精餾塔的概論

許長江

1.精餾塔的分類及原理

精餾塔種是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。精餾的基本原理是將液體混合物部分氣化，利用其中各組份揮發(fā)度不同的特性，實(shí)現(xiàn)分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。本節(jié)以兩組分的混合物系為研究對象，在分析簡單蒸餾的基礎(chǔ)上，通過比較和引申，講解精餾的操作原理及其實(shí)現(xiàn)的方法，從而理解和掌握精餾與簡單蒸餾的區(qū)別（包括：原理、操作、結(jié)果等方面）。精餾塔分為篩板塔和填料塔兩大類。填料塔又分為散堆填料和規(guī)整填料兩種。篩板塔雖然結(jié)構(gòu)較簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，宜于放大，在空分設(shè)備中被廣泛采用。但是，隨著氣液傳熱、傳質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，對高效規(guī)整填料的研究，一些效率高、壓降小、持液量小的規(guī)整填料的開發(fā)，在近十多年內(nèi)，有逐步替代篩板塔的趨勢。規(guī)整填料由厚約0.22mm的金屬波紋板組成，一塊塊排列起來的金屬波紋板，低溫液體在每一片填料表面上都形成一層液膜，與上升的蒸氣相接觸，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。規(guī)整填料的金屬比表面積約是填料為篩板的30倍，液氧持留量僅為篩板的35%～40%。而且，因?yàn)榫s塔截面積比篩板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向濃度梯度的問題，只要液體分布均勻，精餾效率較高，壓力降較小，氣體穿過填料液膜的壓差比穿過篩板液層的壓差要小得多，約只有50Pa。上塔底部壓力的下降，必然可導(dǎo)致下塔壓力降低，進(jìn)而主空壓機(jī)的出口壓力相應(yīng)降低，使整套空分的能耗降低。同時，規(guī)整填料液體的滯留量小，因此，對負(fù)荷變化的應(yīng)變能力較強(qiáng)。

2.塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位

塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的的設(shè)備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。可在塔設(shè)備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。

在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個方面，都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報道，塔設(shè)備的投資費(fèi)用占整個工藝設(shè)備投資費(fèi)用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。因此，塔設(shè)備的設(shè)計和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。

3.塔設(shè)備的一般構(gòu)造

在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過塔盤上的液層使兩相密切接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。在填料塔中，塔內(nèi)裝填一定段數(shù)和一定高度的填料層，液體沿填料表面呈膜狀向下流動，作為連續(xù)相的氣體自下而上流動，與液體逆流傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。

人們又按板式塔的塔盤結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料，細(xì)分為多種塔型。裝有機(jī)械運(yùn)動構(gòu)件的塔，也就是有補(bǔ)充能量的塔，常被用來進(jìn)行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動塔和轉(zhuǎn)盤塔用得較多。塔設(shè)備的構(gòu)件，除了種類繁多的各種內(nèi)件外，其余構(gòu)件則是大致相同的。

3.1塔體

塔體是塔設(shè)備的外殼。常見的塔體是由等直徑、等壁厚的圓筒和作為頭蓋和低蓋的橢圓形封頭所組成。隨著化工裝置的大型化，漸有采用不等直徑、不等壁厚的塔體。塔體除滿足工藝條件（如溫度、壓力、塔徑和塔高等）下的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)考慮風(fēng)力、地震、偏心載荷所引起的強(qiáng)度、剛度問題，以及吊裝、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、開停工等的影響。對于板式塔來說，塔體的不垂直度和彎曲度，將直接影響塔盤的水平度（這指標(biāo)對板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸和吊裝等各個環(huán)節(jié)中，都應(yīng)嚴(yán)格保證達(dá)到有關(guān)要求，不使其超差。

3.2塔體支座

塔體支座是塔體安放到基礎(chǔ)上的連接部分。它必須保證塔體坐落在確定的位置上進(jìn)行正常的操作。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能承受各種操作情況下的全塔重量，以及風(fēng)力、地震等引起的載荷。最常用的塔體支座是裙式支座（簡稱為“裙座”）。

