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1、第四章 精馏过程工艺设计,目 录,第二节设计方案,第一节概述,第三节精馏过程的模拟计算,第四节实际塔板数及塔高,第五节浮阀塔塔盘工艺设计,第六节辅助设备的选择,第七节 精馏过程设计实例,二、精馏塔设备的选择,一、精馏过程工艺设计的基本内容,第一节 概 述,在石油炼厂和化工厂的生产装置中，气液两相直接接触进行传质传热的工艺过程很多，例如精馏、吸收、解吸、萃取和气体增湿等 这些工艺过程大多数是在塔内完成的 因此，塔设备的性能对炼油、化工装置的生产能力、产品质量和消耗指标以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大影响,塔设备之所以被大量采用，是因为它能为气液两相进行传质传热提供适宜的条件 这些条件除维
2、持一定的塔内压力、温度，气液流量等外，特定的塔内件还从结构上保证了上升的气体与下降的液体有充分的接触时间、空间和接触表面积，从而达到较理想的传质传热效果,塔设备的核心内件是传质传热元件 现代塔的传质传热元件可分为塔板(或称塔盘)和填料两大类 目前，塔设备正在朝大型化的方向发展 已经有直径超过10m，塔板层数超过百块，高度达80m甚至更高的板式塔 直径15m、高度l00m甚至更高的填料塔均已投入使用，单台塔的重量可达数百吨,对塔设备的基本要求：首先必须获得高的传质传热效果 此外，还必须满足下列各项生产要求：(1)生产能力大，效率高，产品质量好 在较大的气液负荷下，不致于发生过量的雾沫夹带、拦液或
3、液泛等破坏正常操作的现象；(2)操作稳定、弹性大 气液负荷有较大的波动时，塔的操作仍能保持稳定和高的传质传热效率；,对塔设备的基本要求（续）：(3)流体流动的阻力小 流体通过塔内件的阻力降小以提高空塔速度，降低能耗 对负压操作，有利于维持系统真空度，进而提高产品的收率；(4)结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易；(5)耐腐蚀，开工周期长，且方便操作和检修,塔设备分类,按操作压力分,加压塔常压塔负压塔,按工艺过程分,精馏塔吸收塔解吸塔萃取塔反应塔干燥塔,气液接触界面形成方式分,固定相界面流动过程中形成相界面,按塔内传质传热元件的特点分,板式塔填料塔,（最常用）,塔内装有一定数量的塔盘气体以鼓泡
4、或喷射的形式穿过塔盘上的液层使气、液两相充分接触进行传质传热两相的组分浓度沿塔高呈阶梯变化,板式塔,填料塔,装有一定高度的填料层液体沿填料表面呈膜状向下流动作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质两相的组分浓度沿塔高呈连续变化,复合型塔,同一个塔中既有塔盘又有填料兼有两种塔的优点,精馏,吸收,精馏是分离流体混合物最常用的一种单元操作，该过程是同时进行传热、传质的过程。精馏操作的实质：塔底供热产生蒸汽回流，塔顶冷凝造成液体回流工艺设计的基本内容（一）确定精馏过程工艺流程方案（二）精馏塔工艺设计（三）辅助设备设计（四）管路设计及泵的选择（五）控制方案（六）设计结果,一、精馏过程工艺设计的基本内
