六十年来《化工学报》上发表有关精馏过程论文的回顾

分类：化工论文发表 时间：2018-08-25 10:51 关注：(1)

　　余国琮，袁希钢，李根浩

　　(天津大学化工学院化学工程研究所，化学工程联合国家重点实验室，天津300072)

　　摘要：对1952年以来在《化工学报》上发表的有关精馏研究的论文进行归类，并分别予以回顾，包括主要进展和评议。

　　关键词：精馏研究;新精馏过程与设备;精馏过程模拟;创新

　　DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2013.01.004

　　中图分类号：TQ028文献标志码：A文章编号：0438-1157(2013)01-0011-17

　　Reviewofpapersondistillationresearchpublishedin“CIESCJournal”inpast60yearsYUGuocong，YUANXigang，LIGenhao(ChemicalEngineeringResearchCenter，SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：ThepapersondistillationresearchpublishedinCIESCJournalinthepast60yearsareclassifiedandreviewed.Themajorachievementsondistillationresearchreflectedbythepapersaresummarizedandevaluated.

　　Keywords：distillationresearch;noveldistillationprocessandequipment;distillationprocesssimulation;innovation

　　引言

　　精馏是应用最广和规模最大的传质分离过程。《化工学报》从前身《化学工业与工程》在1952年改名并开始立卷以来，到2012年初在精馏过程方面发表的论文共290余篇，列入本文参考文献有260篇，涉及有关各个方面的研究报道。图1给出了上述论文从研究角度分类的各类论文数量上的分布。这些论文虽不能代表我国精馏领域研究的全貌，但可以反映大致趋势。由论文的分布可见，关于精馏设备的研究占有较大的比重，特别是在改革开放初期，设备研究论文数量比例较大，精馏过程模拟也是被普遍关注的研究课题，这与我国化学工业的高速发展对精馏装备及其设计的需求是相适应的。进入21世纪以来，对采用反应精馏等非常规精馏方法实现精馏过程强化研究的关注显著增加，反映出我国精馏研究向复合过程创新研究方面发展的趋势。从论文数量上看，改革开放初期以及进入21世纪之后，精馏研究均出现了增长的趋势。这和我国化学工业的发展以及节能的倡导有所相关。目前我国在科学发展观的引领下，经济的可持续发展，特别是工业节能和减排被摆在更加重要位置。精馏作为应用最广且高能耗的工业分离技术，其研究将会更受关注和将有更大的发展。本文仅将六十年来在《化工学报》上所发表精馏方面的论文进行分类并分别简略概述。

　　1各种型式精馏设备的性能

　　精馏设备主要有板式塔和填料塔两大类型和一些特殊用途的塔型。

　　1.1板式精馏塔[1-34]

　　从20世纪80年代开始，《化工学报》在板式精馏塔方面有大量报道，提出各种不同的塔型并报道其性能，如穿流式浮阀塔、多层鼓泡塔、网孔塔、喷杯型喷射塔、垂直筛饭和T形排列条形浮阀塔、锥心浮阀塔、新垂直筛板塔、旋流塔、大孔筛板塔、气液液三相导向筛板塔、网角塔板、新结构95型塔、全导流95型塔、梯矩形立体连续传质塔、新型立体传质塔、立体并流塔等。这些报道一般都是在实验室的设备中进行，大多包括压力降、塔板效率或者传质系数率随气、液流量的变化。有些论文还测量了塔板上液相混合或温度分布的情况，也探讨了雾沫夹带、漏液和不均匀漏液对板效率的影响。这些新型塔板都有不同程度的创新，如从鼓泡传质发展到液滴或湍流传质，从常规的不均匀流动发展到受控制的较均匀流动等。这些新型塔板虽有生产应用报道，但推广似仍不够。

　　1.2填料精馏塔[35-57]

　　各种型式填料精馏塔性能也有大量报道，包括各种新型填料，后者主要在改进金属及丝网的板波纹规整填料及散堆填料(拉西环、鲍尔环、矩鞍、阶梯环等)，以及发展出共轭环填料和泡沫陶瓷环形填料。报道的精馏塔性能包括压力降、泛点气速、塔板效率或填料塔的等板高度(HETP)，也有涉及轴向及径向的浓度分布和液相混合、传质系数等，还有探讨波纹板结构参数对传质的影响、液相停留时间分布等。

　　2精馏过程的模拟

　　2.1以MESH模型为基础的模拟与算法[58-72]

