精餾塔基本知識(shí)

精餾塔基本知識(shí)第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日蒸餾

使多組分混合物原料發(fā)生部分汽化或部分冷凝的相變，氣相內(nèi)濃集了原料中的易揮發(fā)組分，而液相內(nèi)濃集了原料中的難揮發(fā)組分，使原料按揮發(fā)度不同實(shí)施一定程度的分離，這一工藝稱蒸餾。蒸餾是礦場(chǎng)實(shí)施油氣初加工的一種主要工藝，油氣分離、原油穩(wěn)定、天然氣凝液回收、凝液分餾等都是按蒸餾原理實(shí)施的油氣加工過(guò)程。蒸餾共有三種方式：閃蒸、簡(jiǎn)單蒸餾和精餾。第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日精餾精餾是使液體混合物依據(jù)各組分揮發(fā)度不同、而達(dá)到較完善分離、產(chǎn)品收率較高的一種蒸餾操作。精餾原理精餾過(guò)程實(shí)質(zhì)上是多次平衡汽化和冷凝的過(guò)程。第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日如此重復(fù)m次，只要m足夠大，就可得到輕組分濃度極小、重組分濃度極高的液體，但數(shù)量很少。如此重復(fù)n次，最后可得到輕組分濃度很高的氣體，但數(shù)量極少。這種多級(jí)部分汽化和部分冷凝的極限情況即為微分汽化和微分冷凝，它們能夠得到很純的輕重組分，但數(shù)量或收率很低。第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日沒(méi)有利用組分濃度不高的中間產(chǎn)物，如y1’和xn，是收率低的根本原因。為此，可將與原料濃度z相近的y1’蒸氣和液體xn回流至罐F，設(shè)計(jì)出如圖所示的流程。所示的流程即為精餾過(guò)程，它可使混合物得到有效分離，既可保證高的產(chǎn)品純度，又能達(dá)到較高的收率。第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日流程中，每個(gè)容器都是氣液平衡的接觸級(jí)，每一級(jí)都有氣液兩股進(jìn)料。液相回流的輕組分濃度應(yīng)高于該級(jí)條件下的平衡液相濃度；而氣相進(jìn)料的輕組分濃度應(yīng)低于該條件下的平衡氣相濃度.進(jìn)入每一級(jí)的氣液相濃度是不平衡的，液相濃度比平衡濃度高，氣相濃度比平衡濃度低，這就產(chǎn)生了傳質(zhì)推動(dòng)力，使氣液兩相接觸時(shí)液相中的輕組分蒸發(fā)，氣相中的重組分冷凝，氣液相趨近于相平衡。因此，相間的濃度差別是精餾的重要前提。第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日從下向上，每一接觸級(jí)的溫度逐步遞減，形成溫度梯度。最頂上接觸級(jí)的溫度最低，這樣才能獲得高濃度輕組分；最低下接觸級(jí)的溫度最高，才能獲得高濃度重組分。因而，合理的溫度梯度是精餾的另一重要前提。為了創(chuàng)造這兩個(gè)重要前提，頂部冷凝器和底部重沸器所造成的回流是必不可少的。頂部產(chǎn)品冷凝器為精餾過(guò)程提供了輕組分濃度很高、而溫度很低的頂部液相回流。液相回流會(huì)在各個(gè)接觸級(jí)上產(chǎn)生輕組分濃度較平衡濃度高、溫度較平衡溫度低的液相回流。底部的重沸器則提供溫度很高、重組分濃度很高的氣相回流。氣相回流由下向上，在各個(gè)接觸級(jí)上產(chǎn)生溫度高于平衡溫度，其重組分濃度也高于平衡濃度的氣相回流。在頂部液相回流和底部氣相回流的共同作用下，各接觸級(jí)才具備相間濃度差別和溫度梯度，使精餾過(guò)程持續(xù)順利地進(jìn)行。第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日底部氣相回流攜入系統(tǒng)的能量，通過(guò)各接觸級(jí)，在傳質(zhì)的同時(shí)發(fā)生傳熱，逐級(jí)由下而上傳遞，最后由頂部冷凝器吸收，這是精餾過(guò)程特殊的傳熱方式。熱量由下向上的傳遞中，也做一部分有用功，將輕重組分分離。第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日3精餾塔構(gòu)成各接觸級(jí)疊加在一個(gè)單一設(shè)備內(nèi)，該設(shè)備即為精餾塔。在塔中，氣體由下而上、液體由上而下逆向流動(dòng)，在每一個(gè)由塔板或填料構(gòu)成的接觸級(jí)上密切接觸，進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。