精馏设计基础.doc

天津凯文特科技有限公司 1、精馏的概念精馏是一种使用广泛的分离混合物的方法，它是利用液体物质挥发度的不同，在塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝，来实现提高所需要物质纯度的。虽然精馏最常用于液体分离，但也可以通过改变气体温度或压力，使之变成液体并加以分离。精馏用于许多工业领域，如生产汽油、蒸馏水、二甲苯、乙醇、石蜡、煤油和许多其他物质。一个典型的精馏装置，单一进料和两个采出产品的示意图如下：2、精馏的分类精馏分为间歇和连续两种方式。2.1间歇精馏当混合液的分离要求较高而料液品种或组成经常变化时，采用间歇精馏的操作方式，它具有操作灵活的特点。2.2连续精馏相比之下，连续精馏过程中料流连续进塔。它的特点是处理量大，是最常见的操作类型。我们主要讨论这种精馏方式。 2.2.1按处理的进料组分，连续精馏可划分为： 二组分精馏：进料只包含两个组分； 多组分精馏：进料包含两个以上的组分。2.2.2如果另有其它进料时，连续精馏又可分为： 萃取精馏：向精馏塔顶连续加入高沸点添加剂，改变料液中被分离组分间的相对挥发度，使普通精馏难以分离的液体混合物变得易于分离的一种特殊精馏方法。 共沸蒸馏：两组分的挥发度非常接近时，需加入第三种组分，以提高 各组分间相对挥发度的差别。 2.2.3按塔内填充物的类型分为： 板式塔：从塔顶下来的液体，与底部上来的气体在塔盘上接触，进行物质和热量的交换，从而实现分离； 填料塔：蒸气和液体之间在填料的表面进行接触，实现分离。2.3精馏塔的主要组成部件 塔壳：提供精馏所需密闭的场所； 填充件：如塔盘或填料，用以强化组分的分离； 再沸器：提供必要的热量使液体蒸发； 冷凝器：冷却和冷凝从塔顶部出来的蒸气；回流罐：使冷凝下来的液体回流到塔内，并出产品。塔壳、填充件、冷凝器和再沸器一起构成了精馏塔。3、精馏塔的设计选定精馏方案是完成精馏塔设计的先决条件，因为精馏塔工艺尺寸的确定不仅与所处理物系的性质、给定的生产能力、组成要求有关，还和操作压力、回流 液状况、加热方式以及所选用设备的型式等因素有关，所以在进行精馏塔设计之前选定精馏方案，拟定精馏装置流程的工作必须首先进行。3.1精馏方案选定涉及的内容3.1.1蒸馏方式的选定可以选用简单蒸馏、直接水蒸气蒸馏、间歇蒸馏、连续精馏或特殊精馏等；3.1.2操作压力的选定可以是常压精馏、减压精馏或加压精馏；3.1.3塔型的选定可以选用填料塔，也可选用板式塔（如浮阀塔、筛板塔等）；3.1.4加料方式和进料状态的确定加料方式可以采用高位槽或料泵输送，也可由前一工序来的料液直接送入塔中；3.1.5再沸器、冷凝器、冷却器等换热设备的配置再沸器的配置与所采用的加热方式有关，通常采用间接蒸汽加热，但有时也采用直接蒸汽加热；冷凝器型式多采用列管式换热器，从经济核算的观点考虑，对于小塔，当面积小时常将冷凝器直接放在塔顶或塔顶附近，而当处理量较大时则将冷凝器移至地面，然后再用泵强制回流。3.1.6测量仪表的配置3.2精馏方案须注意的问题3.2.1确定精馏方案的主要原则3.2.1.1必须考虑经济上的合理性；3.2.1.2必须考虑工艺要求与平稳操作问题。3.2.2在蒸馏方式上的选定中必须考虑生产规模、产品质量要求与投资费用等。3.2.3确定操作压力必须考虑所处理的液体混合物的性质等因素，如热敏性物料应选用减压蒸馏，而对于沸点低、常压下呈气态的物料则应进行加压蒸馏；3.2.4塔型的选择固然要尽量设法选用性能优良的塔型，但每种塔型并非十全十美，故选型时还必须从产量、质量和能耗等实际需要出发，努力做到兼顾技术上的可行性和经济上的合理性两个方面；3.2.5确定加料状态和加料方式既要考虑相关工序的实际情况等因素，也要考虑便于平稳操作。比如，精馏塔的进料状况可有多种，若原来是冷料，将其预热至接近泡点温度再送入塔内，则不仅可以避免季节气温变化的影响，使塔较易控制，而且也为精馏、提馏两段采用相同的塔径提供方便，但是这样在其它条件都相同的情况下就需增加塔板数量；3.2.6附属换热设备的配置必须注意到精馏过程一方面需要由加热蒸汽供给热量，同时又需要大量冷却介质取走热量，故从经济观点出发存在着如何合理利用热能的问题，为此可以用定性或定量的方法论证塔底釜液与塔顶蒸汽热能利用的可能性，考虑它们能否用于预热料液或有其它别的用处。此外，在考虑热能利用的方案时还要以精馏塔可能实现平稳操作为前提。必须注意，设计开始通常只能对流程作初步安排，待整个计算完成后再作进一步的修正，并作较全面的论述，绘制带控制点的流程图。