5、容,浮阀塔工艺图,双溢流浮阀塔工艺图,精馏塔是精馏装置的主体核心设备，它的选择通常考虑以下几个方面的问题：1.生产能力大 2.效率高 3.流动阻力小 4.有一定操作弹性 5.结构简单 6.能满足物系某些工艺特性,二、精馏塔设备的选择,二、操作条件的选择,一、精馏过程工艺流程,第二节 设计方案,双组分精馏或仅采用单塔对多组分混合物进行初分的流程较为简单如果将三个或三个以上的混合完全分离，其流程是多方案的,一、精馏过程工艺流程,（一）分离序列的选择 对于双组分精馏采用一精馏塔，可分别从塔顶、塔底获得轻、重组分产品，显然分离序列是唯一的。当n个组分的混合物通过精馏塔获取n个产品，需要(n-1)个精馏
6、塔 通过不同的组分可得到 2(n-1)！/n！(n-1)！个分离序列,分离方案的选择一般可按以下步骤进行：,（动画）,Nadgir有序直观推断法的规则：规则1：所有条件相同，最好采用常规蒸馏 规则2：尽量避免真空蒸馏和冷冻 规则3：倾向于最少的产品种类 规则4：首先处理具有腐蚀性、毒性的组分 规则5：最后处理难分离或分离要求高的组分 规则6：进料中含量最多的组分最先分离出去 规则7：如果组分间的性质差异以及组分的组成变化范围不大，倾向于塔顶、塔底产品量为1：1分离,（二）能量的利用 精馏过程的节能采用分离序列综合的方法，通常可用以下策略（1）精馏操作参数的优化 减少回流比，降低能耗（2）精馏系
7、统的能量集成 回收塔内输出的多余能量，节省塔顶冷凝器的冷却水，将回收的能量用来预热过程需要加热的冷流体；回收低品位的热量或冷剂,什么叫回流比?回流比参数的选用原则？,（三）辅助设备 原料预热器、精馏塔再沸器及冷凝器、冷却器、各种罐设备及泵等（四）系统控制方案 控制主要参数，保证系统安全稳定操作 进入系统的原料流量、塔的回流量、系统中间管的液面、塔的操作压力与温度等,（一)操作压力 精馏操作可以在常压、加压或减压下进行 操作压力的大小应根据经济上的合理性和物料的性质来决定,二、操作条件的选择,操作压力的选择原则?,1、待分离物料性质：沸点高、物料具有热敏性，减压精馏；沸点适中，常压精馏；2、与方
8、案流程有关,（二）进料状态 影响因素：塔热流量、塔径、塔板数（三）加热剂和加热方法 加热剂：一般常用饱和水蒸气，温位要求高可另选加热剂或用某些工位符合要求的热物流 加热方法：间壁式换热器为主，允许时也可直接加热,二、操作条件的选择,什么叫泡点？,塔板上液体鼓泡发生点。含温度、气流量大小、压力等直接关系到塔板正常生产的参数范围,间壁式换热器的种类？,管式换热器、板式换热器、夹套式、翅片式、其它形式的换热器,（四）冷却剂 当塔顶蒸汽的露点较低，可适当提高塔的操作压力，降低操作费用 如果塔顶蒸汽温度较高，可用于作为其他冷物流提高温位的热源,回收系统热量，降低生产成本。（五）回流比 回流比控制在一个最
9、优值，常用1.22倍；目标是总体成本最小,什么叫回流比?回流比参数的选用原则？,回流比：塔顶回流量与其单位时间产出量的比例,选用原则：回流比小将增加塔板数回流比大有利于传质，但能耗增大因此必须对这两者进行优化，以确定一个最适宜的范围,一、精馏塔的分离计算关键：1、确定原料达到规定要求的理论级数、进料位置与热流量 2、定各线采出流量、组分、温度及压力 3、定气液相流量的分布计算方法：近似计算计算手段：尽可能采用计算机进行,第三节 精馏过程系统模拟计算,第三节 精馏过程系统模拟计算,（一）实际塔板数（二）总板效率的估算（三）塔高,第四节 实际塔板数及塔高,三、塔径设计,一、板式塔,第五节 浮阀塔塔