原料一般從塔的中部進(jìn)入塔內(nèi)。塔頂引出的氣相餾出物是高純度的輕質(zhì)產(chǎn)品，塔底流出的是高純度的重質(zhì)產(chǎn)品。塔頂由冷凝器提供液相回流，塔底由重沸器（再沸器）提供氣相回流。完整的精餾塔由精餾段、提餾段和進(jìn)料段（或進(jìn)料板）三部分構(gòu)成。第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日1平衡接觸級(jí)、理論塔板和總板效率接觸級(jí)為氣液相物流進(jìn)行密切接觸、傳質(zhì)的設(shè)施，即塔板和填料。若一層塔板的分離能力能達(dá)到平衡接觸級(jí)的分離能力，就稱為理論塔板。相當(dāng)于一層理論塔板分離能力的填料層高度稱等板高度（HETP）。理論塔板是虛構(gòu)的。氣液兩相在塔板上愈接近平衡狀態(tài)，組分濃度差別愈小，傳質(zhì)推動(dòng)力愈小，傳質(zhì)速度愈慢，氣液兩相在真實(shí)塔板上的接觸時(shí)間有限，而且氣體中還夾帶液沫等原因，使真實(shí)塔板一般都達(dá)不到理論塔板的分離效果，因而真實(shí)塔板數(shù)總多于理論塔板數(shù)。把理論塔板數(shù)與真實(shí)塔板數(shù)之比稱為全塔板（平均）效率，或總板效率。第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日2.精餾段和液相回流進(jìn)料板以上至塔頂為精餾段。原料在進(jìn)料段部分汽化產(chǎn)生的蒸氣，自下而上逐級(jí)流過(guò)精餾段的接觸級(jí)，進(jìn)入塔的頂部。塔頂液相回流自上而下逐級(jí)流過(guò)接觸級(jí)，流向進(jìn)料板，在每個(gè)接觸級(jí)上液體與上升的蒸氣逆向接觸。一個(gè)接觸級(jí)不能得到純度很高的塔頂輕質(zhì)產(chǎn)品，精餾段內(nèi)需設(shè)若干個(gè)接觸級(jí)。一般，輕質(zhì)產(chǎn)品的純度要求愈高、輕重組分的分離難度愈大，所需的接觸級(jí)數(shù)愈多。每個(gè)接觸級(jí)相當(dāng)于一塊理論板，在理論板上氣液兩相達(dá)到相平衡狀態(tài)。真實(shí)塔板不可能使氣液達(dá)到完善的相平衡狀態(tài)，因而精餾塔的實(shí)際塔板數(shù)總多于理論塔板數(shù)，或接觸級(jí)數(shù)。第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日液相回流是精餾操作的必要條件。如果沒(méi)有液相回流，氣流就會(huì)穿過(guò)精餾段直達(dá)塔頂，氣相得不到任何提濃作用。塔頂回流量L0常為塔頂產(chǎn)品量的幾倍、甚至數(shù)十倍。L0與D的比值稱回流比R。第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日3.提餾段和氣相回流精餾塔進(jìn)料板下方直至塔底為提餾段。進(jìn)料板上分出的液體和由精餾段下流的液體匯合，進(jìn)入提餾段。在提餾段的每一接觸級(jí)上發(fā)生的氣液傳熱、傳質(zhì)過(guò)程與精餾段接觸級(jí)完全相同。液體每經(jīng)過(guò)一個(gè)接觸級(jí)，液體內(nèi)重組分濃度得到一次提升，流至塔底得到濃度較純的重組分產(chǎn)品。每經(jīng)過(guò)一個(gè)接觸級(jí)，氣相內(nèi)輕組分濃度得到一次提升，流至提餾段頂端其輕組分濃度趨近于進(jìn)料板上輕組分的濃度yF第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日塔底產(chǎn)品經(jīng)重沸器加熱后，所產(chǎn)生的蒸氣返回塔底、產(chǎn)生氣相回流是提餾段工作的必要條件。若無(wú)氣相回流，液體僅流經(jīng)各層接觸級(jí)，液體內(nèi)的重組分濃度也得不到提濃。假如塔底產(chǎn)品內(nèi)含有較多的輕組分，將使塔頂輕組分產(chǎn)品的收率下降。類似地，精餾塔塔頂產(chǎn)品不純也將影響塔底產(chǎn)品的收率。由上可得出結(jié)論，若要求進(jìn)塔原料同時(shí)獲得純度較高的輕、重產(chǎn)品，精餾塔必須有精餾段和提餾段，這種塔稱為完整精餾塔。若只要求生產(chǎn)高純度、低沸點(diǎn)產(chǎn)品，為減少塔的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，可只設(shè)精餾段，原料由塔底附近進(jìn)塔。