分子蒸馏技术在石油化工中的应用
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常州海鸥化工设计研究院有限公司
摘 要：分子蒸馏技术具有加热温度低，过程温和，受热时间短等优点，适合于高沸点和热敏性物质的分离﹐特别适合应用于油脂的精深加工。本文从分子蒸馏技术的基本原理，特点，操作过程，设备四方面阐述了分子蒸馏技术在处理石油化工产生的渣油.回收废润滑油、生产高粘度润滑油以及分离催化剂与产品等方面的应用。
关键词：分子蒸馏技术；石油化工；应用
分子蒸馏（Molecular Distillation）是一项利用高真空条件下不同物质内部分子间的自由程差实现的新技术，其实质为“分子气化”。由于具有高真空度，低蒸馏温度，短加热时间，高分离度，因此能够显著地减少高沸点材料的分离费用，更好地保障热敏材料的品质，特别适用于分离、萃取和提纯高沸点、高热敏性和易氧化物质，可以将许多传统的分离方法难以处理的问题都处理掉。目前，如今，其在医药、食品、精细化工、石油化工、塑料等行业中得到了广泛的应用，具有很大的技术应用前景。在我国日益枯竭的背景下，在日益增长的环境保护意识和持续高涨的原油价格背景下，如何有效地提高原油的使用率已成为国际社会关注的焦点。分子蒸馏是一种新型的物理化学方法，具有绿色、洁净等优点，在石化行业具有广阔的发展前景。
一、分子蒸馏的基本原理
1.1分子运动平均自由程
范德华力和电荷力是两种不同性质的力量，液体的运动幅度比气体的要小，这是因为液体的力量和气体的力量都是一样的，如果两个液体的力量很大，那么两个分子就会慢慢的靠近，但是如果两个分子的距离很近，那么这两个分子之间的力量就会变成一种斥力，这种斥力的力量会随着距离的靠近而快速的增加，最终导致两个分子分离。
1.2分离原理 分子蒸馏是基于组分间挥发性的差异，在较高的真空环境中进行的一种非平衡蒸馏。在混合工质的沸点温度下，根据各工质分子的平均自由程差异，在高真空条件下对各工质进行分离。在装置的凝结面和蒸发面之间存在温差的情况下，可以进行分离作业。结果表明，在不同的条件下，轻组分的分子具有较大的平均自由程，而混合组分则具有较小的自由程。如果在非蒸发表面上有一个凝结表面，比轻组分的平均自由程小，比重组分的平均自由程大，那么，可以将落入凝结表面的轻组分进行凝结，并将它们排出，同时，由于重组分无法达到凝结表面，则可以将混合物中的各组分分开。
5 - 1 5 蒸 馏
本章学习要求
掌握的内容
（1）双组分理想物系的汽液平衡，拉乌尔定律、泡点方程、露点方程、汽液相平衡图、挥发度与相对挥发度定义及应用、相平衡方程及应用；
（2）精馏分离的过程原理及分析；
（3）精馏塔物料衡算、操作线方程及q线方程，图示及应用；
（4）理论塔板数的确定；进料热状况参数q的计算及其对理论塔板数的影响；
（5）全回流时的最小理论塔板数、最小回流比及其计算、回流比的选择及其对精馏操作及设计的影响。
熟悉的内容
（1）平衡蒸馏和简单蒸馏的特点及计算；
（2）精馏装置的热量衡算；
（3）理论板数捷算法（Fenske方程和Gilliand关联图）；
（4）非常规二元连续精馏塔计算（直接蒸汽加热、多股进料、侧线采出、塔釜进料、塔顶采用分凝器，提馏塔等）；
（5）等板高度概念，双组分连续精馏塔填料层高度确定。
了解的内容
（1）非理想物系汽液平衡；
（2）间歇精馏特点及应用；
（3）恒沸精馏、萃取精馏特点及应用。
本章教学要求
教学目的：（1）掌握精馏过程原理，可对精馏过程做出数学描述
（2）掌握精馏塔的设计型与操作型计算
（3）了解特殊精馏过程
教学重点：精馏过程的数学描述、操作型和设计型计算
教学难点：操作过程分析与操作型计算 5 - 2 教学思路：三段式展开（物料衡算－操作方程－分离设备）
安排学时：12
5.1 蒸馏过程概述
本节重点：蒸馏的依据
本节难点：无
5.1.1 蒸馏过程在化工中的应用（教学用时：10分钟）
