精餾塔釜水蒸氣直接加熱特殊性的剖析

倪獻智，牟宗剛，耿 兵，李春生

(濟南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，濟南 250022)

連續(xù)精餾操作是現(xiàn)代大規(guī)?；どa(chǎn)中分離液體混合物最常采用的操作方式。精餾過程將混合物分離為純組分，是一個需要外加能量才可進行的非自發(fā)過程，向蒸餾釜(簡稱塔釜)塔底送入載熱體就是最基本的能量消耗項目之一。在液體精餾生產(chǎn)中，水蒸氣是用于塔釜加熱最常用的載熱體，并且根據(jù)所分離混合物的性質(zhì)，通常塔釜需要間接加熱。但是，當(dāng)被分離的混合物中水是難揮發(fā)組分時，采用水蒸氣進行塔釜加熱時就沒有必要采用間接加熱了，而應(yīng)該采用水蒸氣直接加熱［1，2］，也就是說，將一定溫度壓力的水蒸氣直接通入塔釜(塔底)。在化工生產(chǎn)中稀氨水蒸餾和甲醇水溶液蒸餾就是采用塔釜水蒸氣直接加熱的典型實例。顯然，塔釜水蒸氣直接加熱，熱能利用率高，并且省去了塔釜內(nèi)換熱管子。在化工原理課程教學(xué)中，借助分析塔釜水蒸氣直接加熱時的特殊性，并完成同樣的分離任務(wù)，從精餾原理上分清采用塔釜水蒸氣直接加熱與水蒸氣間接加熱時，精餾操作所需要的理論塔板數(shù)、熱能消耗、易揮發(fā)組分的回收率、塔釜產(chǎn)物組分組成及塔釜產(chǎn)物產(chǎn)量等方面的差異，對學(xué)生深化精餾理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜問題的科學(xué)思維方式與技能有著重要意義。

一、連續(xù)精餾塔釜水蒸氣直接加熱與水蒸氣間接加熱時物料衡算的差異

以被分離的物系適宜采用塔釜水蒸氣直接加熱的連續(xù)精餾操作為例。為了表達問題方便，設(shè)被分離的物系為二元混合物。設(shè)原料的處理量為F(kmol/h)，原料中易揮發(fā)組分的摩爾分率為xF，進料的熱狀態(tài)已定。塔頂液體回流比R已經(jīng)根據(jù)設(shè)計計算所確定的最小回流比Rmin作出了選擇。在工業(yè)生產(chǎn)中塔釜水蒸氣直接加熱，一般使用的是一定溫度壓力的飽和水蒸氣，即飽和水蒸氣流量與提餾段內(nèi)上升汽相的流量相同S=(kmol/h)。我們知道圍繞精餾裝置的物料衡算是確定精餾塔頂產(chǎn)物D與塔底產(chǎn)物W的流量分配或者組分組成的基本方法。如果根據(jù)實際要求規(guī)定了精餾產(chǎn)物中組分組成為xD和xW，塔釜水蒸氣直接加熱時的物料衡算式為

由(1)、(2)兩式得到精餾產(chǎn)物分配關(guān)系為

而當(dāng)塔釜采用水蒸氣間接加熱時的物料衡算式為:

由(5)、(6)兩式得到精餾產(chǎn)物分配關(guān)系為:

當(dāng)精餾的F、xF、q、R、xD、xW相同時，對比(3)、(7)兩式會有D直接＜D間接和W直接＞W(wǎng)間接的結(jié)論，即塔釜水蒸氣直接加熱時精餾塔頂產(chǎn)物D的流量小于間接加熱時的流量，而塔底產(chǎn)物W的流量大于間接加熱時的流量。

二、精餾操作塔釜水蒸氣直接加熱時提餾段操作線方程的特殊性

當(dāng)精餾的F、xF、q、R、xD相同時，顯然，塔釜采用飽和水蒸氣直接加熱時的精餾段操作線方程、進料線方程與間接加熱時的完全相同。但是，在提餾段上=W直接=S，故提餾段的操作線方程為:

