外行学空分(9)一一蒸馏和精馏

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1 d1 x; _: `3 @$ F, s   利用组分沸点及相对挥发度的不同实现不同物质的分离的技术在手工业时代就有了初步的发展，这就是所谓的蒸馏冷凝分离技术，实际上所谓的蒸溜就是精馏技术中的没有精馏段只有提馏段且理论塔板数为1的特例，冷凝则是精馏技术中没有提馏段，只有精馏段且理论塔板数为1的特例。其最重要运用案例就是低酒精度的发酵酒制取高酒精度白酒，用火或者蒸汽加热低浓度的发酵酒，发酵酒中水和酒精都会蒸发进入气相，但酒精相对于水由于沸点低挥发度更大会更多地蒸发进入气相。再用冷却水冷却或自然空气冷却酒精和水混合蒸汽就会得比发酵酒酒精浓度更高的白酒，当然随着蒸馏的进行，发酵酒中的酒精浓度下降，相应由气相冷凝而成的蒸馏酒酒精浓度也相应下降，故蒸馏酒有头道酒，二道酒之分。无论是头道酒还是二逍酒都是水和酒精的混合物，只是酒精浓度高低不同而己，要想得到更高浓度的白酒甚至于得到纯酒精，需要重复多次蒸馏冷凝。深冷空分教科书中讲到如何生产氧气的时候，也做了类似的推演，即利用液空多次重复蒸馏而得到纯的氧气，但这个过程实际上是不可能发生的，因为空分精馏是一个沸点在环境温度以下的精馏过程，深冷空分教科书描述的只是只是一个思想试验而已。
     工业革命后，古老的蒸馏技术有了重大的改进发展成为精馏技术，虽然和蒸馏冷凝一样还是用火和蒸汽加热，用冷却水冷却冷凝气相产物，但增加了填料和塔板以强化气液接触，同时用气相冷凝液部分作为回流液(部分作为产品引出)，这样就在蒸馏(提馏)之上增加了精馏段，从而可以实现沸点不同组分的完全分离。当然由于某种原因有时可能精馏过程并不需要实现不同组分的完全分离，但一个完整的精馏过程一定既有精馏段也有提馏段，只有精馏段而没有提馏段的双塔流程下塔不是严格意义上的精馏塔而是冷凝塔。实际上是一个大冷凝器。至今空分塔有时仍然把空分塔（氧氮精馏塔）叫做蒸馏塔就是空分流程出现时，正处在蒸馏向精馏转变时期的反映。
  标准常规精馏过程包括以下几个部分，一是精馏原料的加压泵送，二是精馏原料和精馏产品的换热，三是精馏塔，精馏塔中设置填料及塔板强化气液接触，精馏塔底设置蒸汽再沸器，用蒸汽加热使高沸点液体组分气化作为回流上升气形成提馏，精馏塔顶部设置冷凝嚣用冷却水冷却精馏塔内的低沸点气相组分并使之液化，一部分作为产品引出，一部分作为回流液回注精馏塔形成精馏。精馏原料从精馏塔中部进入，精馏原料入口以上至精馏塔顶部为精馏塔精馏段，精馏原料|入口以下至精馏塔底部为精馏塔提馏段。
) q" a% H1 Z* ~3 I    深冷空分教科书中认为双塔流程是双效精馏流程，但对双效精馏流程又无一语加以说明，这也是一大怪事！也许编者认为这是人所共知的常识，但事实当然不是如此！常规精馏中确实有所谓的单效精馏，双效精馏及多效精馏的说法，其中单效精馏就是标准常规精馏前面已经做了详细介绍就不再重复了，多效精馏一般很少见也就暂不做介绍了，我们着重讨论一下什么是双效精馏。
