蒸馏的基本概念和原理

一、蒸馏的基本概念和原理

1、基本概念

1.1饱和蒸汽压任何物质（气态、液态和固态）的分子都在不停的运动，都具有向周围挥发逃逸的本领，液体表面的分子由于挥发，由液态变为气态的现象，我们称之为蒸发。挥发到周围空间的气相分子由于分子间的作用力以及分子与容器壁之间的作用，使一部分气体分子又返回到液体中，这种现象称之为冷凝。在某一温度下，当液体的挥发量与它的蒸气冷凝量在同一时间内相等时，那么液体与它液面上的蒸气就建立了一种动态平衡，这种动态平衡称为气液相平衡。当气液相达到平衡时，液面上的蒸气称为饱和蒸汽，而由此蒸气所产生的压力称为饱和蒸汽压，简称为蒸汽压。蒸气压的高低表明了液体中的分子离开液面气化或蒸发的能力，蒸气压越高，就说明液体越容易气化。

在炼油工艺中，根据油品的蒸气压数据，可以用来计算平衡状态下烃类气相和液相组成，也可以根据蒸气压进行烃类及其混合物在不同压力下的沸点换算、计算烃类液化条件等。

1.2气液相平衡处于密闭容器中的液体，在一定温度和压力下，当从液面挥发到空间的分子数目与同一时间内从空间返回液体的分子数目相等时，就与液面上的蒸气建立了一种动态平衡，称为气液平衡。气液平衡是两相传质的极限状态。气液两相不平衡到平衡的原理，是气化和冷凝、吸收和解吸过程的基础。例如，蒸馏的最基本过程，就是气液两相充分接触，通过两相组分浓度差和温度差进行传质传热，使系统趋近于动平衡，这样，经过塔板多级接触，就能达到混合物组分的最大限度分离。

2、蒸馏方式在炼油厂生产过程中，有多种形式蒸馏操作，但基本类型归纳起来主要有三种，即闪蒸、简单蒸馏和精馏

2.1闪蒸（平衡汽化）加热液体混合物，达到一定的温度和压力，在一个容器的空间内，使之气化，气液两相迅速分离，得到相应的气相和液相产物，此过程称为闪蒸。当气液两相有足够的接触时间，达到了汽液平衡状态，则这种气液方式称为平衡汽化。

2.2简单蒸馏（渐次汽化）液体混合物在蒸馏釜中被加热，在一定压力下，当温度达到混合物的泡点温度时，液体即开始气化，生成微量蒸气，生成的蒸气当即被引出并经冷凝冷却后收集起来，同时液体继续加热，继续生成蒸气并被引出。这种蒸馏方式称为简单蒸馏或微分蒸馏，借助于简单蒸馏，可以使原料中的轻、重组分得到一定程度的分离。

2.3精馏精馏是分离混合物的有效手段，精馏有连续式和间歇式两种，石油加工装置中都采用连续式精馏，而间歇式一般用于小型装置和实验室。连续式精馏塔一般分为两段：进料段以上是精馏段，进料段以下是提馏段。精馏塔内装有提供气液两相接触的塔板和填料。塔顶送入轻组分浓度很高的液体，称为塔顶回流。塔底有再沸器，加热塔底流出的液体以产生一定量的气相回流，塔底的气相回流是轻组分含量很低而温度较高的气体。气相和液相在每层塔板或填料上进行传质和传热，每一次气液相接触即产生一次新的气液相平衡，使气相中的轻组分和液相中的重组分分别得到提浓，最后在塔顶得到较纯的轻组分，在塔底得到较

浓的重组分，借助于精馏，可以得到纯度很高的产品。

实现精馏的必要条件有

（1）建立浓度梯度，液体混合物中各组分的相对挥发度有明显差异是实现精馏过程的必要条件。

（2）合理的温度梯度，塔顶加入轻组分浓度很高的回流液体、塔底用加热或汽提的方法产生热的蒸气。

（3）精馏塔内必须要有塔板或填料，它是提供气液充分接触的场所。

（4）精馏塔内提供气、液相回流，是保证精馏过程传热传质的另一必要条件。

二、原油常压蒸馏

1、原油分馏塔的工艺特征原油分馏塔的原理与一般精馏塔相同，但由于石油及其产品的组成比较复杂，其产品只是符合一定要求沸程的馏分，因此它又有不同的特点。

1.1复合塔结构一般精馏塔要求有较高的分离精度，在塔顶和塔底出很纯的产品，一般只能得到两个产品。原油通过常压蒸馏要切割成汽油、煤油、轻柴油、重柴油和重油等四五种产品。按照一般的多元精馏方法，需要有N-1个精馏塔才能把原料分割成N个产品。当要分成五种产品时就需要四个精馏塔串联或采用其它方式排列。但是在石油精馏中，各种产品本身也还是一种复杂混合物，它们之间的分离精确度并不要求很高，两种产品之间需要的塔板数并不高，因此，可以把这几个塔结合成一个塔。这种塔实际上等于把几个简单精馏塔重叠起来，塔顶馏出最轻的产品——汽油，塔底引出最重产品——重油，介于其间的其他产品则在塔侧作为侧线产品抽出，它的精馏段相当于原来四个简单塔的四个精馏段组合而成，而其下段则相当于塔最下段的提馏段，这样的塔称为复合塔或复杂塔。