10、盘工艺设计,四、逆流装置的设计,五、塔盘及其布置,七、塔板流动性校核,二、塔板液流形式,六、浮阀数及排列,板式塔和填料塔设备一样，塔体多为钢板卷制的圆形筒体 塔体通常较高，由多节筒体焊接而成 塔内装有多层塔板 塔体上还要设置人孔或手孔、平台、扶梯、吊柱、保温圈等 整个塔体由裙座支撑。,一、板式塔,（动画）,板式塔如图塔体上设置人孔或手孔、平台、扶梯、吊柱、保温圈等，整个塔体由裙座支撑塔板是板式塔最主要的部件,板式塔主要尺寸的设计计算内容:包括 塔高、塔径的设计计算；液流型式的选择；溢流装置的设计计算；板面布置以及气相通道的设计计算等。板式塔设计计算的原始数据:包括 气液两相的体积流量 操作温度
11、和压力 流体的物性常数 以及实际塔板数等,目的：了解液相横向流过塔板时不致产生干吹与气相反混，以及较大的液面落差,避免产生倾向性漏液的可能性 及气相的不均匀分布所引起的板效率下降 常用精馏塔塔板结构如图,二、塔板液流形式,(1)单流型液体从受液盘溢出，横向流过整个塔盘进入降液管结构简单，液流行程长，有利于提高分离效率但塔径及流量过大时，易造成气液分布不均,(2)双流型 塔盘上的液流分成两部分，各流过半个塔盘，借此降低液面落差 结构比较复杂 通常当堰上液流强度60m3(hm)时，宜改为双流型,(3)回转流型液体进出口置于塔盘的同一侧，塔盘中间设有高于液层的隔板，控制液流，以增长行程宜在小塔径及低
12、液量时应用。,(4)径向流型液体从上层塔盘的中心降液管而来，由边缘降液管流下，在下一层塔盘上，再转为中心降液管降液，液体在各层塔盘上依次作离心或向心的径向流动塔盘上设有不同高度的两圈溢流堰，以减小每段行程长度，降低每段行程的液面落差它适用于大液量、大塔径的整块式塔盘，但结构很复杂。,(5)曲折流型 塔盘设有高于液层的隔板，在塔盘上形成曲折的行程这种塔盘一般采用槽型塔盘板，每段设有齿形堰它用于气量大液量小(约024m3h)的特殊情况,(6)其它流型当液量很大且双流型不能满足要求时，可采用四流型、阶梯流型，使塔盘板面呈阶梯状，分段处设置中间堰，借以缩短每段液流的行程长度，降低液面落差多流型和阶梯流
13、型塔盘的缺点是结构复杂,确定塔径原则：1.防止塔内气、液两相流动出现过量液沫夹带、液泛及漏液2.也可由阀孔通过的允许气量计算计算内容：、液泛气速计算、两相流动参数、气体流通截面积、塔径D,三、塔径设计,溢流装置包括降液管、溢流堰、受液盘等，其结构和尺寸对塔的性能有着重要的影响（一）降液管,四、溢流装置的设计,（二）溢流堰溢流堰又称出口堰 主要作用：维持塔板上有一定的液层并使液体能较均匀的横向流过塔板 主要尺寸：堰高hw和堰长lw如图示,溢流堰长度 作用：具有保持塔盘板上一定的液层高度和促使液流均匀分布常用的溢流堰长度范围：单流型：lw(0.60.8)D双流型；lw(0.6一0.7)D式中l w
14、一弓形降液管溢流堰长度，mD塔盘直径，m堰上液流强度Lim3(hm)按下式计算 式中：L 过堰的液体流量，m3h,溢流堰长度取值的影响：溢流堰过长则堰上液流强度低，由于塔盘构件的安装误差，液体越堰时分布不匀，从而使塔盘上的液流分布各异；堰长不够则堰上液流强度高，相应的堰上液流高度增大，影响塔盘操作稳定性，也不利于液流中的气分离因此，堰上液流强度Li最好60m3(hm)相应的堰上液流高度how约为44mm,液泛淹塔或液沫夹带淹塔,堰长不够可能存在的问题？,堰过长可能产生的不利结果？,干吹或气相反混,注意：堰上液流强度Li 国外一般控制在50135 m3(hm)以内为了不使堰上液流强度超限，可采用