     我们先对双效精馏描一幅标准像，精馏原料加压后经与从低压精馏塔底部顶部引出的高低沸点精馏产品换热后进入高压精馏塔中部，高压精馏塔底部设置蒸汽再沸器，高压精馏塔顶部和低压精馏塔底部通过一个换热嚣（冷凝一蒸发器又称为主冷凝器）相连接，高压精馏塔底部得到的高低沸点混合液体减压后进入低压塔中部作为低压精馏塔的回流液。高压精馏塔顶部的纯低沸点组分气相与低压精馏塔底部的纯高沸点组分液相换热，高压精馏塔顶部气相低沸点组分液化冷凝，一部分作为高压精馏塔的回流液，一部分减压后从低压精馏塔顶部加入作为低压（一般是常压）精馏塔回流液。低压精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，使低压精馏塔顶部的低沸点气相组分冷凝作为低沸点组分产品引出，同时一部分作为低压精馏塔顶部回流液！低压精馏塔底部的液体高沸点组分一部分作为产品引出，一部分气化后作为回流上升气形成提馏。这就是一个标准双效精馏流程。当然也可以有变化但万变不离其宗！现在分析一下双效精馏流程的特点，一是两个压力不同的精馏塔共同实现二元物系的精馏分离。二是蒸汽能量是两次利用，这其实也是双效精馏流程的本义！双效精馏流程当然可以实现二元物系的完全分离，但单效精馏及多效精馏同样也能实现二元物系的完全分离，这本来是不言自明的，而深冷空分教科书中却论证了单级精馏塔不能实际氧氮二元物系的完全精馏分离，只有双塔流程（即所谓的双效精馏）才能实现氧氮二元物系的精馏分离。这个真不知道该怎么说才好。
/ S7 D" w+ i4 R- m% d; w6 T2 _    那么双塔流程是不是双效精馏流程呢？它们之间相似度极高，但却有着本质的不同！
, h! E: N  Y' s8 y, A! g+ K3 t    我们讲到精馏的时候，总是讲用火和蒸汽加热用冷却水冷却冷凝，虽然这种情况占了精馏案例百分九十九以上，但是并不排除其它的热源或者冷源同样也可以用于精馏，这就埋下了精馏重大改进的可能性。实际上深冷空分精馏既不可能用火和蒸汽加热，也不可能用冷却水冷却！其实在常规精馏中，为了节约蒸汽冷却水消耗，又有了双效精馏及多效精馏技术，虽然还是要消耗蒸汽冷却水，但其中已经利用了高压低沸点气体组分的冷凝热作为热源代替蒸汽用于加热，低压高沸点组分液体或低压高低沸点混合液体蒸发气化代替冷却水用于供冷。从而大幅度降低了精馏过程的蒸汽消耗。双效精馏及多效精馏是常规精馏向单热泵及多热泵精馏和开式热泵精馏(自热精馏流程)转变的一个中间过渡技术。
7 w. a$ S# p' \3 e9 R7 C    双效精馏的特点如下，一低压精馏塔精馏段上升气数量等于低沸点组分产品数量加低压精馏塔冷却水冷凝器产生的回流液数量（冷却水冷凝器产生的低沸点组分液体，一部分作为低沸点组分产品引出，一部分作为回流液，这和标准常规精馏不同，标准常规精馏精馏段上升气数量等于低沸点组分产品数量加回流液数量，两者之间的差距是高压精馏塔送低压精馏塔顶部的低沸点组分液体的数量），二是低压精馏塔高低沸点组分混合液体入口处对应的气相中的高沸点组分含量并不是高低沸点组分液体的平衡组成（这种和标准常规精馏不同，标准常规精馏原料液体入口处对应气相中的高沸点组分含量与原料液体处于平衡状态）。总而言之双效精馏具有非常鲜明的特殊性，是一个特殊的二元物系精馏工艺方案。

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双塔流程的下塔和粗氩冷凝塔其实都不是严格意义上的精馏塔，而仅仅是精馏塔的一部分，更准确叫做冷凝塔，粗氩冷凝塔的叫法是正确的，而下塔则应该叫氮冷凝塔。

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教科书的内容一般反映技术人员的主流认识。教科书内容严重滞后，肯定会给技术发展带来严重的阻碍。

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精馏技术的发展史，就是精馏产品纯度提高精馏能耗降低的历史，了解精馏技术的发展历史对于理解精馏过程意义十分重大。