精馏塔釜水蒸气直接加热特殊性的剖析

倪献智，牟宗刚，耿 兵，李春生

(济南大学化学化工学院，济南 250022)

连续精馏操作是现代大规模化工生产中分离液体混合物最常采用的操作方式。精馏过程将混合物分离为纯组分，是一个需要外加能量才可进行的非自发过程，向蒸馏釜(简称塔釜)塔底送入载热体就是最基本的能量消耗项目之一。在液体精馏生产中，水蒸气是用于塔釜加热最常用的载热体，并且根据所分离混合物的性质，通常塔釜需要间接加热。但是，当被分离的混合物中水是难挥发组分时，采用水蒸气进行塔釜加热时就没有必要采用间接加热了，而应该采用水蒸气直接加热［1，2］，也就是说，将一定温度压力的水蒸气直接通入塔釜(塔底)。在化工生产中稀氨水蒸馏和甲醇水溶液蒸馏就是采用塔釜水蒸气直接加热的典型实例。显然，塔釜水蒸气直接加热，热能利用率高，并且省去了塔釜内换热管子。在化工原理课程教学中，借助分析塔釜水蒸气直接加热时的特殊性，并完成同样的分离任务，从精馏原理上分清采用塔釜水蒸气直接加热与水蒸气间接加热时，精馏操作所需要的理论塔板数、热能消耗、易挥发组分的回收率、塔釜产物组分组成及塔釜产物产量等方面的差异，对学生深化精馏理论的理解，培养学生分析复杂问题的科学思维方式与技能有着重要意义。

一、连续精馏塔釜水蒸气直接加热与水蒸气间接加热时物料衡算的差异

以被分离的物系适宜采用塔釜水蒸气直接加热的连续精馏操作为例。为了表达问题方便，设被分离的物系为二元混合物。设原料的处理量为F(kmol/h)，原料中易挥发组分的摩尔分率为xF，进料的热状态已定。塔顶液体回流比R已经根据设计计算所确定的最小回流比Rmin作出了选择。在工业生产中塔釜水蒸气直接加热，一般使用的是一定温度压力的饱和水蒸气，即饱和水蒸气流量与提馏段内上升汽相的流量相同S=(kmol/h)。我们知道围绕精馏装置的物料衡算是确定精馏塔顶产物D与塔底产物W的流量分配或者组分组成的基本方法。如果根据实际要求规定了精馏产物中组分组成为xD和xW，塔釜水蒸气直接加热时的物料衡算式为

由(1)、(2)两式得到精馏产物分配关系为

而当塔釜采用水蒸气间接加热时的物料衡算式为:

由(5)、(6)两式得到精馏产物分配关系为:

当精馏的F、xF、q、R、xD、xW相同时，对比(3)、(7)两式会有D直接＜D间接和W直接＞W间接的结论，即塔釜水蒸气直接加热时精馏塔顶产物D的流量小于间接加热时的流量，而塔底产物W的流量大于间接加热时的流量。

二、精馏操作塔釜水蒸气直接加热时提馏段操作线方程的特殊性

当精馏的F、xF、q、R、xD相同时，显然，塔釜采用饱和水蒸气直接加热时的精馏段操作线方程、进料线方程与间接加热时的完全相同。但是，在提馏段上=W直接=S，故提馏段的操作线方程为:

此时，提馏段的操作线通过(xw直接，0)点，与间接加热时的提馏段操作线明显不同了。

三、精馏操作塔釜水蒸气直接加热与间接加热时在某些方面的比较

当处理同样的原料即F、xF、q相同，精馏操作分别采用塔釜水蒸气直接加热与水蒸气间接加热两种方式时，所需要的理论塔板数、热能消耗、易挥发组分的回收率、塔釜产物组分组成及塔釜产物产量等方面的差异需要作理论上的分析进行比较。在作分析比较之前，要明确前提条件。在实际工程中，通常回流比R根据计算做出了选择，一般塔顶产物中易挥发组分的组成xD根据分离的要求而做出规定。向塔釜直接通入水蒸气的流量需要根据精馏装置热量平衡及提馏段内适宜的液汽比要求而做出规定。我们就如下工程上比较常见的两种情况分别进行分析。

(一)精馏的F、xF、q、R、xD、xW相同时

通过前面的物料衡算已经知道，在这种前提条件下，D直接＜D间接和W直接＞W间接，则在塔顶产物中易挥发组分的回收率发生了改变，即显然能耗的大小与塔釜中的汽化速率成正比。与F、q、R和D的关系为:

由(10)式可知，因为D直接＜D间接，所以S= ¯V直接＜，即塔釜水蒸气直接加热时的热能消耗低，这在化工节能上有着实际意义。

再比较所需要的理论塔板数。根据前提条件，塔釜水蒸气直接加热与间接加热时精馏段操作线方程、进料线方程相同，但是提馏段操作线方程不同。根据上述方程(9)所绘出的塔釜直接加热提馏段操作线见图1所示。塔釜间接加热提馏段操作线见图2所示。

图1 塔釜水蒸气直接加热时的操作线

图2 塔釜水蒸气间接加热时的操作线

注意本比较的前提是xw直接=xw间接，显然，由图解法容易得到塔釜水蒸气直接加热时所需要的理论板数小于间接加热时的，即NT直接＜NT间接，这意味着水蒸气直接加热时的精馏操作在设备费用上也会有所降低。

(二)当精馏的F、xF、q、R、xD相同，并且要求易挥发组分的回收率相同时

通过上述两种情况比较可见，在作塔釜水蒸气直接加热的精馏与间接加热的精馏分析时，前提条件是最基本的出发点。前提条件不同，分析所得到的结论不同。另外值得说明，塔釜水蒸气直接加热的精馏与高沸点有机混合物的水蒸气蒸馏，从设备操作的外观形式来看均是向塔釜通入水蒸气的精馏操作，但是性质不同的两种问题。高沸点有机混合物的水蒸气蒸馏是通过自塔釜向塔内通入水蒸气，降低塔内有机混合物的沸点温度，达到降低实际精馏操作温度的目的。

图3 塔釜水蒸气直接加热与间接加热时的操作线

总之，在化工原理课程教学中，在讲清精馏基本理论原理的基础上，借助像塔釜水蒸气直接加热、多股进料和多侧线出料等特殊性的问题，从精馏原理上给予学生深入细致地分析讲授，使得学生既能达到精馏理论知识的巩固与深化，又能得到分析研究实际复杂工程问题科学思维方式与技能的训练。教师应在深入分析研究各化工单元操作的教学内容时，尽量多地寻找这种带有特殊性的工程问题，作为教学过程中巩固理论和培养能力的重要题材，同时这也是为丰富化工单元操作理论做的有益探索。

［1］陈敏恒，丛德滋，方图南.化工原理教与学［M］.北京:化学工业出版社，1996.

［2］陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理(第三版)(下册)［M］.北京:化学工业出版社，2006.