15、适当的液流型式或设置辅堰液流强度大于100130 m3(hm)的大塔，可采用多流型塔盘,溢流堰的高度hw 塔盘上清液层的高度hL直接影响气液接触时间和塔板压力降应根据物系性质、液相流量及塔型而定 hL hwhOW hOW 是堰上的液流高度 hL通常是由塔盘上气液接触元件的结构类型与塔的操作压力来确定的，再根据堰上液流高度算得溢流堰的高度,最常用的溢流堰是平堰在低的液流量时用齿形堰在用圆管作降液管的小塔时，有时将伸出塔盘板的溢流管上端用作溢流周边平堰液流高度计算 how=0.00284E(L/lw)2/3 式中液流收缩系数，一般取齿形堰 齿形堰的齿深（hn）般在16以下 当液流未超过齿顶时为ho
16、w=1.17(-Lhn/lw)2/5 液流浸没齿顶时，液体流量Ls为Ls=0.735lw/hnhow5/2-(how-hn)5/2),圆形溢流管如不设堰，液体直接从管周边流入管内，计算how how=0.14(L/d)0.704 式中L液体流量，m3hd圆管内径，上式的适用条件：how2d为避免降液管口发生液阻，how应小于圆管内径的15此种型式多适用于小型塔盘,（三）受液盘和底隙 塔板上接受降液管流下液体的那部分区域称为受液盘，如图5-13所示 受液盘有平行和凹形两种形式 底隙：降液管下端与受液盘之间的距离称为底隙，以hd表示 通常取为3040左右 且应使它小于溢流堰高hw。,塔板有整块和分
17、块式两种整块式塔板：塔径较小可采用整块式塔板分块式塔板：由几块板拼合而成的 塔径较大时，整块式的刚性较差，安装检修不便，故多采用分块式塔板 塔板厚度的选取：除经济性外，主要考虑塔板的刚性和耐腐蚀性。,五、塔盘及其布置,布置方式,浮阀的形式有F1型、V-4型、十字架型、A型、V-O型等，如下图所示。目前应用最广泛的是F1型，其工作原理如图,六、浮阀数及排列,某F1型浮阀的具体尺寸与结构如下图,阀孔的排列一般有:顺排、错排、等腰三角形排列 如下图,试确定图示浮阀的排列形式？,浮阀排列方式,（一）塔板流动性能的校核 1.液沫夹带量校核 液沫夹带量是引起塔板效率降低和影响正常操作的一个重要因素。可用单
18、位 质量气体夹带的液体质量（mol）ev(kg液体/kg气体）或（kmol液体/kmol气体）来表示。,七、塔板流动性能校核,一般要求：气体夹带的液体质量ev0.1 泛点率F1应为：直径小于0.9m的塔 F1 一般的大塔 F1 负压操作的塔 F1,2.塔板阻力的计算和校核 塔板阻力以相当的清液层高度hL表示。,塔板阻力的计算采用加和模型 可表示为由以下几部分阻力之和组成：h0 通过阀孔的阻力,又称干板阻力，单位（m液柱）；h1 通过塔板上液层的阻力单位（m液柱）；克服阀孔处液体表面张力的阻力,（m液柱）；,液体流过降液管的各参数机械能恒算关系如下图所示：,下述内容请复习化工原理 3、降液管液泛的校核 4、液体在降液管中停留时间的校核 5、严重漏液的校核（二）塔板的负荷性能图,精馏装置的辅助设备包括冷凝器、再沸器、进料预热器、产品冷却器、原料罐、回流罐及产品罐。具体如下图：,第六节 辅助设备的选择,设计步骤：一、设计任务及条件 二、分离工艺流程 三、过程系统模拟计算 四、循环苯精馏塔工艺设计 五、辅助设备设计 六、管路设计及泵的选择 七、控制方案 八、设备一览表,第七节 精馏过程系统设计实例,
