石油天然气分离

石油化工分离工程,教师：唐东林Email:xnsytdl,本课程特点与要求,（1）基本内容：物料平衡、热量平衡、相平衡在石油化工分离中的综合应用。（2）课程衔接：前期课程为化工原理、物理化学、化工热力学,前言：,1、分离操作在化工生产中的地位（Positionofseparationprocessinchemicalindustry）,A:石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善,B:分离是工艺的要求，是装置的有机组成部分。在化工生产过程中主要的流程是由（反应分离）构成。分离过程的设备多、投资多，成本占5090。,c分离工程是节能的需要能耗是评定过程先进性和实用性的一项指标。通过掌握和学习分离工程，最有效的降低装置能耗。,d满足化学工程发展的需要化工分离技术与其它科学技术相互交叉渗透产生一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等,2、分离过程的特征与分类（Classificationandfeaturesofseparationprocess）,一般的表示,混合物分离设备产品(残渣或产品),分离剂(物质或能量),质量分离剂：吸收剂，萃取剂，过滤介质，吸附剂，表面活性剂，离子交换树酯，液膜，固膜材料等等；能量分离剂：热能（蒸汽，冷却水），压力，电磁，离心，辐射等能量。,3、分离过程的研究内容与研究方法（ResearchContentsandMethodsofseparationprocess）,研究内容：分离工程是研究分离过程中分离设备的共性规律，分离与提纯的科学。研究和处理传质分离过程的开发和设计中遇到的工程问题,研究方法：1、逐级经验放大法：优点：工艺可靠。缺点：需多级中间试验，耗资大，开发周期长。2、数学模型法：优点：节省试验费用,缩短开发周期缺点：可靠又合理简化的数学模型难以建立,第一章多组份精馏过程,1-1多组份物系的汽-液相平衡1-2塔顶、塔底产品的数量和组成1-3多元精馏过程的简捷计算法,1-1多组份物系的汽-液相平衡,1、理想二元物系的气-液相平衡表示法：,2、多组分物系中i组分的相平衡常数ki:,进一步表示为：,iL，iV为i组份在液相、汽相的活度系数fiL0，fiV0为在系统T、P下，纯组份在液态、气态时的逸度,3泡点、露点方程及其应用,泡点温度:是在恒压下，加热液体混合物，当液体混合物开始汽化出第一个气泡的温度。露点温度：是在恒压下冷却气体混合物，当开始冷凝出第一个液滴的温度泡点压力：是在恒温下，降低系统压力(逐步)，当液体混合物开始汽化出第一个气泡的压力。露点压力：是在恒温下，压缩气体混合物，当开始冷凝出第一个液滴的压力。,塔,全凝器,Y1i,XLi,XDi,Xwi,塔,分凝器,Xwi,Y1i,XLi,YDi,泡点方程：,露点方程：,用试差法计算。,4、平衡汽化,平衡汽化：原料液体被加热到一定温度和压力下，达到气液平衡状态称为平衡汽化,Q,加热,F,Zi,液体,T1,P1,T2,P2,L,Xi,V,yi,汽化分率：,V：平衡汽化过程中，所形成的气相量V（Kmol/h）,F：平衡汽化过程中，液相进料量（Kmol/h）,平衡汽化为炼厂蒸馏设计提供最基本的相平衡数据。,1-2塔顶、塔底产品的数量和组成,F、D、W：分别是总进料流量、塔顶产品流量、塔底产品流量,二元物系的全塔物料衡算：,进料组成、塔顶、塔底产品分离要求,1、基本物料平衡式：,组分i在进料中的组成,多元物系的全塔物料衡算：,F、D、W：分别是总进料流量、塔顶产品流量、塔底产品流量,组分i在塔底、塔顶产品中的组成,关键组分（KeyComponents）的定义,2、关键组分的选择：,在分离过程起着关键作用的组份,轻关键组分（LK）：对控制轻组份进入塔底的数量起着决定作用。重关键组分（HK）：对控制重组份进入塔顶的数量起着决定作用。,关键组分的特点：,轻关键组分的特点：,1组分的浓度在塔底产品中应严格控制2挥发度大3产品主要从塔顶产出,重关键组分的特点：,1组分的浓度在塔顶产品中应严格控制2挥发度小3产品主要从塔底产出,1)相邻产品：分离要求主要是在挥发度相邻的组份之间分割为两个产品，分离点两侧，较轻的为轻关键组分，较重的为重关键组分。2)保证目的产品：某几个组份是目的产品，回收率已确定，以此作关键组份。3)原料：紧靠分离点同侧的两个组份之间如果相对挥发度差别不大，贴近分割点的组份含量远小于另一组份含量，选择含量大的组份作为关键组份。