若只要求生產(chǎn)高純度、高沸點(diǎn)產(chǎn)品，可只設(shè)提餾段，原料由塔頂附近進(jìn)塔。這類塔稱為不完整塔或半截塔。第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日最后應(yīng)說(shuō)明，精餾塔只是一種傳質(zhì)的通用設(shè)備。用于原料輕重組分分離者，也稱分餾塔。用于吸收天然氣內(nèi)的水蒸氣，使氣體干燥者，稱吸收塔。用于使甘醇溶液提濃，使溶液更有效地吸收天然氣內(nèi)的水蒸氣，這種塔稱再生塔。第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日4進(jìn)料熱狀態(tài)塔的進(jìn)料通常用汽化率e表示其熱狀態(tài)，共有以下幾種進(jìn)料情況。過(guò)冷液體進(jìn)料e<0飽和液相進(jìn)料

e=0部分汽化進(jìn)料0<e<1飽和氣相進(jìn)料e=1過(guò)熱蒸氣進(jìn)料e>1第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)已知原料和要求的產(chǎn)品組成時(shí)，進(jìn)料熱狀態(tài)對(duì)所需的接觸級(jí)數(shù)量影響不大，但對(duì)進(jìn)料位置有明顯影響。進(jìn)料汽化率e愈高，則氣相中輕組分濃度愈低，進(jìn)料位置應(yīng)愈低，使精餾段有較多接觸級(jí)，提餾段接觸級(jí)的數(shù)量相應(yīng)減少。進(jìn)料汽化率e愈高，所需塔頂回流比增加，會(huì)增大塔徑并增大塔頂冷凝器的負(fù)荷。若保持回流比不變，進(jìn)料汽化率e愈高，帶入塔內(nèi)的熱量愈多，可減少塔底重沸器的負(fù)荷和提餾段的塔徑。第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)只有精餾段的不完整塔，在塔底附近進(jìn)料。為防止原料直接從塔底流出，一般在飽和或過(guò)熱蒸氣狀態(tài)進(jìn)料。類似地，對(duì)只有提餾段的不完整塔，在塔頂附近進(jìn)料，原料一般應(yīng)處于飽和或過(guò)冷狀態(tài)，以防原料蒸氣直接從塔頂流出。第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日回流比和理論塔板數(shù)回流比R有若干種定義方法，較常用的定義為：塔頂回流量L與塔頂產(chǎn)品量D之比（以mol/h計(jì)）?；亓鞅葴p小，理論塔板數(shù)增加。理論塔板數(shù)趨于無(wú)窮大時(shí)的回流比稱最小回流比塔頂餾出物全部冷凝后回流，稱全回流,對(duì)應(yīng)的理論塔板數(shù)為最小塔板數(shù)分餾塔的回流比應(yīng)在兩者之間。在某些特定情況下，可能需要使用全回流，如塔的啟動(dòng)；塔的產(chǎn)品達(dá)不到純度要求，進(jìn)行一段時(shí)間全回流，使塔迅速恢復(fù)正常工況；試驗(yàn)中測(cè)定各層塔板分離效率等。第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日回流比的大小影響設(shè)備和操作費(fèi)用，是建設(shè)費(fèi)和能量費(fèi)用尋優(yōu)問(wèn)題設(shè)計(jì)中回流比選得很小時(shí)，塔板數(shù)和設(shè)備費(fèi)增加；選用較高回流比時(shí)，塔板數(shù)減少，但塔內(nèi)氣液負(fù)荷增加，塔徑增大，因而設(shè)備費(fèi)隨回流比的增加先減小而后增加?；亓鞅群苄r(shí)，操作費(fèi)用（包括重沸器熱負(fù)荷、冷卻介質(zhì)用量和回流泵能耗等）很低，隨回流比增加，操作費(fèi)用持續(xù)上升?？傎M(fèi)用應(yīng)為設(shè)備和操作費(fèi)用之和，最低總費(fèi)用所對(duì)應(yīng)的回流比為最佳回流比。最佳回流比Ro常為最小回流比Rmin的1.2~1.3倍，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)Ro為Rmin的1.2~2.0倍。第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日4塔結(jié)構(gòu)按塔內(nèi)部提供的兩種物料的傳質(zhì)接觸方式不同，塔可分為兩大類，即：板式塔和填料塔。