在化工生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产物进行分离，以获得符合工艺要求的化工产品或中间产品。化工上常见的分离过程包括蒸馏、吸收、萃取、干燥及结晶等，其中蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，应用最为广泛。例如将原油蒸馏可得到汽油、煤油、柴油及重油等；将混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等；将液态空气蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。
1页 5.2.3蒸馏
1．单级蒸馏过程
(1)平衡蒸馏
平衡蒸馏又称闪急蒸馏，简称闪蒸，是一种连续、稳态的单级蒸馏操作。图5.2-5所示为平衡蒸馏的计算模型示意图。
平衡蒸馏的物料衡算关系为：
式中：F、D、W分别为原料液、气相和液相产品流量，Kmol/h;xF、x、y分别为原料液、气相和液相产品中易挥发组分的摩尔分率。
图5.2-5平衡蒸馏计算模型示意图
2页 设 q= W/F
则 1-q=D/F
式中q称为原料液的液化率，l-q则称为原料液的汽化率。联立以上各式，可得
式5.2- 33表示平衡蒸馏中气液相组成的关系。在平衡蒸馏中，因气液两相处于平衡状态，故y与x的关系同时符合气液平衡方程，即
3页
若已知气液平衡关系，则可由该式确定F 、W、xF、xW之间的关系。
4页 在简单精馏过程中，馏出液的组成不断降低，其平均组成多可通过一批操作的物料衡算求得，即
【例5.2·6】在某压力下，将含苯为0.5（摩尔分数）的苯-甲苯混合物进行闪蒸，规定汽化率为0.4，进料量为25 kmol/h。试计算：
(1)闪蒸后的汽液相组成；
(2)气相和液相的产品流量。
苯-甲苯物系在操作条件下的气液平衡关系如本例附图所示。
解：(1)闪蒸后的气液相组成
依题意，液化率为
q=1 - 0.4=0.6
5页 操作线方程为
由进料组成XF=0.5，作垂线与对角线交于点f，过点f作斜率为- 1.5的直线，与平衡线交于点e，由点e可得出闪蒸后的气液相组成分别为
(2)气相和液相的产品流量
6页
分析：
①本题给出汽化率为0.4，则液化率为q=1- 0.4=0.6，注意区分汽化率与液化率，不要用错。
1 第1章 蒸馏
1.1 概述
蒸馏：分离液体混合物的典型单元操作。
2
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分离的依据：通过加热造成气、液两相物系，利用物系中各组分挥发度不同的特 4 性。
易挥发组分：沸点低的组分。
难挥发组分：沸点高的组分。
1.蒸馏分离的特点
① 直接获得所需要的组分（产品），操作流程简单；
② 应用广泛，即可分离液体混合物，也可分离气体混合物；
③ 能量消耗大，高压、真空、高温或低温等的技术问题限制。
2.蒸馏过程分类
① 按操作流程：间歇蒸馏和连续蒸馏。
② 按蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏。
③ 按操作压强：常压、减压和加压蒸馏。
④ 按混合物中的组分数：两组分精馏和多组分精馏。
常压下两组分连续精馏的原理和计算方法。
1.2 两组分溶液的汽液平衡
1.2.1 两组分理想物系的汽液相平衡
1.相律
相律是研究相平衡的基本规律。表示平衡物系中的自由度数、相数、独立组分数之间的关系，即
F=C-P+2
式中 F—自由度数；
C—独立组分数；
P—相数。
2—外界条件只有温度、压强可以影响物系的平衡状态。
两组分的汽液平衡
一定压强下的t—x（或y），x—y的函数关系或相图表示。
汽液平衡数据可由实验测定，也可由热力学公式计算。
2.两组分理想物系的汽液平衡函数关系（汽液相组成与平衡温度间的关系）
道尔顿分压定律气相为理想气体，遵循拉乌尔定律液相为理想溶液，遵循理想物系
1）用饱和蒸汽压和相平衡常数表示汽液相平衡 5 安托尼常数，查手册。—、、）方程表示，即（的关系通常可用安托尼和温度纯组分的饱和蒸汽压表示，即若用相平衡常数露点方程—相可视为理想气体，即当外压不高时，平衡气泡点方程—蒸汽压之和，即方的总压等于各组分的当溶液沸腾时，溶液上难挥发组分—易挥发组分—CBACtBApAntoinetpppKxKyKppppppxppppyppppxpppBAxpxppxppAAAAABABAAAAABABABAABBBBAAA-lg100000000000000