3.3工艺计算 工艺计算也可按传统方法进行，也可借助一些计算软件进行设计，如PRO和ASPEN PLUS。工艺计算的主要内容是：物料衡算：确定产品的质量、收率和流量； 确定操作条件：塔主要部位的压力和温度； 精馏计算：根据相平衡数据和分离要求确定回流比，计算填料塔和板式塔的填料高度（或实际板层数），确定加料位置。 3.3.1操作条件的确定3.3.1.1压力和温度的确定确定塔主要部位的压力和温度是求取塔板数进行塔内气液接触构件设计的重要依据。设计任务书给定的操作压力常是指塔顶的压力。由于塔板或填料层存在着压降，致使沿塔压力发生变化使气液物性和气相负荷随之而变，这对真空操作精馏塔的影响尤为明显。又由于操作压力沿塔的分布规律与塔内气液接触构件、气液负荷、物性等因素有关，故通常采用先预估再校验的方法确定。3.3.1.2回流比的确定回流比是精馏塔设计和操作的重要参数，因为回流比的大小不仅影响塔的理论板层数、塔径、塔板的结构尺寸和附属设备的大小，还直接影响所需的加热蒸汽和冷却水的用量。故使装置的设备费与操作费的总和最小应是选定适易回流比的重要原则。确定回流比的方法很多。方法之一是先求出最小回流比及全回流时所需的最少理论板层数，再用吉利兰关联图求得RN值，作出回流比和理论板数的关系曲线，然后选定适宜的回流比。也可参照R=(1.22.0)R的经验关系直接选定回流比。应用这些方法只能定出回流比的适宜范围，而无法确定最佳的操作回流比，故最好能同时参考生产现场提供的经验数据确定一合适的回流比。当然最科学的方法是选择几个不同的回流比估算包括设备费和操作费在内的总费用，进行方案比较，从而得到经济上最为合理的回流比。但采用这种方法的前提是必须具备足够的原始资料，并最好采用计算机计算。3.3.1.3确定理论板数的求取和塔效率理论板数的求法有图解法、逐板计算法和简捷计算法等。用图解法求取理论板数时，通常用方格坐标纸作图，绘制的平衡曲线要圆滑。对酒精水系统塔底、塔顶均需放大。塔效率的确定对所设计的塔能否完成分离任务关系重大。但至今尚无可靠的计算方法，一般可用如下三种方法来确定：3.3.1.3.1参考工厂同类塔效率数据3.3.1.3.2对同类型塔进行现场标定，取得可靠的塔效率数据3.3.1.3.3当缺乏经验数据时，可用经验关联式估算3.4填料层（或塔板）和塔主要工艺尺寸的设计计算 3.4.1填料塔工艺尺寸设计计算填料塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括：选择填料、确定塔径、计算填料高度、计算压降以及根据塔径、填料高度确定填料层的分段数目等项。 填料塔的结构设计包括总体结构、塔内构件和进出口接管等。塔内构件包括液体喷淋装置、液体再分布器、填料压圈、填料支撑和进气分布器等，具体设计可参考有关资料。3.4.2板式塔工艺尺寸设计计算板式塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括：板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学效验、负荷性能图以及塔高等。其设计计算方法许多资料均有介绍，请自行查阅。现着重说明以下几点：塔板设计的特点和方法。塔板设计的任务是以塔内气液的物流量、操作条件和物性数据为依据设计出具有良好性能（压降小、弹性宽、效率高）的塔板结构尺寸。但因在一定操作条件下，塔板的性能与其结构、尺寸密切相关，又因必须由设计确定的塔板结构参数实在太多，无法一一建立起结构参数、物性、操作条件与流体力学性能之间的定量关系，故为了简化设计程序，通常是选定若干参数进行设定，再对其流体力学性能进行校核。而且不管是设定结构参数，还是校核流体力学性能都是以经验数据作为设计的依据和比较的标准。所以，塔板设计的基本思路是：以通过某一块塔板的气液物流量和板上气液组成、温度、压力等条件为依据，首先参考经验数据初步确定有关结构参数，然后进行流体力学计算，先校核单项指标是否符合经验数据范围，再绘制负荷性能图，考核其操作弹性等综合指标是否合适。如不符合要求就必须调整结构参数，重复上述设计步骤，直到满意为止。 设计板式精馏塔时，若所设计的塔板塔径在800mm以上而采用分块式塔板时，必须考虑分块对塔板布置的影响，并需绘制塔板结构图。板间距的设计必须与塔径的设计同时考虑，因为它们均与塔内允许的上升气速有关，设计时通常先根据经验提供的数据选取某一板间距值，求得塔径，然后进行流体力学校核计算，如不符合则需作调整，从而确定出能与塔径大小相适应，满足流体力学性能要求的板间距。 对于气相负荷沿塔明显变化的情况（如减压塔，即使是泡点加料，这种变化也很明显），在进行塔板设计，绘制负荷性能图时，必须特别注意这种变化的影响。