,关键组分的选择原则,关键组分的选择（续2）某一组分在塔顶或塔底不出现，叫非分配组分，非分配组分不能做关键组分。关键组分必须在塔顶和塔底均出现。设计时根据轻重关键组分设计，其余组分的量可人为设定，这样会出现某些组分的设计计算值与生产实际值偏差较大的情况，这种现象无关紧要，只要轻重关键组分的分离要求达到就可以了。轻重关键组分的确定决定塔高，进而决定设备费用。,3、产品数量和组成的求定,基本物料平衡式：,(方程1),3.1清晰分割的物料计算：,认为：比l更轻的不进入塔底，比h更重的不进入塔顶。,条件：(a)l，h相邻；(b)l与其相邻的更轻组份，h与其相邻的更重组份，相对挥发度有明显的差别。,例子：,多元物系组成：f1，f2，f3，f4，f5，f6,塔顶、塔底关键组分：dldh，wlwh,f3=dl+wlf4=dh+wh,塔顶产品：D=f1+f2+dl+dh,塔底产品：w=f5+f6+wl+wh,补充方程：,(方程2),3.2非清晰分割的物料计算：,条件：(a)轻关与其相邻的更轻组份之间或重关与其相邻的更重组份之间相对挥发度接近；(b)在轻重关键组份之间尚有其它组份。,认为：更轻组份的有少量的到塔底，更重的组份也有少量的进入塔顶,1-3多元精馏过程的简捷计算法,3.1最少理论塔板数的概念及其计算方法,3.2最小回流比,3.3操作回流比及理论板数,3.4实际板数和进料位置,定义：在一定的分离要求下，操作回流比越大，所需理论塔板数越少。当R即全回流下，完成所规定的分离任务，所需的理论板数，称为最少理论塔板数。,3.1最少理论塔板数的概念及其计算方法,最小理论塔板数计算公式,(一)最小回流比的特点yf-1=yf+1=yFxf-1=xf+1=xF,3.2最小回流比,定义：在指定的进料状态下，用无穷多的塔板数达到规定的分离要求，这时所需的回流比称为最小回流比Rm,1）二元精馏：在最小回流比时，操作线和进料热状态线交于一点时，进料板周围这个区称为挟点或恒浓区。,2）多元精馏：在最小回流比时，有类似的恒浓区。上恒浓区（包括重关键组分、轻关键组分、最轻组分）和下恒浓区（包括轻关键组分、重关键组分、最重组分）,二恩德伍德（underwood）方程,2、理论板数：NT采用吉利兰（Giuiland），Rm，R，Nm，四者之间的关系进行了研究，由实验结果总结了一种经验关联式。,3.3操作回流比及理论板数,1、操作回流比：R=1.22Rm,3.方案选择,采用吉利兰法选择R值不同对应的NTNT投资R冷却费用例如：难分离的物系，小，NT，本身塔板数高，一百多块，高达七、八十米。R大一些，理论板数，R/Rm接近2,进料位置NT=n+m+1,3.4实际板数和进料位置,如果全塔相对挥发度变化不大,应用范围:适用于泡点进料，也适用于部分汽化进料,如果全塔相对挥发度变化大,应用范围：泡点进料,一般在计算时，在进料板上、下方分别设置23个进料口，以便调节。,实际板数,前面讨论的理论板数的计算方法，而设计的最终目的是为确定各段的实际板数，引出板效率。,理论板：进入一块板的汽相和液相在该板上充分接触，离开的汽、液相达到平衡。,实际板：每块塔板所进行的传质过程不可能达到理想情况。,用单板效率来作为传质效果的衡量标准：,影响板效率的因素,物质：粘度、比重、相对挥发度、表面张力等。塔板的型式：板面布置，汽、液相负荷。操作温度、压力。,精确地计算各板的板效率，并直接用到设计中有一定困难，设计中主要是用经验公式和图表确定全塔的总板效率T，然后用来确定N值。,总板效率T,NT:理论板数Na:实际板数,总板效率主要和物系的液相粘度和相对挥发度有关。,2.1石油及其产品的组成、性质、工艺综述2.2石油物系的特点及其蒸馏过程2.3石油蒸馏塔的回流及取热2.4石油蒸馏过程主要工艺参数选择2.5石油蒸馏塔的设计计算方法,第二章石油蒸馏,2.1石油及其产品的组成、性质、工艺综述,2.1.1石油的一般性状形状：流动或半流动的粘稠液体气味：浓烈（臭味）颜色：暗黑、暗褐、浅黄温度：差别大元素：C、H、N、O、S,2.1.2石油的馏分及其组成,1、石油蒸馏中的概念：分馏：根据组分沸点的差别把石油分割成若干个馏分的过程馏分：一定沸点范围的分馏馏出物馏程：石油馏分的沸点范围,2、原油馏分的组成分类,包括：汽油馏分（常压下从初馏点-200度）煤柴油馏分（常压下200度-350度）润滑油馏分（相当于常压下350度-500度）减压渣油（大于500度的馏分,国内外某些原油馏分的组成,包括：烃类：1、烷烃（50%-70%）2、环烷烃3、芳烃非烃类化合物（10%-20%）1、含硫化合物2、含氮化合物3、含氧化合物微量元素（如钒、镍等）,3、原油馏分的组成,1）蒸气压在一定的温度下，液体与其液面上的蒸气呈平衡状态时，蒸气所产生的压力。