3.3除沫器

除沫器用于捕集夾帶在氣流中的液滴。使用高效的除沫器，對于回收貴重物料、提高分離效率、改善塔后設(shè)備的操作狀況，以及減少對環(huán)境的污染等，都是非常必要的。

3.4接管

塔設(shè)備的接管是用以連接工藝管路，把塔設(shè)備與相關(guān)設(shè)備連成系統(tǒng)。按接管的用途，分為進(jìn)液管、出液管、進(jìn)氣管、出氣管、回流管、側(cè)線抽出管和儀表接管等。

3.5人孔和手孔

人孔和手孔一般都是為了安裝、檢修檢查和裝填填料的需要而設(shè)置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的設(shè)置要求。

3.6吊耳

塔設(shè)備的運(yùn)輸和安裝，特別是在設(shè)備大型化后，往往是工廠基建工地上一項(xiàng)舉足輕重的任務(wù)。為起吊方便，可在塔設(shè)備上焊以吊耳。

3.7吊柱

在塔頂設(shè)置吊柱是為了在安裝和檢修時，方便塔內(nèi)件的運(yùn)送。

4.對塔設(shè)備的要求

作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項(xiàng)要求。主要包括生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。

操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。流體流動的阻力小，即流體通過塔設(shè)備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以降低經(jīng)常操作費(fèi)用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。

結(jié)構(gòu)簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過程中的投資費(fèi)用。耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。

事實(shí)上，對于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述的所有要求，僅是在某些方面具有獨(dú)到之處。人們對于高效率、生產(chǎn)能力大、穩(wěn)定操作和低壓力降的追求，推動著塔設(shè)備新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。

5.塔設(shè)備的用材

塔設(shè)備與其他化工設(shè)備一樣，置于室外、無框架的自支承式塔體，絕大多數(shù)是采用鋼材制造的。這是因?yàn)殇摬木哂凶銐虻膹?qiáng)度和塑性，制造性能較好，設(shè)計制造的經(jīng)驗(yàn)也較成熟。特別是在大型的塔設(shè)備中，鋼材更具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地采用。為此，有些場合為了滿足腐蝕性介質(zhì)或低溫等特殊要求，采用有色金屬材料（如鈦、鋁、銅、銀等）或非金屬耐腐蝕材料，也有為了減少有色金屬的耗用量而采用滲鋁、鍍銀等措施，或采用鋼殼襯砌、襯涂非金屬材料的。用這類材料制成的塔設(shè)備，塔徑一般都不大，當(dāng)尺寸稍大時，就得在塔外用鋼架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。此外，這些材料在制造、運(yùn)輸、安裝等方面都各有特點(diǎn)，在設(shè)計時還應(yīng)參閱其他有關(guān)資料，認(rèn)真加以考慮?？晒┲谱魉O(shè)備內(nèi)件的材料，比之塔體用材，選擇余地更大了。板式塔中的塔盤，以及浮閥、泡罩一類氣液接觸元件，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之安裝工藝和使用方面的要求（如浮閥應(yīng)能自由浮動），所以仍是以鋼材為主，其他材料（如陶瓷、鑄鐵等）為輔。填料的用材，往往只考慮制造成型方面的性能，所以可用多種材料制成同一型式和外形尺寸的填料，以滿足不同場合需要。如拉西環(huán)最初是用瓷做的，以后又出現(xiàn)用鋼、石墨或硬聚氯乙烯塑料等制造；鮑爾環(huán)也有用鋼、鋁或聚丙烯塑料等制造；至于高效的絲網(wǎng)填料，則除了用各種金屬絲網(wǎng)外，還可將尼龍、塑料等編織成網(wǎng)，進(jìn)而制得。

總之，選材所考慮得因素較多。 [科]