質量可能不達標。因此隨著觸媒反應溫度及壓力的升高，冷凝溫度也相應提高，有利于雜質的有效脫除。
8、靈敏板溫度的選擇
在精餾中選擇靈敏板是為了更好調節(jié)精餾溫度，在操作中發(fā)現(xiàn)某一塊板成某一段板液的組成變化較大，反映出的溫度變化也大，發(fā)現(xiàn)變化時使物料平衡被打破。該板和該區(qū)域的板段溫度變化最靈敏。實際生產(chǎn)中就選取其中一塊作為靈敏板，以此溫度作為參照來控制物料的變化。主塔靈敏板選擇在自下向上第八塊到十二塊處?？刂齐s醇油采出的溫度一般在88-94℃，控制該點溫度的好處有：（1）變化靈敏、調節(jié)準確；（2）可以提前看出物料變化的趨勢，提前調節(jié)。
溫度升高說明重組分上移，溫度下降說明輕組分下移，特別是溫度下降時，應提前加大塔頂采出或減少進料量，必要時增加雜醇的采出，避免甲醇與中沸點組分（雜醇）下移到塔釜，而造成塔底排出的殘液超標。
預塔靈敏板是自上而下第26到第36塊板上，溫度控制在76-80℃。由于塔頂值的中部溫差很少，塔頂溫度變化幅度很少。只有在物料很不平衡的狀況下才能明顯反映出來。這時若調節(jié)塔釜溫度，往往容易調節(jié)滯后，造成大幅度的波動。而塔中部的溫度與濃度改變較大，因此溫度控制在一定范圍內，就可以保證塔頂溫度和組份，當物料平衡一旦破壞，此處塔溫反應最靈敏的地方，通過預先調節(jié)以保證全塔，特別是塔頂溫度穩(wěn)定，溫度的維持是全塔物料平衡的關鍵。
9、塔頂溫度的控制
精餾主塔頂溫度是決定甲醇產(chǎn)品質量的重要條件，實質上是在操作壓力下，純甲醇的沸點溫度。通常控制塔頂溫度在66-67℃，在塔壓穩(wěn)定的情況下，塔頂溫度升高則說明塔頂重組分增加。當然，必須明確判斷是工藝操作原因還是設備冷凝器泄漏的原因。前者往往是由于塔內重組分上升，后者則由于塔外水分被回流液帶至塔頂。若工藝上操作的原因，則調節(jié)蒸汽量和回流量，若回流比小，則增加蒸汽量，提高回流比，必要時可減小或停止采出精甲醇，待塔頂溫度正常后再采出，以保證塔內物料平衡，如果是設備冷凝器漏，則應停車處理。
10、塔釜溫度的控制
塔底溫度的控制是一項重要環(huán)節(jié)，如果塔內分離效果好，主塔釜液接近水的單一組份，其沸點約為106-110℃。維持釜底正常溫度可避免甲醇流失。如果塔底溫度降低，往往是由于輕組份帶至殘液中，或者是熱負荷驟減，又可能是塔下部分重組分過多造成，這時需判明情況進行調節(jié)，如調節(jié)回流，增加熱負荷，增加甲醇的采出，增加重組份的采出及減少進料量。
11、塔釜液面變化對精餾的影響
塔釜液面的穩(wěn)定，是維持恒定釜溫的首要條件，塔釜液面的變化，主要決定于塔底排出量的大小。當塔底排出量過大時，會造成塔釜液面降低成抽空，這將使通過蒸發(fā)器的釜液循環(huán)量減少，從而影響整個加熱釜的傳熱效率，塔釜的蒸發(fā)量減少，蒸汽速度降低，以至破壞塔內的熱量平衡和傳質效果。如果塔底排出量過小，將會造成塔釜液面過高，增加了釜液循環(huán)的阻力，同樣造成傳熱不好，釜溫下降，正確的液面應保持在揮發(fā)管下沿。
工藝上影響塔釜液面變化的因素有：（1）釜液組成變化，在壓力不變的前提下，降低釜溫，就改變了塔釜的氣液平衡，加大了釜液量和釜液中輕組分的含量，如果釜液排出量不變，釜液也會升高，發(fā)生這種情況應恢復釜溫。（2）進料量變化，如果進料中水和重組分含量增加，釜液量也會增加，如果不增加釜液的排出，而采用升高釜溫的辦法，將使重組分帶至塔頂。進料時增大，相應釜液量排放量增大，否則釜液面增高。在開車的初期，由于塔板上液體較少，還沒有處于良好的氣液接觸狀態(tài)，大量輕組分容易進入塔釜。氣化的量一時滿足不了塔內熱量的要求。因此對于剛開車的塔，應在進料的同時，首先再沸器預熱，在塔釜建液面后，適當供熱。塔釜溫度若不及時提起，釜液面過高，釜液排出量增大，則甲醇損失增大。如果進料量大，而塔頂采出量不大，后果使原有的物料平衡和氣液相組成破壞，回流比增大，塔內物料增多，釜液中甲醇濃度增加，上升蒸汽濃度增大，塔頂與塔底的壓差增大，嚴重時會引起液泛。進料量增大，則采出量增大，如進料量不變，采出量增大，則重組分上升，回流比減小，各塔板上回流液量減少，氣液接觸不好，傳質傳熱效率下降，同時操作壓力下降，結果是各塔板上的氣液組成發(fā)生變化，重組分被帶到塔頂，尤其是精餾段靈敏板的溫度會首先反映出上漲的現(xiàn)象。
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