,2.1.3石油馏分的热学性能,：分别为混合物和组分的蒸气压：平衡液相中组分的摩尔分率,2）汽化热,单位质量物质在一定温度下，由液态转化为气态所吸收的热量,计算方法：1）焓差法：汽化热=气相的焓值-液相的焓值2）查表法：,石油馏分常压下汽化热图,石油馏分焓值特点：1、是油品性质、温度、压力的函数2、同一温度下，相对密度小的油品具有较高的焓值3、石油分馏工艺设计中，用查表求取,3）焓,1、油品的粘度（油品流动及运输的重要物性参数）2、低温流动性（动力系统要求）3、密度和相对密度（炼厂工艺设计，产品计量）4、燃烧性能（闪点、燃点、自然点）,2.1.4石油馏分的其他性质,目的：为炼油厂的设计提供参数或为石油化工类炼油厂提供生产方案相关的参数方法：在实验室里，采用蒸馏和分析方法，全面掌握原油性质，以及可能得到的产品或半产品的收率和一些基本性质,2.1.5原油的评价,原油评价的内容,1、原油性质分析（脱盐、脱水后）2、考察原油馏分的组成采用实沸点蒸馏，馏分宽度3%-5%实验装置：间歇式釜式精馏塔回流比：5：1理论板数：15-17中百线：窄馏分性质随沸点升高的变化趋势3、获得原油各种产品的产率曲线,根据实沸点蒸馏绘制的曲线,1、炼油的生产装置（1）原油分离装置-把原油分离成多馏分油（2）重质油轻质化装置将减压渣油转化为轻质油（3）油品精炼装置-油品质量达到产品质量要求（4）油品调和装置-馏分油之间的调和（5）气体加工装置（6）加氢装置（7）化工产品生产装置,2.1.6炼油厂的构成,2、辅助设备,（1）供电系统（2）供水系统（3）供水蒸气系统（一般配备1MPa和4MPa的蒸气锅炉）（4）供气系统（压缩空气、氧气等）（5）原油和产品储运系统（6）三废处理系统,2.2石油物系的特点及其蒸馏过程,2.2.1石油物系的特点及物性计算1、石油的馏分组成及其蒸馏曲线的换算曲线的目的：分析石油及其馏分的汽-液平衡关系，表达馏分的馏程曲线的种类：a:馏程实验曲线（恩氏蒸馏）b:实沸点蒸馏曲线c:平衡闪蒸曲线（平衡汽化）,（1）、石油馏分的三种蒸馏曲线,a:馏程实验（恩氏蒸馏）是在规格化仪器和规定实验条件下进行的简单蒸馏本质是：渐次汽化作用是：石油商品质量检测、炼厂生产过程质量控制实验时间：一小时左右,馏程实验设备,馏程实验过程演示,恩氏蒸馏曲线,b:实沸点蒸馏,是利用分离精度较高的蒸馏装置，分离出馏分的馏程与馏分实际沸点相近的蒸馏本质是：间歇精馏作用是：考察原油馏分组成、用于原油评价实验时间：一天时间左右,实沸点蒸馏实验设备,实沸点蒸馏曲线,是将汽液混合物恒定的温度和压力下保持足够长的接触时间，然后过减压阀进入分离室里，迅速分离成汽液两相的蒸馏本质是：一次汽化作用是：为炼油厂蒸馏设计提供最基本的相平衡数据实验时间：较长，十多天左右,c:平衡闪蒸,平衡闪蒸实验设备,平衡闪蒸蒸馏曲线,（2）、石油馏分的三种蒸馏曲线比较,结论：,1、实沸点的分离精度最好，其次是恩氏，最差是平衡汽化。2、在分离精确度没有严格要求的情况下，采用平衡汽化可以用较低的温度而得到较高的汽化分率,为什么要换算？1、工艺计算中，常常遇到平衡汽化问题2、蒸馏实验工作量由大到小依次是：平衡汽化、实沸点蒸馏、恩氏蒸馏3、有时也需要三种曲线互换,（3）、石油馏分的三种蒸馏曲线换算,换算思路：,常压恩氏蒸馏曲线转换为平衡汽化曲线,例1某轻柴油馏分的常压恩氏蒸馏数据如下（已经裂化效正）,将其换算成常压平衡汽化数据,第一步、将常压恩氏50%点温度换算成平衡汽化50%点温度,1、求恩氏蒸馏10%70%斜率（本例：0.45度/%）,2、求平衡汽化50%点和恩氏蒸馏50%点温差（本例：9.5度）,3、将恩氏50%点温度换算成平衡汽化50%点温度（本例：287.9度）,第二步、查表求平衡汽化曲线各段温差,第三步、由50%点及各线段温差推算平衡汽化曲线的各点温度,假组分的实质：窄馏分假组分的沸点范围：一般10-20度，不超过30度假组分的应用：馏分汽液相平衡的半理论计算,2、石油的假组分,原油的预处理原因；,在原油中加入一定量不含盐的清水，充分混合，然后在破乳剂和高压电场的作用下，使原油中微小的水滴聚集成较大的水滴，借重力从油中分离，达到脱盐脱水的目的,原油的预处理原理；,含盐含水油的危害1、腐蚀设备(卤化物、硫化物）2、影响二次加工原油的质量（渣油中钠离子）3、增加能量消耗（水的汽化潜热大，成水垢）4、干扰塔的平稳操作（水的气相负荷大、易爆沸）,2.2.2石油物系的蒸馏过程,1、原油的预处理,原油