　　这类模拟算法的起始是适用于板式塔，其基础是在每块塔板上建立物料衡算(M)、相平衡(E)、相成分归一化(S)和热量衡算(H)方程，然后联立各板的方程，形成矩阵用数学方法求解。这种方法有操作型和设计型两类，但在计算上均需联立求解许多线性或非线性方程形成的矩阵方程，因此开发了多种力求减少计算量和易于收敛的方法，如改进的Newton-Raphson方法、块状三对角矩阵法、整个迭代过程的重组法、设计型计算的优化法、相对增益矩阵计算法、双重迭代法、同伦延拓算法、模拟与优化一体化算法、二对角矩阵法等。这类模型可称为平衡级(理论塔板)模型。20世纪80年代以后的论文发展为采用非平衡级模型，即增加传质速率方程R，同时将E方程限于气液界面，形成MRSH矩阵方程，也发展有各种解法。

　　实际上现有的商用软件也能迅速算出在各种条件下所需的理论塔板数，对这类模型算法的探讨仍是很有学术价值的。但是由于这类模拟计算的结果是认为塔板上浓度是完全混合(即板上浓度完全均匀)的平衡或非平衡塔板，这与实际有偏差，因此在实际应用时还需考虑塔板由于不均匀流动和不均匀传质的影响而导致的校正因素。

　　2.2混合池模型[73-79]

　　这类模型认为板式塔和填料塔存在部分混合，模型的依据是将塔内空间分割为若干个混合池(对板式塔分别为液相及气相空间，对填料塔为气液混合相空间)，池内浓度是混合的但因池间浓度不同故池间产生浓度的扩散，池内气液传质采取非平衡的传质速率计算，并进行物料衡算及热量衡算，然后联立求解。根据混合池的划分，又可分为一维、二维和三维模型。这类模型考虑了带有扩散的部分混合和非平衡传质，比较接近实际情况，但池间的传质扩散系数仍需测定或采取经验公式。

　　2.3扩散模型[80-86]

　　这类模型相当于混合池的微型化。在精馏塔的空间中取一微元，进行传质、传热和流动的衡算，从而建立相应的微分方程及边界条件进行求解。这类模型包括板式塔的假一维扩散模型、不均匀速度场的二维涡流扩散模型、停留时间分布模型以及填料塔的二维扩散模型、随机过程模型等。模型的微分方程中引入湍流传质扩散系数表征部分混合，并结合点效率或传质速度方程，从而求出塔板上的传质效率。这类模型虽放弃全混的假设，但其中的流速仍采用经验的分布关联或时均速度，对湍流传质扩散系数也仍需依赖经验公式或通过惰性示踪剂实验求得。

　　2.4以计算流体力学和计算传质学为基础的模型[87-99]

　　以计算流体力学为基础的模型可以计算出塔内流速分布，增加数学模拟的合理性。它是联立求解流动过程中的连续方程、动量方程并用k-ε模型来封闭(即求出湍流黏性系数νt)，从而计算出塔板上液相或气相的速度分布，以及填料塔中径向及轴向的相应速度分布。这类模型的论文报道用于旋流塔、鼓泡塔、单溢流和多溢流的筛板塔、立体传质塔以及散堆填料塔。这类模型能给出合理的速度场，但对于浓度场的模拟仍没有得到合理解决。随后以计算传质学为基础的模型中包括采用计算流体力学的k-ε模式计算速度分布，同时采用计算传质学的c′2-εc′模式计算浓度分布，不但同时能够得出湍流传质扩散系数和浓度场并且由此算出合理的板式塔的Murphree板效率和填料塔的等板高度，即HETP。这类模型的论文报道用于筛板塔和散堆填料塔。

　　3非常规精馏

　　3.1萃取精馏[100-112]

　　萃取精馏是添加溶剂以改变(增加)组分间的相对挥发度从而易于精馏分离。《化工学报》报道中有以苯酚为溶剂提取纯甲苯、以二甲基甲酰胺(DMF)从C5烃提取异戊二烯、以加盐DMF提取C4组分，并探讨不同溶剂对乙烷/乙烯的分离效果、采用单溶剂和混合溶剂从油田轻烃中提取环己烷、探讨分离乙酸乙酯/乙醇的溶剂，还考察溶剂选择性的温度效应、N-甲基乙酰胺用于萃取精馏乙酸脱水的机理、用神经网络选择和用模糊综合评判方法选择溶剂、用混合溶剂分离苯与环己烷等。模拟萃取精馏过程一般仍用MESH或MERH模型以及加入溶剂后形成非理想溶液的相平衡的计算。

　　3.2共沸精馏[113-117]

　　多篇论文计算均相和非均相共沸的多元体系的汽液平衡组成，并模拟共沸精馏的过程。汽液平衡组成的热力学计算采取ASOG、NRTL和UNI-FAC模型;精馏过程的模拟一般仍采取MESH或MERH模型以及不同的算法和改进。