1.2设置汽提段和侧线汽提塔在二元精馏塔中，塔底一般采用重沸器，向塔内提供气相回流，使塔底产品中轻组分被气化出来，以保证塔底产品质量。而在原油精馏塔中，塔底温度一般较高，常压塔为330~350℃，减压塔为390℃左右，如果采用重沸器很难找到合适的热源，同时温度再升高也会使油品分解、结焦。因此，常压蒸馏塔塔底不用再沸器产生气相回流，而是通入一定量的过热水蒸汽，降低塔内油气分压，使一部分带下来的轻馏分蒸发，回到精馏段，这种方式称为汽提。因此，原油分馏塔的提馏段习惯上称为汽提段。

1.3进料应有适当的过气化率原油精馏所需要的热量，主要依靠原油本身带入，因此原油在进入分馏塔入口处的气化率应略高于塔顶和各侧线产品收率的总和。这个过量的气化百分比称为过气化率。过气化的目的是使分馏塔最低侧线以下的几层塔板有一定的内回流，以保证其分流效果。但过气化率不宜太高，以免使进料油温升的过高引起进料裂解和不必要的能量消耗。

1.4恒摩尔回流的假定完全不适用在二元和多元精馏塔的设计计算中，为了简便计算，对性质及沸点相近的组分所组成的体系做出了恒摩尔回流的近似假设。即在塔内的气、液相的摩尔流量不随塔高而变化。这个近似假设对原油常压精馏塔是完全不适用的。石油是复杂混合物，各组分的性质可以有很大的差别，它们的摩尔汽化潜热可以相差很远，沸点之间的差别甚至可达几百度。例如常压塔顶和塔底的温差就可达250℃左右。显然，以精馏塔上、下部温差不大，塔内各组分的摩尔汽化潜热相近为基础，所作出的恒摩尔回流这一假设对常压塔是完全不适用的。实际上，常压塔内回流的摩尔流量沿着塔高会有很大变化。

2、常压分馏塔主要工艺参数常压分馏塔操作其塔顶压力、进料温度、塔顶及侧线抽出温度是主要控制参数。

2.1压力常压蒸馏塔顶产品通常是汽油馏分或重整原料。当用水作为冷却介质、产品冷至40 ℃左右，回流罐在0.11-0.3MPa压力下操作时油品基本全部冷凝。因此原油蒸馏一般在稍高于常压的压力条件下操作，常压塔的名称由此而来。

2.2进料温度确定进料段温度的方法主要是用在石油蒸馏塔设计中，了解此计算原理可有助于现场的核算和塔的操作分析。

2.3塔顶温度塔顶温度是指塔顶产品在其本身油气分压下的露点温度。塔顶馏出物包括塔顶产品，塔顶回流油气以及不凝气和水蒸汽。如果能准确知道不凝气数量，在塔顶压力一定的条件下很容易求得塔顶产品及回流总和的油气分压，进一步求得塔顶温度。当塔顶不凝气很少时，可忽略不计。忽略不凝气以后求得的塔顶温度较实际塔顶温度高出约3%，可将计算所得塔顶温度乘以系数0.97，作为采用的塔顶温度。

2.4侧线抽出温度侧线抽出温度指的是未经气提产品在该处油气分压下的泡点温度。而大多数侧线都设置汽提塔，根据原油评价得到的数据以及现场采样的数据相当于汽提以后的数据，为此求出侧线抽出温度不得不采取一些半经验的方法。对于不设汽提塔的抽出侧线，产品平衡汽化数据是准确的，考虑到以内回流在混合气体中真正的分压作为油气分压其数据偏低，为接近实际情况，在求取内回流蒸气在气相中摩尔分率时，气相的总摩尔数将相邻上一侧线忽略，内回流计算出来的分压比较接近塔内的油气分压，所求得的泡点温度与现场侧线抽出温度比较接近。