的预处理过程原油加热到100-140度-脱盐罐-,洗涤水（清水）+破乳剂,油水混合物,700-1000V/cm的电场,脱盐原油（35mg盐/L原油、含水0.3%）,含盐污水,2、原油的蒸馏过程（以三段汽化为例）,一段汽化：在原油蒸馏过程中，在一个塔内分离一次为一段汽化汽化段数：原油经过加热汽化的次数原油蒸馏装置汽化段种类：（1）一段汽化式（2）二段汽化式（3）三段汽化式,（1）、一段汽化式（常压）（用于中小型炼厂，生产轻、重燃料）,（2）、二段汽化式（初馏+常压或常压+减压）,初馏+常压：用于中小型炼厂，生产轻、重燃料常压+减压、初馏+常压+减压：用于大型炼厂，生产燃料型、燃料润滑油型、燃料化工型产品,（3）、三段汽化式（初馏+常压+减压,台湾桃园炼油厂减压蒸馏,3、石油常压蒸馏塔的工艺特征,（1）石油常压蒸馏塔是复合塔进料段下方是重油提馏段全塔=1、2、3、4简单塔的精馏段+1塔的提馏段，是不完全精馏塔,目的：提取侧线产品中的轻馏分,（2）石油常压蒸馏塔设汽提塔和汽提段,方法：从汽提塔底部吹入少量过热水蒸气,4、石油减压蒸馏塔的工艺特征,分类：（1）按生产用途分：,燃料型减压塔、润滑油型减压塔,（2）按是否采用水蒸气汽提分：,干式减压蒸馏、湿式减压蒸馏,减压蒸馏塔+抽真空设备,+,组成,真空条件下排水（提高落差：9米以上）减压塔的过热水蒸气用量大于常压塔,2.3石油蒸馏塔的回流及取热,1）石油蒸馏塔热量恒算式,恒算式中符号的含义：,G：进料量和各侧线产品量H：汽相焓值h:液相焓值S：汽提蒸气量m,n:任意选取的截面i:各侧线产品、汽提蒸气j:以汽相上升的油品,2.3.1石油蒸馏塔热量恒算,2）石油蒸馏塔全塔热量恒算式,2.3.2石油蒸馏塔塔内汽液相负荷,汽液相负荷：指汽相或液相在塔内的摩尔流量,1）液相负荷：主要指塔内的内回流的流量,讨论,结论：同一精馏段内，自下而上液相负荷（内回流量）递增,同一精馏段内液相变化,（1式）,侧线下方：侧线产品为汽相，其带出热量为：,抽出侧线上下方液相负荷变化,侧线上方的内回流热增量为：,侧线上方：侧线产品为液相，其带出热量为：,结论：侧线上方液相负荷增加，增加量为该侧线产品的抽出量,中段取热带走热量,中段取热（循环回流）上下方液相负荷变化,使1式增大,相应的内回流减少量为：,结论：中段取热上方液相负荷减少，其减少是从取热口到回流口逐渐减少,是塔顶的汽相焓值,塔顶液相负荷变化,是塔顶第一块板和第二板间的汽相焓值,是塔顶第一块板和第二板间的液相焓值,是塔顶的液相冷回流焓值,HD,HD-1,h0,hD,HD=,HD-1,h0,hD,2）塔内汽相负荷变化,下方入塔的全部汽提蒸气,上升的全部产品油气,内回流蒸气,特点：1、没有抽出段时，连续上升2、有抽出段时，下降，上升，变化不明显,3）石油蒸馏塔塔内汽液相负荷分布图,2.3.3中段循环回流取热方式,目的：1、回收高温位的热量，降低能耗2、调节塔内汽液相负荷，使汽液相负荷均匀，增加蒸馏塔的处理能力,取热位置：根据回流取热出口位置的不同来划分如（图2-28）,换热板：为保证循环取热回流入塔内的液体，在到达下一层塔板液体处的饱和温度，必须在循环回流的抽出口和返塔口之间设换热板,换热板的数量：2-3块即可,几种常压塔的回流方案,常用方式：塔顶冷回流,2.3.4塔顶循环回流取热方式,1、塔板数的选择2、汽提蒸汽量的选择汽提的目的：侧线产品汽提的目的塔底汽提的目的减压汽提的目的,2.4石油蒸馏过程主要工艺参数的选择,汽提蒸汽参数：400-450度，0.3-0.4MPa的过热蒸汽,2.4.1石油蒸馏塔的分馏精确度,1、二元物系和石油馏分间分馏精度概念区别二元物系：用塔顶产品中重组分的含量或塔底产品中轻组分的含量来表示石油馏分：用馏分的组成或蒸馏曲线的相互关系来表示,2、分馏精度分类及关系：分类：间隙和重叠关系：间隙值（正值）越大，分馏精度越高重叠值（负值）越小，分馏精度越差,4、分馏精度的影响因数1）组分间分离的难易程度2）回流比3）塔板数,3、分馏精度的表达方式恩氏蒸馏（595）间隙=,2.5.1主要参数的选择,2.5石油蒸馏塔的设计计算方法,1）经验塔板的选择,2）选定塔的操作压力,首先：确定塔顶产品罐的压力（大小受制于塔顶产品的泡点压力）其次：确定塔顶操作压力（塔顶产品罐的压力+管线、管件和冷凝设备的压降）最后：确定分馏塔各级压力降,3）选择汽提蒸气量,操作温度的求取是基于以下假设：汽化段和塔内任意塔板的汽液相处于相平衡状态操作温度的求取方法：热量恒算+相平衡计算+试差法,2.5.2主要操作温度及循环回流取热量的确定,1）进料段温度,1、确定进料段压力：进料段压力=塔顶压力+塔顶至进料段塔板数压力降2、求进料段的油气分压和汽化分率3、查P-E-T图，得进料温度4、由进料温度求得炉出口温度,进料段温度,2）塔底温度,3）侧线温度计算侧线温度时，从最低侧线算起，未知数最少计算侧线温度时，分析侧线抽出板上汽相的组成4）塔顶温度塔顶温度是产品在本身油气分压下的露点温度5）侧线汽提塔塔底温度,2.5.3板式塔和填料塔在石油精馏中的应用,板式塔的种类及特点：,在工业上最早（1813年）应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。