　　3.3反应精馏[118-138]

　　这方面论文包括固体催化剂在塔内以催化剂包裹的形式和悬浮的形式。除刊登模拟的论文而外，实验方面包括塔内浓度的测定、操作参数(如气速、回流比)等因素的影响、催化剂包的传质计算及有效因子的测定等。在数学摸拟中需加上化学反应的反应动力学方程K，基本上仍是以建立MEK-SH或MRKSH方程组矩阵，然后用各种方法求解。

　　3.4热偶合精馏[139-149]

　　热偶精馏采取主塔和副塔的模式进行精馏分离以提高分离的热力学效率从而达到节能目的。论文均为对过程的摸拟，也有考虑其他的优化。模拟方法基本上仍是建立相应的矩阵，用不同方法求解。

　　3.5其他精馏过程[139-174]

　　其他精馏过程的论文包括石油精馏[150-153]、精密精馏[154-155]、加压精馏[50，156-158]、低温精馏[159-161]、膜精馏[162-168]、分子蒸馏[169-170]、闪蒸等。这些论文中有提出原油精馏的新型活化剂及新工艺、精密精馏恒气速和降气速过程的模拟和传质单元数的估计、加压精馏规整填料塔的HETP测定、低温精馏的模拟、膜精馏中膜的制备与摸拟、短程分子蒸馏的模拟及实验、精馏-渗透气化集成的设计以及反应-结晶-精馏偶合过程的模拟、电解-精馏级联的分析等。

　　4精馏塔的开工及动态过程[175-191]

　　精馏的动态过程可分为针对开工和用于过程控制。基本数学模型是稳态精馏过程方程中多加一个时间参数，以求取各参数随时间的变化，但求解与应用则报道了多种模式。在精馏塔控制方面与自动控制学科交叉，论文中有报道神经网络控制、智能控制系统、故障控制动态摸拟等。

　　5间歇精馏[192-208]

　　论文包括间歇精馏开工过程的模拟以及提出各种操作法及其优化，如过程经济收益最大的优化、塔顶累积全回流操作法、变压强回流操作法、塔底出料操作法、多变参数法、控制持液量操作法、复合式间歇精馏操作法以及最小回流比的计算及其能耗、用夹紧区原理确定多元系最小回流比、持液的影响、间歇萃取精馏、半间歇催化精馏等。

　　6精馏过程的测量方法[209-216]

　　在精馏过程的实验中，采用多种新测量方法，如用传感探头直接测量溶液中氧及二氧化碳浓度、用双探针液滴自动测量系统和彩色高速摄影系统测量喷射态筛板上液滴的初始抛射速度、用新型热膜探针测量筛孔板上液流速度、用γ射线测量塔内气含率、用激光多普勒测速仪测量规整填料内液体三维流速等。

　　7精馏过程的相间传质[217-240]

　　在精馏塔的非平衡模拟计算中需列出传质速率方程，故多篇论文报道传质系数的测定及影响传质系数的因素、相间传质面积的测定、喷雾粒对传质的影响、从传质计算预测非理想多元精馏的点效率、填料表面处理对润湿及传质性能的影响、浓度对传质系数的影响、气液相界面气泡粒度的分布及相界面面积、利用计算流体力学及结点网络相结合的方法计算规整填料的等板高度(HETP)、浮阀塔板气液相界面面积的测定及板效率等。论文中也报道了Marangoni界面效应对气液传质的影响。

　　8精馏塔系分离序列的优化与节能[160，241-260]

　　对于多元系统的分离往往在多个精馏塔的塔系中进行，因而需要探讨塔系分离序列的优化问题。这方面的探讨与系统工程学科结合。论文涉及与节能有关的单目标和多目标优化的最优精馏塔系序列的合成，包括非清晰精馏序列、多工况优化、优化计算的灵敏度分析以及序贯二次规划(SQP)算法、改进模拟退火算法等各种算法。

　　9结论

　　综观上面所述，可见六十年来《化工学报》在精馏方面发表的论文覆盖了该领域的全部内容，一些论文属于当时国际的高水平。总地来说，下列方面似值得关注。(

　　1)创新性地发展了多种新型高效塔板和填料，有些应用到生产。由于论文报道的都是实验室结果，对于推广到工业生产的大型精馏分离，这些结果(如板效率)尚不能符合实际，还需考虑放大效应。在这方面除采用费时的逐级放大外，也可考虑用符合实际的数学模型(非平衡、非全混、非理想等)摸拟放大。

　　References

　　1精馏设备性能

　　(1)板式塔

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