精馏的三大平衡

精馏塔是分离挥发度不同的混合物体系常用设备，可将将挥发度不同的两种物料分离为轻、重组分，在塔内轻、重组分的混合物经过多次的部分冷凝和部分汽化，轻组分富集于塔顶，重组分富集于塔底，别在塔顶和塔底收集得到纯度较高两种产品。

在精馏塔内存在三大平衡：物料平衡、气液平衡和能量平衡。精馏塔的控制以三大平衡为基础，三大平衡相互制约、相互影响，能够维持三大平衡即可保证精馏塔的分离效率和生产能力。

下面以二元物系精馏为例分析三大平衡的相互关系：

进料流量为F，其中轻组分A含量为x_A;

塔顶产品流量为D，其中轻组分含量为y_A；

塔釜产品流量为B，其中轻组分含量为z_A；

物料平衡关系可用等式表示：

F=D+B

Fx_A=Dy_A+Bz_A

第二大平衡就是气液平衡了，在已有的精馏塔，塔板数是不会变化的，可以说这台塔的理论板数是固定的，此种情况下，塔顶、塔底产品的纯度取决于气液平衡关系。塔内按照理论板数来分析，每一层塔板上都存在一个气液平衡关系。所谓的气液平衡，就是某一组分在气相中的浓度与其在液相中的浓度成比例关系，即：

K_i=y_i/x_i

式中的K_i称为气液平衡常数。对于严格精馏设计计算，平衡常数可由状态方程或活度系数方程求取，在流程模拟软件中，K_i计算的准确性取决于设计者选取的物性方法。

简单来讲，K_i的值与温度和压力有关。精馏塔内，由于塔板自身以及板上液层厚度对气相的阻力，从上而下，温度和压力存在一个梯度分布，导致每一层板的气液平衡常数K_i也不相同。

温度和压力的分布的影响因素就是能量平衡了，精馏塔中，塔釜输入热量，塔顶回流输入冷量，能量平衡会影响塔内的温度分布，进而影响压力分布，然后就会影响到塔板的气液平衡常数K_i。比如，塔顶回流量增大，即输入冷量增加，塔板上温度将会降低，平衡常数受此影响将会减小，意味着液相里面轻组分浓度增加，最终会导致塔釜产品中轻组分的浓度升高。

对于精馏塔的控制，控制物料平衡主要是维持塔釜液位和回流罐液位恒定，控制相对简单。

气液平衡和能量平衡都是采用温度控制来实现的，通常精馏塔需要进行控制的温度有塔顶温度、塔釜温度和灵敏板温度，通常都是指液相温度。灵敏板是当塔内操作出现波动时，温度变化最大的那一层塔板，通过控制灵敏板的温度，可以更快，更准确的对塔内波动做出响应，使塔的操作回归到稳定状态。

气液平衡的另一个影响因素就是压力，精馏塔的压力控制也非常关键，通常是依赖于温度控制间接实现，但对于一些特殊的塔，也需要加入压力控制措施，比如有气相采出的塔，或含有不凝气的精馏塔等。对于一些对塔内操作压力要求非常严格的精馏塔，加入压力控制作为温度控制的补偿手段，有利于保持塔内压力恒定，对维持稳定的产能和能耗非常有利，一些采用热泵精馏的场景中，受热泵温升影响，对塔内操作温度要求较高，因温度是受压力的影响，所以经常要加入塔顶压力控制措施。