,液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。,泡罩塔板（Bubble-capTray）,筛孔塔板（SieveTray）,筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。但由于早期对其性能认识不足，为易漏液、操作弹性小、难以稳定操作等问题所困，使用受到极大限制。1950年后开始对筛孔塔板进行较系统全面的研究，从理论和实践上较好地解决了有关筛板效率，流体力学性能以及塔板漏液等问题，获得了成熟的使用经验和设计方法，使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一。,浮阀塔板（ValveTray）,自1950年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广，至今仍为应用最广的一种塔板。结构：以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。有多种浮阀形式，但基本结构特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔，孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水平进入液层也强化了气液接触传质。优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。,F1型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻90，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。,喷射塔板（舌形）,一种斜喷射型塔板。结构简单，在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上张角以20左右为宜。,优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。,填料塔（PackedTower）,塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。,填料（Towerpacking）,填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：比表面积a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的a和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a越大，但气体流动的阻力也要增加。空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道，大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。=0.450.95。填料因子：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。,常用的填料（Typicaltowerpacking）,拉西环（Raschigring）填料,最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。,优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。,鲍尔环（Pallring）填料,在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。,同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。,阶梯环填料（Stairring）,阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。,这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,弧鞍形(Berlsaddle)矩鞍形(Intaloxsaddle)填料,一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料(马鞍填料)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道，,优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。,缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。,规整填料,规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。,优点：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。,填料塔的附属结构,主要包括：填料支承装置、液体分布及再分布装置、气体进口分布装置及出口除沫装置等。附属结构的选型、设计、安装是否正确合理，对填料塔的操作和传质分离效果都会有直接影响，应给予足够的重视。,填料支承板（Packingsupportplate）,液体分布器（Liquiddistributor）,作用：将液体均匀分布于填料层顶部。液体初始分布质量将直接影响到液体在整个填料层的分布，从而影响填料塔的分离效率和操作弹性，因此液体分布器是填料塔的一个极为重要的内部构件。,气体分布器（Gasdistributor）,超过3000塔可采用多排管式或升气管式气体分布器。还可以采用双效气体分布器，既提供良好的气体分布，又具有较高的传质效率。,除沫器（Demister）,当塔内气速较高，液沫夹带较严重时，在塔顶气体出口处需设置除沫装置。折板除沫器(AngleVane-typeDemisters)：阻力较小(50100Pa)，但只能除去50m以上的液滴。,填料塔的填料种类及特点,1）填料塔的优点：填料层的阻力降比板式塔的塔板阻力降低。2）填料塔的应用：主要用于减压蒸馏塔3）填料塔填料的类型：规整填料和乱堆填料。4）规整填料的特点：阻力降小、分离效果好。但价格昂贵。,乱堆填料的种类和结构：,种类包括：鲍尔环、马鞍型、阶梯环、金属矩鞍环等,马鞍型填料塔局部,马鞍型填料塔整体,乱堆填料的种类和结构：,阶梯环,鲍尔环,问题提出：如何分离相对挥发度=1的两液体混合物（共沸物）,第三章萃取精馏与恒沸精馏,解决的办法,增大理论板数、加大回流比，后果设备费和操作费增加,向两液体混合物中加入第三组分,增大相对挥发度,第三组分和相对挥发度小的组分从塔底排除，是萃取精馏,第三组分和相对挥发度大的组分从塔顶排除，是恒沸精馏,3.1萃取精馏,加入的第三组份沸点比原物系任何一个组份沸点高，蒸馏时和相对挥发度较低的组份一起从塔底排出。,以丁烯和丁二烯的分离为例：相对挥发度为1.03，板数：318，加入乙腈：相对挥发度1.79，板数：14.7,3.1.1萃取精馏的工艺流程,1、原料预处理2、产品的萃取（目的产品和萃取剂从塔底排出，共沸物的另外组分从塔顶排出）3、萃取剂和产品的分离（在解吸塔内用精馏方法完成解吸）4、萃取剂的回收（如将含一定量萃取剂的产品通入水洗塔，用水做吸收液回收萃取剂,3.1.2萃取剂的选择,萃取剂的选择原则：1、选择性好，加入少量萃取剂，能使溶液相对挥发度显著提高。,2、挥发性小、不易与原组分起化学反应，且萃取剂易于回收3、具有适宜的物性。如萃取剂恒定浓度保持在合适的值、满足萃取要求的条件下选择沸点低的萃取剂、萃取剂对被分离组分的溶解度要大，防止在塔板上产生分层现象、萃取剂的黏度，比热，比重等影响塔板效率和热量消耗的物性对经济指标影响较大。4、安全、无毒、无腐蚀、热稳定性好，价格便宜。,3.2恒沸精馏,加入的第三组分，与原来的一个（或两个）组分组成最低恒沸物，原有组分间的相对挥发度增大，使溶液能按一般精馏方法分离，加入的第三组分称为恒沸剂或夹带剂,3.2.1恒沸精馏的概念及流程,工业酒精恒沸精馏（用苯做恒沸剂）制取无水酒精、进料为乙醇-水的二元恒沸物,1、夹带剂所形成的恒沸物的沸点,与被分离组分的沸点有相当的差值.一般不小于10度.2、夹带剂用量要少、被分离组分在恒沸物中的含量要高。