三、原油减压蒸馏油品在加热条件下容易受热分解而使油品颜色变深、胶质增加。在常压蒸馏时，为保证产品质量，炉出口温度一般不高于370 ℃，通过常压蒸馏可以把原油中350 ℃以前的汽油、煤油、轻柴油等产品分馏出来。350 ℃~500 ℃的馏分在常压下则难以蒸出，而这部分馏分油是生产润滑油和催化裂化原料油的主要原料。根据油品沸点随系统压力降低而降低的原理，可以采用降低蒸馏塔压力（2.67~8.0KPa）的方法进行蒸馏，在较低的温度（380~400 ℃）下将这些重质馏分油可蒸出，故一般炼油装置在常压蒸馏之后都继之配备减压蒸馏过程。

1、减压蒸馏塔的特征减压蒸馏塔与常压蒸馏塔相同，关键是采用了抽真空设施，使塔内压力降到几十毫米、甚至小于10mmHg。减压蒸馏根据任务不同，分为两种类型：燃料型减压塔和润滑油型减压塔。燃料型减压塔主要是生产二次加工原料，对分馏精度要求不高，在控制产品质量的前提下希望尽可能提高拔出率。润滑油型减压塔以生产润滑油为主，要求得到颜色浅、残炭值低、镏程较窄、安定性好的减压馏分油，不仅应有较高的拔出率，还应具有较高的分馏精度。与常压蒸馏塔相比，减压蒸馏塔具有高真空、低压降、塔径大、板数少的特点

2、干式减压蒸馏过去，国内外炼油厂的减压蒸馏一直是沿用传统的“湿式”减压蒸馏。即向加热炉管内注入水蒸汽以增加炉管内油品速度；向塔底注入水蒸汽，以降低塔内油气分压，达到在低于油品分解的温度下，获得所需要的油品收率。减压塔一般采用板式塔和两级喷射抽空气，塔的真空度低，压力降大，加工能耗高，减压拔出率也相对较低。实现湿式减压蒸馏采用的主要技术措施有：采用压降小、传质传热效率高的塔板；减压炉管逐级扩径，以避免油流在管内出现高温而裂解；减压塔进料口与最低侧线抽出口之间设洗涤段，以控制油品的残碳值和胶质含量。湿式减压蒸馏塔的不足之处有：消耗蒸汽量大；塔内汽相负荷大；增大了塔顶冷凝冷却器的负荷；含油污水量大。实现干式减压蒸馏的措施有使用增压喷射器；以提高塔的真空度；利用填料代替塔板，达到降低汽化段到塔顶压降的目的；采用低速转油线，降低减压炉出口到塔入口之间的压降；为减少气相携带杂质，塔内设洗涤段和液体分配器。使用干式减压蒸馏的效益有：提高了拔出率和处理量；减压炉的负荷减小，节省燃料；减少冷凝冷却器负荷，减少含油污水量；能耗下降；操作灵活等。

3、减压分馏塔的主要工艺参数减压分馏塔工艺参数主要有塔顶压力、进料温度和侧线抽出温度等。

3.1压力减压塔主要是利用抽真空的方法来降低塔的操作压力，从而获得润滑油馏分和催化裂化的原料，塔压的高低直接关系到产品质量的好坏和能耗的高低。对于生产催化裂化原料的减压塔，为了节约能耗多数炼厂都改造成干式减压蒸馏装置。由于塔内没有气提水蒸气、闪蒸段油气压力的降低只有依靠深度减压才能达到。一方面采用阻力降小的填料，另一方面塔顶采用1.3~2.6KPa低的残压，为此只能采取三级抽真空的方式才能实现。提高减压塔的真空度既有好的效果，也带来一些不利的因素。因此减压塔最佳压力的选择，必须通过不同方案的经济效益的比较才能求得。

3.2温度由于在设计中一般无法提供常底油的平衡气化数据，减压塔进料段温度只好根据经验选择，一般在生产润滑油时不得超过395 ℃，燃料型减压塔由于对油品的分解反应限制不如润滑油型的严格，进料温度可提高至410 ℃~420 ℃。

减压塔侧线抽出温度，和其他蒸馏过程一样，侧线抽出温度也应该是该处油气分压下液相的泡点温度。燃料型减压塔洗涤段以上塔板与填料相当于一个直接冷凝器，塔内没有内回流气化成为蒸气的情况，侧线抽出板上的油气分压是将所有的油料蒸气计算在内，将水蒸气和不凝气作为惰性气体。润滑油型减压塔侧线温度的确定应考虑内回流的分压作用，但是其内回流的分压作用比较难确定。确定侧线抽出温度时，一般可根据经验，取抽出板上总

压的30%~50%近似作为该处的油气分压，计算该分压下的油品的泡点。减压塔顶一般均采用惰性回流，塔顶不出产品，塔顶温度主要是水蒸气和不凝气体离开塔顶的温度，这个温度比循环回流进塔温度高20~40

℃干式减压塔塔底温度接近于气化段的温度，湿式减压塔塔底温度较气化段温度低5~10℃，有时可以相差17℃之多。

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