此時，提餾段的操作線通過(xw直接，0)點，與間接加熱時的提餾段操作線明顯不同了。

三、精餾操作塔釜水蒸氣直接加熱與間接加熱時在某些方面的比較

當(dāng)處理同樣的原料即F、xF、q相同，精餾操作分別采用塔釜水蒸氣直接加熱與水蒸氣間接加熱兩種方式時，所需要的理論塔板數(shù)、熱能消耗、易揮發(fā)組分的回收率、塔釜產(chǎn)物組分組成及塔釜產(chǎn)物產(chǎn)量等方面的差異需要作理論上的分析進行比較。在作分析比較之前，要明確前提條件。在實際工程中，通常回流比R根據(jù)計算做出了選擇，一般塔頂產(chǎn)物中易揮發(fā)組分的組成xD根據(jù)分離的要求而做出規(guī)定。向塔釜直接通入水蒸氣的流量需要根據(jù)精餾裝置熱量平衡及提餾段內(nèi)適宜的液汽比要求而做出規(guī)定。我們就如下工程上比較常見的兩種情況分別進行分析。

(一)精餾的F、xF、q、R、xD、xW相同時

通過前面的物料衡算已經(jīng)知道，在這種前提條件下，D直接＜D間接和W直接＞W(wǎng)間接，則在塔頂產(chǎn)物中易揮發(fā)組分的回收率發(fā)生了改變，即顯然能耗的大小與塔釜中的汽化速率成正比。與F、q、R和D的關(guān)系為:

由(10)式可知，因為D直接＜D間接，所以S= ˉV直接＜，即塔釜水蒸氣直接加熱時的熱能消耗低，這在化工節(jié)能上有著實際意義。

再比較所需要的理論塔板數(shù)。根據(jù)前提條件，塔釜水蒸氣直接加熱與間接加熱時精餾段操作線方程、進料線方程相同，但是提餾段操作線方程不同。根據(jù)上述方程(9)所繪出的塔釜直接加熱提餾段操作線見圖1所示。塔釜間接加熱提餾段操作線見圖2所示。

圖1 塔釜水蒸氣直接加熱時的操作線

圖2 塔釜水蒸氣間接加熱時的操作線

注意本比較的前提是xw直接=xw間接，顯然，由圖解法容易得到塔釜水蒸氣直接加熱時所需要的理論板數(shù)小于間接加熱時的，即NT直接＜NT間接，這意味著水蒸氣直接加熱時的精餾操作在設(shè)備費用上也會有所降低。

(二)當(dāng)精餾的F、xF、q、R、xD相同，并且要求易揮發(fā)組分的回收率相同時

通過上述兩種情況比較可見，在作塔釜水蒸氣直接加熱的精餾與間接加熱的精餾分析時，前提條件是最基本的出發(fā)點。前提條件不同，分析所得到的結(jié)論不同。另外值得說明，塔釜水蒸氣直接加熱的精餾與高沸點有機混合物的水蒸氣蒸餾，從設(shè)備操作的外觀形式來看均是向塔釜通入水蒸氣的精餾操作，但是性質(zhì)不同的兩種問題。高沸點有機混合物的水蒸氣蒸餾是通過自塔釜向塔內(nèi)通入水蒸氣，降低塔內(nèi)有機混合物的沸點溫度，達到降低實際精餾操作溫度的目的。

圖3 塔釜水蒸氣直接加熱與間接加熱時的操作線

總之，在化工原理課程教學(xué)中，在講清精餾基本理論原理的基礎(chǔ)上，借助像塔釜水蒸氣直接加熱、多股進料和多側(cè)線出料等特殊性的問題，從精餾原理上給予學(xué)生深入細致地分析講授，使得學(xué)生既能達到精餾理論知識的鞏固與深化，又能得到分析研究實際復(fù)雜工程問題科學(xué)思維方式與技能的訓(xùn)練。教師應(yīng)在深入分析研究各化工單元操作的教學(xué)內(nèi)容時，盡量多地尋找這種帶有特殊性的工程問題，作為教學(xué)過程中鞏固理論和培養(yǎng)能力的重要題材，同時這也是為豐富化工單元操作理論做的有益探索。

［1］陳敏恒，叢德滋，方圖南.化工原理教與學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

［2］陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理(第三版)(下冊)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.