板式塔塔內(nèi)設(shè)有若干層塔板，按塔板類型，板式塔分為泡罩塔、篩板塔和浮閥塔三種。篩板塔的塔板上鉆有許多以一定排列方式布置的小孔，稱篩孔，直徑約3~8mm，板厚為孔徑的0.4~0.8倍。第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日a－泡罩塔；b－泡罩浮閥第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日填料塔填料塔的填料大致分為三類，即：隨機(jī)堆放填料（Randompacking），規(guī)整填料(Structuredpacking)和隔柵式填料(Grids)a－拉西環(huán)；b－鮑爾環(huán)；c－伯氏弧鞍形填料；d－英塔洛克斯槽鞍形填料e－隔柵式填料第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日a－絲網(wǎng)式；b－壓延板式第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日3.板式塔與填料塔的比較填料塔具有的優(yōu)點(diǎn)為：（1）液體負(fù)荷高在一定的塔徑下，填料塔在處理液氣比較高的組分分餾時(shí)，有較大的處理能力。對(duì)低液氣比組分分餾時(shí)，填料塔的優(yōu)勢(shì)不明顯；（2）耐腐性對(duì)腐蝕介質(zhì)，可使用塑料或陶瓷填料，而板式塔需用價(jià)格昂貴的合金材料制造。（3）壓降小每塊理論塔板（離開(kāi)塔板的氣液相完全達(dá)到平衡狀態(tài)，這種塔板為理論塔板）等板高度的填料壓降小于板式塔。第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日填料塔的缺點(diǎn)為：（1）操作彈性小如用流量調(diào)節(jié)比（最大流量和最小流量之比）表示塔的操作彈性，則填料塔的操作彈性僅為2，而板式塔可達(dá)6.5~10，因而填料塔對(duì)原料供應(yīng)的穩(wěn)定性有較高要求。（2）沿塔截面液體容易產(chǎn)生分配不勻現(xiàn)象在填料層上方的液體分配器是關(guān)鍵設(shè)備，若發(fā)生液體分配不均、產(chǎn)生溝流，將嚴(yán)重影響塔效。（3）容易堵塞填料塔對(duì)原料內(nèi)的雜質(zhì)十分敏感，故不用于原油穩(wěn)定處理。（4）不易檢查不拆除塔內(nèi)大部分構(gòu)件，很難檢查填料的情況。（5）較難預(yù)測(cè)理論塔板的等效填料高度各種填料的等板高度不確切性較高，而且變化也很大，常需參考已投產(chǎn)的類似裝置或直接由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。第三十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日提餾塔進(jìn)料提餾塔，是NGL常用的穩(wěn)定塔器，可以是泡罩塔、篩板塔或填料塔，近代使用規(guī)整填料塔較多。天然氣凝液經(jīng)冷卻后，由塔頂部進(jìn)入塔的頂層塔板上，穩(wěn)定后的NGL由塔底排向儲(chǔ)罐，部分塔底NGL循環(huán)進(jìn)入重沸器加熱后，作為塔底回流。第三十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日塔的進(jìn)料溫度愈低，在頂層塔板上閃蒸出的氣量愈少，在塔底液體內(nèi)含有較多的輕組分，有時(shí)達(dá)不到塔底產(chǎn)品要求的蒸氣壓。此時(shí)，重沸器需要提供更多的熱量，塔底液體內(nèi)輕組分愈多重沸器負(fù)荷愈大。穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度太高，在頂層塔板上會(huì)有輕組分和大量中間組分進(jìn)入氣相從塔頂排出，雖然重沸器的熱負(fù)荷降低，但損失了凝液的數(shù)量和質(zhì)量。因而，天然氣凝液進(jìn)塔前所需的冷負(fù)荷和重沸器所需的熱負(fù)荷有緊密的聯(lián)系，應(yīng)做出折衷選擇。第三十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日分餾塔凝液與塔底產(chǎn)品換熱后由塔的中部進(jìn)塔，進(jìn)料溫度與進(jìn)塔處的塔溫基本相等，使原料進(jìn)塔時(shí)的閃蒸量很小。塔頂氣冷卻后，使中間組分在回流罐內(nèi)冷凝、分離、冷凝液用泵送回塔內(nèi)，并分布至頂層塔板上。回流冷液體促使氣流中的中間組分凝析，使塔頂氣