3、夹带剂要易于回收、无毒、无腐蚀、价格低廉。,3.2.2恒沸剂（夹带剂）的选择,3.2.3恒沸精馏和萃取精馏的比较,1、共同点：在组分中加入溶剂，改变液体混合物的相对挥发度，从而可用精馏的方法就能分离难分离混合物。,2、不同点：1）可供选择的恒沸剂数目不如可供选择的萃取剂数目多2）萃取剂的沸点比混合物其他组分的沸点都高，为最重组分，恒沸剂不受此限制3）由于恒沸剂由塔顶引出，耗能比萃取大4）恒沸精馏可连续操作也可间歇操作、萃取精馏只能连续操作5）萃取精馏的萃取剂回收容易、故流程简单，恒沸精馏的夹带剂回收困难，故流程复杂,1）吸收的定义,使混合气体与选择的某种液体相接触时,利用混合气体中各组分在该液体中溶解度的差异,有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液,其它未溶解的组分仍保留在气相中,以达到从混合气体中分离出某些组分的目的。,第四章多组分吸收及吸收蒸出塔,4.1概述,2）吸收的依据,利用混合气体中各组分在液体中溶解程度的差异,溶解程度大的被吸收,难溶的则被留下了例如在天然气、炼厂气和焦化气的加工中，用醇胺除去气体混合物中的co2、H2S,又如分离氨气空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨水在水中的溶解度最大，而空气几乎不溶于水。整个过程又可以用相平衡来理解,3）吸收的目的,在石化工业中，将气体混合物种的各组分加以分离，其目的是：有用组分的回收回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；如焦化厂，荒煤气中苯的回收原料气的净化除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理,如有害气体会使催化剂中毒，必须除去。如在合成氨水煤气中除去二氧化碳制备有用溶液如生产三酸：盐酸、硫酸、硝酸废气治理除去工业放空尾气中有害物,以免污染大气。如化肥厂的黄烟,3）石化工业吸收过程,吸收过程的要求：尽可能提供气、液两相有足够大的接触面积，尽可能使气、液两相接触充分，尽可能使气、液两相的传质推动力大（逆流）,满足要求必须解决的问题：1、选择合适的吸收剂；2、提供合适的气液传质设备；（吸收解吸塔）3、吸收剂的再生循环使用。,4）吸收流程,一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分。以石化行业中，炼焦煤气中苯的吸收流程为例：,含苯煤气,吸收塔,脱苯煤气,富含苯的洗油,换热器,解吸塔,过热水蒸气,苯浓度低的洗油,粗苯,水,目前石化工业上常用的吸收设备：板式塔、填料塔,5）吸收设备,按气、液两相在塔中的接触方式不同分为级式接触和微分接触两类,填料塔,6）吸收分类,1、按吸收剂所吸收组分数的多少分:单组分吸收、多组分吸收2、按气体与吸收剂是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收物理吸收：吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应，如上述洗油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。化学吸收：吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。如CO2在水中的溶解度甚低，但若用K2CO3水溶液吸收CO2，则在液相中发生下列反应：K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力，作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件：a.可逆性。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循环使用b.较高的反应数率。若反应速率较慢，应研究加入适当的催化剂以加快反应速率,3、按吸收工艺流程分为：,纯吸收工艺流程，其中又包含：单塔吸收工艺流程适用条件：所溶组分在吸收剂中溶解度大、溶解速度快、分离要求不高，工艺容许在惰性气体里含少量的易溶组分,多塔串联吸收工艺流程适用条件：所溶组分在吸收剂中溶解度大的易溶组分极少，易溶组分解速度慢流程1：混合气体中易溶组分多、吸收剂用量较大流程2：混合气体数量大，易溶组分含量少,多塔逆流串联吸收工艺流程（2）,多塔逆流串联吸收工艺流程（1）,吸收解吸工艺流程,是最常用的方法，通过该工艺，将气体混合物分离成惰性气体和易溶组分适用条件：惰性气体在吸收剂中溶解度很小,塔结构：吸收段+提馏段原理：吸收段吸收的易溶尾气，在提馏段和重沸器蒸上来温度较高的蒸气接触，使尾气里的易溶组分从吸收剂中蒸出。