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我们经常会提到精馏塔的操作参数，塔压、塔板数、进料位置、回流比、馏出量等等。但是实际上，还有一个影响精馏塔操作和分离效率的因素，但很多情况下并不做详细的考虑。尤其是对于化工设计竞赛的同学而言，刚接触专业知识，在使用Aspen跑流程的时候很容易就会忽略考虑，不管什么进料温度，比如反应器的出料温度可能很高，啥都不管一股脑直接进精馏塔，这其实是需要加以考虑的。** 精馏塔的进料按照热状况来说，有五种，分别是过冷液相、饱和液相（泡点进料）、气液两相、饱和气相（露点进料）和过热气相。不同的进料方式，携带进入塔内的热量不同，就会改变精馏塔内的温度分布。在设计塔的时候，如果我们尝试考察改变进料的热状况，那么我们会发现达到相同的分离效果，塔板数、进料位置以及冷凝器和再沸器负荷可能都会发生改变。** 一般而言，在化工原理书籍的精馏或者蒸馏一章都会提及精馏塔的图解法计算理论板数或者进料热状况对提馏段操作线方程的影响。下面这个方程是精馏段操作线方程和进料方程（q线方程），可以发现，当回流比和塔顶馏出物纯度确定后，精馏段操作线方程是固定的。而进料方程与进料热状况有关，q的不同数值代表不同的进料热状况。** 精馏段操作线方程进料方程（q线方程）接下来运用图解法，在y-x图中绘制相关线条，ab线为精馏段操作线方程，f1-f5分别对应于过冷液相、饱和液相（泡点进料）、气液两相、饱和气相（露点进料）和过热气相的进料方程（简单记忆的方法：随着进料温度越来越高，q线逆时针旋转）。而提馏段操作线方程就是精馏段操作线方程与进料方程的交点与塔底产品纯度点的连线。可以看到，随着进料温度的逐步上升（由冷液进料逐步变为过热气相进料），提馏段操作线的斜率越来越大，其与平衡线的间隙则越来越小，这对应的化工知识就是传质的推动力越来越小。** 图1通过图解法绘制理论板数就可以很明显感受到不同的进料方式对精馏塔的影响，其方法就是在平衡线与精馏段和提馏段操作线之间绘制“台阶”，在平衡线上相交的数量就代表理论板的数量，进料方程与平衡线的交点可以认为是合适的进料位置。** 图2通过两种特殊的进料方式来看看其中的差距，泡点进料和露点进料。如下图所示，从泡点进料到露点进料，因为精馏段操作线没有变化，所以主要影响的是提馏段，随着提馏段操作线与平衡线的间隙变小，绘制“台阶”的数量就越多，所需理论板数就越多。而且合适的进料位置也会下移（泡点进料是5-6理论板之间，露点进料在8-9理论板之间）。** 图3单从分离效果这个方面来考虑的话，冷液进料或者泡点进料是较为合适的，因为这会使得提馏段操作线与平衡线之间的间隙变大，传质推动力增强。不过从图1中f1-f5的线也可以看出，从泡点进料到过冷进料（f2-f1），虽然间隙有增大，但增大的其实已经不是很明显了，也即对传质推动力的影响减弱。同时，泡点进料的方式意味着进料的温度与进料板处气液两相的温度一致，全塔的温度曲线的变化较为平稳，塔操作也较为平稳。** 所以说，在一般情况下，我们需要避免过热气相进料（它对提馏段的分离效率影响较大，增加塔板数，增加固定投资），选择泡点（饱和液相）或者过冷液相（有一定的过冷度）进料。** 同时我们也需要权衡很多其他的因素，如固定投资（毕竟改变进料热状况需要增加换热器等设备）、能耗和塔类型和合适的物料输送方式。如果初始进料并非是合适的进料方式（比如气液两相进料，或者过冷度较大的冷液进料，对分离效率影响不大时），如果对其预冷/预热的公用工程和冷凝器/再沸器的公用工程一致，那么就不必进行预冷/预热操作，直接由冷凝器/再沸器代劳，这样就避免了新增设备。如果预冷/预热操作可以使用相比于冷凝器/再沸器更便宜的（更低品位的）公用工程，那么预冷/预热就相当于中间冷凝器/中间再沸器的作用，可以节约更昂贵的公用工程的用量，可以权衡设备投资，考虑进行预冷/预热操作，同时还改善了塔的操作稳定性。又比如进料物流在气液两相的状态下更容易输送，那也可以综合考量选择气液两相进料。**
参考文献：** 《化工原理》柴诚敬 贾绍义主编.
** 精馏塔的进料状态选择-盖德化工问答** 精馏塔在何种热状态下进料最适宜 ？-盖德化工问答** 小编水平有限，如果有误还请及时指出！** 注：文章首发公众号“化工研学社”，知乎号“叶上初阳”，欢迎关注！**
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发表于 2022-8-7 09:49:05
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