这时在塔内的不同部位，其塔板布置、板间距以至塔径均可作不同的安排。如能针对不同负荷采用不同的塔板结构参数，对改善塔板的流体力学性能，提高塔板效率肯定有利，但也势必使塔的造价提高，所以对此同样必须从技术上的可行性与经济上的合理性两个方面权衡利弊。 3.5辅助设备的设计 3.5.1换热器的热负荷求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量；再沸器的热负荷和所需的加热蒸汽用量；如在流程中设置了预热器，也需作如上计算；3.5.2换热器设计选型选定冷凝器、冷却器或再沸器的形式，求取所需的换热面积，并查阅换热器标准，提出合适的换热器型号并进行校核（在各换热器中任选一个）。换热器设计中，应注意传热温差至少保持在1020左右，而冷却水出口温度则原则上不应大于4050；3.5.3输液用泵的型号根据流体的输送流量、扬程以及介质的物性，选定泵的型号（在各输液泵中任选一个选型）；3.5.4各储槽、高位槽选型设计由储槽（高位槽）的储液量、材质及形式（立式或卧式）等条件选定其结构尺寸；3.5.5流程中的主要管线进行设计首先选定物料在管路中的适宜流速，经计算、圆整，最后确定管路尺寸和材质。4、填料塔和板式塔的对比名 称填料塔板式塔说 明分离效率单位高度规整填料的理论板数高于塔盘对于精馏纯度要求高的，填料塔更为适合压降散堆填料约0.3 kPa；规整填料约0.15 kPa约3kPa板式塔开孔率小（5%-10%），还有一定高度的液层（25mm以上），所以压降大于填料塔处理能力和操作弹性很适合比较大规整填料处理量比板式塔大；常压和真空状态下，填料塔操作弹性为80-120%，比板式塔高高压力塔大于2Mpa时不适合适合对于填料塔,容易引起液泛热敏、高沸物系压降小，适合此类物系不适合腐蚀性强的物系可选用陶瓷或塑料填料不合适耐高腐蚀性的塔盘难于制作易结垢、易堵塞物系不适用比较容易解决，清理也容易易起泡物系适合较难，塔径、塔高均需较大值填料塔的液体分布器需设计合理大直径塔适合，但填料费用略有上升很适合，但后期操作费用高减压大直径填料塔因高效、高处理量使塔体积减小，费用降低，同时后期操作费用低小直径塔很合适0.6m以下较难制作间歇精馏很适合可以用填料塔因持液量小更适合多进料、抽侧线可以实现比较容易实现中间换热相对较难易实现5、填料塔设备5.1填料特性填料特性与分离效果密切相关，表征填料性能的参数主要有比表面积、空隙率和填料因子等。5.1.1比表面积是指单位体积填料的表面积，其值越大，所提供的传质面积越大，分离效率越高；5.1.2空隙率是指单位体积填料的空隙体积，其值越大，气液通过能力越大且气体流动阻力越小；5.1.3填料因子表明填料的流体力学性能，其值越小，则流动阻力越小，液泛速度提高。5.2填料分类填料分散堆填料和规整填料两大类，但都需要塔内件结合使用，下面一一举例说明。5.2.1规整填料规整填料具有通量大、压降小、分离效率高的特点，金属孔板波纹填料和金属丝网波纹填料是最常用的规整填料，其它还有塑料填料和陶瓷填料等。 金属孔板波纹填料 金属丝网波纹填料5.2.2散堆填料金属矩鞍环填料既有环形填料通量大的特点，又有鞍形填料液体分布性能好的特点，从而成为当前颗料填料的佼佼者；鲍尔环填料是一种新型填料,是针对拉西环的一些主要缺点加以改进而出现的，鲍尔环填料具有通量大、阻力小、分离效率高及操作弹性大等优点；环填料是一种效率非常高的填料，主要用于实验室及小批量、高纯度产品的分离过程。有以下规格：1.51.5，22，2.52.5，33， 44，55，66，88，1010，1212，1313，1515。金属矩鞍环 金属鲍尔环 环填料5.3塔内件5.3.1槽盘式气液分布装置是种既可收集分布液体，又可分布气体的装置，具有占位小、防脏堵、气液分布均匀等特点；5.3.2液体收集装置用于将下降的且分布不均匀的液体全部收集；5.3.3液体分布装置将液体收集器收集的液体重新进行分布，从而使液体均匀进入填料；5.3.4填料支撑用来支撑塔内填料及所持有的液体重量，所以它要有足够的机械强度。槽盘式气液分布器 液体收集器 液体分布器6、板式塔设备 板式塔是气液逐级进行接触的精馏设备，按气液流动的方式可分为错流塔板和逆流塔板。其中以错流塔板为主，又分为泡罩塔板、筛板塔板、浮阀塔板和喷射型塔板等。6.1泡罩塔板 又称泡帽塔和泡盖塔。塔内装有多层水平塔板，板上有若干个供蒸气（或气体）通过的短管，其上各覆盖底缘有齿缝或小槽的泡罩，并装有溢流管。操作时，液体由塔的上部连续进入，经溢流管逐板下