楊菌菌

（神華寧夏煤業(yè)集團煤炭化學工業(yè)分公司甲醇廠 寧夏 銀川 750411）

0 引言

間歇精餾根據(jù)操作過程中有無采出可分為：全回流間歇精餾和部分回流間歇精餾。全回流間歇精餾過程比較簡單，整個過程無回流比變化及產品切換，濃度滿足要求時整個過程結束；部分回流間歇精餾過程要復雜得多，一個典型的部分回流間歇精餾操作周期一般分為：全回流開工過程、前餾分餾出段和產品餾出段，其中產品段和前段可能不止一個。

（1）全回流過程

全回流開工的目的是在塔身建立起一定的濃度梯度，使塔頂?shù)囊合嘟M成達到產品純度要求，全回流開工的結束條件一般為塔頂?shù)囊合嘟M成達到第一個產品的純度要求。

（2）產品餾出段

產品段從全回流開工或前面的前段結束時開始，結束條件分為兩種：一種是塔頂餾出物的瞬時組成剛降到低于產品純度要求，這種結束條件所得產品的平均組成高于產品的純度要求，可將其與一定數(shù)量的前餾分混合使其濃度等于產品的純度要求；另一種是塔頂餾出物的平均組成下降至產品純度要求。本文的模擬過程采用的是第一種結束條件。

（3）前餾分餾出段

在間歇精餾過程中，塔頂產品的收率總是小于100%的，塔內必定殘余一部分輕組分，通常這部分殘余輕組分中的大部分將作為前餾分收集，否則下一產品將達不到純度要求，這個去除殘存輕雜質的過程即為前餾分餾出段。一般前餾分餾出段有兩種情況，第一種情況是該前餾分段后面有產品餾出段，這種前餾分條件為下一產品組分在塔頂餾出物中的瞬時濃度剛好達到下一產品的濃度要求；第二種情況是前餾分段后面不再有產品餾出段，即整個操作周期中的最后一個餾出段，這種前餾分段結束的條件為塔釜中最后一產品組分的濃度剛好達到產品的濃度要求。

（4）氣液平衡計算

由氣液平衡條件有：

式中：Ai、Bi、Ci為組分 i的 Antoine 常數(shù)。

本文的分離物系是在常壓下進行，甲醇、水、丙酮、異丙醇等都屬于極性物質，其物系狀態(tài)呈現(xiàn)非理想性，根據(jù)實際情況，其物系汽相可視為理想狀態(tài)，液相為非理想狀態(tài)，活度系數(shù)γi≠1，因此甲醇體系的氣液平衡計算式如下：

將Antoine方程代入上式，則

式中：Ki為組分 i的氣液平衡常數(shù)；p為系統(tǒng)壓力，Pa；t為系統(tǒng)溫度，℃。

對于活度系數(shù)，會隨著壓強、溫度及組成而變，其中壓強影響較小，一般可忽略，而組成的影響較大。常用的活度系數(shù)方程一般有 Wilson方程、NTRL方程、UNIQUAC方程和UNIFAC方程。對于不同的活度系數(shù)模型，其適用性和優(yōu)劣針對不同的物系而不同。郭天民和鐘銀珠曾對Wilson、NTRL、UNIQUAC和UNIFAC模型進行過較系統(tǒng)的評價，研究發(fā)現(xiàn)，對于多元系，Wilson、NTRL模型的關聯(lián)參數(shù)少，預測的氣相組成一般相當接近，但預測的泡點溫度有時偏離2～3℃，對具有中等正偏差的體系，Wilson方程的方差略小一些。UNIQUAC模型形式最復雜，對有些體系 （如甲醇—丙酮—水）的預測有較大差別。在Gmehling等編纂的DECHEMA VLE Data Collection中，應用不同的活度系數(shù)模型對所收集的實驗數(shù)據(jù)（共3563組）進行了擬合，分析得出：在醇類的收集部分中，Wilson活度系數(shù)模型的最佳擬合出現(xiàn)率最高。

多元的Wilson方程如下：

求出各物質的活度系數(shù)γi后，即可用式（4）計算氣液平衡常數(shù)，隨后由公式y(tǒng)i=kixi求出各組分的汽相組成。

（5）最小理論板數(shù)計算

在多組分的精餾中，一般先規(guī)定關鍵組分在塔頂和塔底產品中的組成或回收率，其它組分的分配應通過物料衡算或近似估算得到。在本文的研究中，根據(jù)甲醇、丙酮、水、異丙醇的相對揮發(fā)度的差異，規(guī)定甲醇為輕關鍵組分，水為重關鍵組分。由于兩關鍵組分不是相鄰組分，為非清晰分割情況，因此，最小理論板數(shù)采用芬斯克全回流公式進行估算：

式中：Nmin+1為最小理論板數(shù)（包括塔釜）；

xlD為塔頂產品中輕關鍵組分的平均摩爾分率；xhD為塔頂產品中重關鍵組分的平均摩爾分率；xlW為塔釜產品中輕關鍵組分的平均摩爾分率；xhW為塔釜產品中輕關鍵組分的平均摩爾分率；αlh為輕重關鍵組分的平均相對揮發(fā)度。

（6）最小回流比計算

在多元精餾過程中，常采用恩德伍德（Underwood）的簡化公式進行估算，即：

式中：αij為組分i對基準組分（重關鍵組分）的平均相對揮發(fā)度；θ為參數(shù)值，介于輕重關鍵組分對基準組分的相對揮發(fā)度之間；q為加料熱狀態(tài)參數(shù)；χFi為進料產品中各組分的平均摩爾分率；χDi為塔頂產品中各組分的平均摩爾分率。

（7）產品的收率計算

本文將以高純甲醇的產品段收率為指標，來研究各種因素對其的影響。產品段收率計算式如下：

式中：η為產品段組分收率；PR為產品段餾出量，Kmol；xDm為產品段目標組分的平均摩爾分數(shù)；F為塔釜投料量，Kmol；xF為原料中目標組分的摩爾分數(shù)。

結束語

間歇精餾有兩種操作方式：其一是餾出物組成恒定的間歇精餾操作，即餾出液組成恒定，而相應的回流比不斷增大；其二是回流比恒定的間歇精餾操作，即回流比保持恒定，而餾出液組成逐漸減少。實際生產中，有時可采用聯(lián)合操作方式，即某一操作階段（如操作初期）采用恒餾出液組成的操作，另一階段（如操作后期）采用恒回流比操作，聯(lián)合的方式視具體情況而定。

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