8平衡级分离过程及设计特点

第七讲平衡级分离过程及设计特点平衡级分离过程平衡级分离过程针对以热力学相平衡为分离依据的分离过程，主要涉及：蒸馏；萃取；吸收过程；外界提供的分离剂形式：ESA和/或MSA平衡级分离过程以热力学相平衡为分离依据的分离过程，主要需要外界提供ESA，主要是热量，例如精馏。以热力学溶解平衡为分离依据的分离过程主要需要外界提供MSA，主要是溶剂，例如吸收和萃取。平衡级分离过程以热力学相平衡为依据、但依据不显著的过程，例如近沸体系，常常需要通过MSA来强化，例如萃取蒸馏，恒沸蒸馏等等。通过加热MSA，改变体系的分子间作用力，改善体系的挥发性能，最终使得体系的分离效果得到强化。注意：所加入的MSA要求一定与体系液相互溶、并且挥发度尽可能低。平衡级分离过程众所周知，体系达到相平衡所需要的时间是无穷大。工程应用中，理论上需要体系的气液接触时间为无穷大，即要求在设备内部的停留时间无穷大，因而实现这种过程要求的设备规模无穷大，显然是不现实的。为了达到工程的要求，分离设备只能提供有限的停留时间，最终在工程设备中，平衡级分离过程的实现是不能达到相平衡的。平衡级分离过程按照所讲述的：“带回流的多级闪蒸由于回流造成了返混、降低了传质推动力，造成了最终产物浓度的降低，但工程中总是可以容易地通过增加级数，提高最终产物的浓度。”平衡级分离过程对于平衡级的工业实施也可以借鉴该思想。即：不要求一个平衡级分离过程完全达到相平衡，所造成的最终产物间浓度的降低可以通过增加级数得到补偿！因此工艺工程中的平衡级操作完全没有达到相平衡，即实际级！平衡级分离过程体系达到相平衡所需的时间大小取决于体系的分子扩散速率：小分子体系达到平衡的时间相对较短，而大分子体系达到相平衡的时间相对较长，因此小分子体系的塔板效率较高。因此在一个实际级上，如果停留时间相同，最终的传质效果随体系而不同！平衡级分离过程的设计特点规定压力（容易）规定第一级的压力和塔内件压降两方面。蒸馏：冷凝器压力的规定要视体系而定，确保体系操作处于混相区！操作压力越靠近常压越好，但要考虑环境温度的影响！夏天考虑的塔顶冷凝器的操作温度应在38~40℃以上！冬天考虑的塔顶冷凝器的操作温度应在25~30℃以上!具体选择应当考虑地域条件！平衡级分离过程的设计特点规定压力（容易）规定第一级的压力和塔内件压降两方面。吸收：压力越高越有利于吸收，但压缩机（若采用）的能耗会大幅度增加！解吸：压力越低越有利！但受到大气压力的限制和产品压力级别的要求限制。萃取：萃取操作的压力必须高于混相区形成压力。温度越高萃取效果越好，但混相区形成压力越高！总之，压力的规定受到体系的限制和制约，甚至工艺要求的限制。平衡级分离过程的设计特点塔内件的压降蒸馏/吸收/解吸：板式塔：减压蒸馏：2.0~2.5mmHg/实际板常、加压蒸馏：4.0~6.0mmHg/实际板注意：每理论板的压降应当为实际塔板的压降/塔板效率！填料塔：板式塔的5~10分之一。 平衡级分离过程的设计特点操作压力对塔内气液负荷的影响平衡级分离过程的设计特点由图可以看出，在常压和加压状态下，操作压力规定偏差对气相负荷变化的影响完全可以忽略。而在减压操作时，这种影响随着压力的降低变得十分显著。平衡级分离过程的设计特点对于原油减压塔的设计而言，当塔顶压力规定后，工艺设计中需要规定各板的压降，从而推算出气化段的压力，进行减压平衡气化计算。若规定或估计的气化段压力较实际操作值低，则减压塔的拔出率将低于设计值，具体的估计值与实际操作值之偏差取决于气化段到塔顶塔内件（塔板或填料）的设计。而塔内件的设计的结果主要依据基于各级压力规定下计算出的气液体积负荷。平衡级分离过程的设计特点对于工程设计而言，总是取各种参数的保守估计，一般而言压力规定值较高，这也是产品收率的一个非常重要的保证。但是塔内实际操作的压力低于规定值意味着实际操作的气相负荷较设计值高，而塔内件的设计是在“较低”气相负荷条件下进行的，因此雾沫夹带在原油减压塔中普遍存在，这就是为何减一线胶质含量高、减二线以下侧线重叠严重、馏分范围宽的一个重要原因。平衡级分离过程的设计特点Koch公司曾对采用网孔塔板的某润滑油原油减压塔进行了

－射线扫描检测，发现减二线以下存在着十分严重的雾沫夹带，并且在减四线以下接近喷射液泛操作，从而解释了为何减五线色度极重和减二线~减四线之间馏分重叠严重的问题。而应用设计计算核算却发现，在减二线~减四线之间的雾沫夹带在5％以下，减五线附近的雾沫夹带小于7％，完全符合我国塔器设计的准则。平衡级分离过程的设计特点原油减压塔的严格计算需要开展工艺设备并行模拟计算，即工艺计算同时考虑设备因素的影响，即板压降、雾沫夹带和泄漏，但需要编程。平衡级分离过程的设计特点按常规方法进行常规设计计算，包括工艺计算和设备设计；应用常规设计后得出的塔内各级气液摩尔流率或质量流率和理想气体状态方程计算出的气相密度，带入塔内件压降方程，计算各级塔内件的压降。应用计算的压降值替代压力规定值重新进行设计计算，调整设计结果。一般情况该调整结果就可以满足设计精度。平衡级分离过程的设计特点塔板效率塔板效率是连接工艺变量和设备变量的桥梁！一直是化学工程最重要、但至今未能达到满意结果的研究领域，主要有以下影响因素难以描述：体系性质的影响；操作因素的影响；设备结构性质的影响；工艺特性的影响；安装计量性质的影响；塔板效率的估计完全取决于经验。平衡级分离设备设计平衡级分离设备的设计特征可以按照传质速率方程来说明：平衡级分离设备的设计过程平衡级分离过程的设计特点传质效率的确定（极为困难）HETP的确定（向专利商索取）规整填料：3理论级/m填料；乱堆填料：2/m填料塔板效率的确定尽管目前级效率不能准确可靠的预测，但工业塔设备的设计必须知道级效率来折算实际塔板数和填料床层高度，估计的级效率较实际值高，则设计的塔板数少而达不到分离要求；估计的级效率低，则设计的塔板数较多而造成设备投资过高，如何可靠估计工业塔设备的设计效率是十分重要的。平衡级分离过程的设计特点传质效率的确定（极为困难）塔板效率的确定设计者获得级效率（板效率或HETP）最可靠的方法是向专利商索取。当选用无专利的塔内件时，需要进行效率估计。估计塔板效率最常用的方法是依据O’Connel关联。但O’Connel关联太简单，并且级效率仅与物性相关而与塔设备的结构因素无关。工业塔设备设计选用的级效率的估计是一个具体问题具体分析的过程。平衡级分离过程的设计特点工业精馏塔建议的效率范围类别效率建议的范围说明初馏塔，常压塔60％~80％进料波动较大，体系较轻减压塔40％~60％组分较重，液相负荷小水蒸气气提塔30％~50％气提效率低，气相负荷小常压再沸气提塔60％~70％再沸器增加一