适用条件：尾气中的某些组分在吸收剂中也有一定的溶解度,吸收蒸出工艺流程,1、亨利定律：其中：是组分的分压：溶液中组分的摩尔分率E：亨利系数亨利系数随温度升高而升高、溶解度随温度升高而下降2、吸收塔塔板效率：,7）吸收过程计算,1、操作压力的影响有利方面：压力P增加，溶质的溶解度也增加，吸收效果好不利方面：压力P增加，原料气压缩机功率增加，塔和辅助设备投资费用增加2、操作温度的影响有利方面：操作温度低，气体溶解度增加吸收效果好不利方面：操作温度低，消耗于冷冻的动力增加，投资增加。3、液气比的影响有利方面：增大液气比，吸收剂用量增加，利于吸收。不利方面：增大液气比，回收吸收剂的量和费用也增加,8）吸收塔操作主要因数,吸收操作的成功与否在很大程度上决定于吸收剂的性质，特别是吸收剂与气体混合物之间的相平衡关系。根据物理化学中有关相平衡的知识可知，评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点：溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过程数率而言，溶质平衡分压，过程推动力大，传质数率快，所需设备尺寸小。溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。,9）吸收剂的选择,溶质在吸收剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。吸收剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。实际上很难找到一个理想得溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择得溶剂做全面得评价，以便作出经济、合理得选择。,吸收总费用设备(塔、换热器等)折旧费操作费(占比重大)操作费用主要包括：气、液两相流经吸收设备得能量消耗；溶剂得挥发度损失和变质损失；溶剂得再生费用，即解吸操作费用(在三者中占比例最大)。提高吸收操作经济性一种措施是对吸收系统进行优化设计(使系统的总费用最低)，单塔吸收优化设计较容易，吸收解吸系统优化设计较难，许多问题有待研究解决。,10）吸收操作的经济性,加热吸收液，减少溶质的溶解度（升温）减压闪蒸，使气相中被吸组分的分压相应降低，使解吸过程得以实现。（减压）通入惰性气体进行解吸（吹气）采用精馏的办法将溶质和吸收剂分离（精馏）常用得解吸方法有升温、吹气、减压，其中升温与吹气特别是升温与吹气同时使用最为常见。减压有利解吸，加压有利吸收，溶剂在吸收与解吸设备之间循环，其间得加热和冷却、泄压与加压必消耗较多得能量，故采用减压解吸不常见。,11）解吸方法,第五章天然气处理与加工,天然气的分类:,天然气是指:埋藏在地下、通过气井开采出来的烃类和少量非烃类混合气体的总称。,天然气的定义:,根据化学组成的不同：干性天然气（干气）、湿性天然气（湿气）、酸性天然气（含显著量的H2S,CO2)。根据储藏条件的不同（即天然气开采于油气田不同的层系）：气田的气井气通过气井开采出来的天然气。（如四川的气田）油田气在油藏中与原油呈相平衡接触的气体，随原油一起开采出来。（如大港油田原油中油田气含量较大）凝析气田天然气在油藏中以气态存在，采出后压力降低凝析出液态烃。埋藏深，1500米以下。,天然气的加工处理是指：对不同气质、不同非烃类杂质的天然气进行必要的加工处理，回收有用的组分，脱去有害杂质的过程。,天然气的加工处理:,天然气脱硫,天然气为什么要脱硫？危害人的生命：如果空气中硫化氢的浓度大于0.06%，人呼吸半小时就会致命，空气中二氧化硫浓度大于0.05%，短时间也会致命。腐蚀金属设备污染环境当天然气作为化工原料时，导致催化剂中毒二氧化碳含量过高，将增加热能消耗,目的：按不同的用途把天然气中的H2S、CO2和有机硫化物脱除到要求的规格。指标：对管输天然气，H2S的含量不大于20mg/m3.合成氨为原料的天然气，H2S的含量不大于1mg/m3,天然气脱硫的目的和指标,天然气脱硫的主要方法,天然气脱硫的主要方法有化学吸收法、物理吸收法和氧化还原法,化学吸收法：又叫化学溶剂法，以碱性溶剂为吸收溶剂，与天然气里的酸性组分反应生成某种化合物，吸收了