第2章　计算传质学的应用（一）——精馏过程

精馏过程是目前应用最广和规模最大的气液传质分离过程，广泛应用于炼油、石化以及近年发展的生物能源（例如由农作物生产乙醇）等生产过程。

在多种传统的和新发展的精馏设备中，以板式塔和填料塔两种类型最为普遍。

自20世纪30年代以来，精馏过程的模拟计算方法经历过几个发展阶段。

对于板式塔来说，第一阶段是以“平衡级塔板及板上液相完全混合模型”为代表，其特点是认为将精馏过程归结为由若干块“理论塔板”完成，而“理论塔板”是指塔板处于气液平衡状态，而且板上液相是完全混合的，即板上浓度均匀。然后将计算得到的理论塔板数再用经验的板效率来校正，以得出过程所需的实际塔板数。这类模型从20世纪30年代的气液平衡曲线x-y图解法发展到60年代的逐板MESH方法（其中，M为物料衡算，E为气液平衡关系，S为浓度分数归一，H为热量衡算）。

第二阶段是以“非平衡级塔板完全混合模型”为代表，其特点是认为塔板的气液两相之间不是处于气液平衡，而是直接计算塔板上的传质通量，可免去用经验的塔板效率校正，但仍然认为液相流动是均匀的和塔板上浓度是完全混合的。从20世纪80年代起，由这类模型构成了逐板的MRSH方法（其中，R为计算塔板上传质通量的方程）。

上述两类模型由于假设塔板上的完全混合，显然与实际情况不符，特别是在大型精馏塔的设计和评估上，会产生很大的误差。在此之后发展到第三阶段。

第三阶段是以“非平衡级塔板及板上液相部分混合模型”为代表，其特点是认为塔板不但处于气液非平衡状态，而且板上流动及浓度都不均匀，例如在流动上存在返流、在浓度上存在返混。这种模型比较符合精馏过程与设备的实际情况。从20世纪80年代起，这类模拟计算方法已有萌芽，采用离散混合池方法进行计算；从20世纪90年代起，采用计算流体力学方法来预测塔板上的流速分布，但浓度分布都是结合由实验或经验而得到的湍流传质扩散系数来预测（即相当于计算传质学的零方程方法）。直到21世纪初，开始采用计算传质学的两方程方法，不再需要用到经验的湍流传质扩散系数。

对于精馏填料塔的模拟计算方法，其发展过程亦类似于板式塔，从平衡级完全混合的理论塔板当量高度（HETP）模型发展到非平衡级部分混合模型，但直到21世纪初以前，仍依赖从经验而得的湍流传质扩散系数。

此外，从节能的角度来说，精馏过程是耗能大户，因此如何提高精馏过程的效率，实现精馏过程节能，是化学工程一个亟待解决的重要问题。为达到此目的，除用各种方法提高精馏过程热力学效率（如减少过程热量散失、热能综合利用、采用热泵、热耦精馏、添加物质以改变组分相对挥发度等）以及提高气液接触传质效率（如改善结构或发展新型设备以增大气液接触面积和改变接触方式等）外，另一个重要方面就是要寻求精馏设备的合理设计与运行，以减少气液过程在设备中的流动与传质的不合理性（例如减少液体返流、沟流及不理想的组分浓度分布等），使设备的设计与运行能够接近理想状态下进行（例如流动接近活塞流、组分浓度接近最优分布等），从而提高精馏设备的效率，并且降低能耗与设备投资及运行的总费用。因此使精馏设备内的流动和浓度分布的合理化是提高精馏过程效率和节能的一个重要方式。

由此可见，深入研究精馏设备内的流动与浓度分布状态对提高精馏设备效能十分重要，特别是对于大型精馏设备来说更是十分关键。精馏设备内的流动分布状态可以借助于计算流体力学来求取（参见附录Ⅰ），但浓度分布状态则需要采取计算传质学的方法来解决。