精餾塔工藝操作影響因素分析

蔡功勛

（江蘇凱美普瑞工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210047）

精餾塔是化工生產(chǎn)中的精餾單元操作設(shè)備，主要對混合物進(jìn)行提純及分離，是該項處理中的主要設(shè)備[1]。精餾塔在工藝實施的過程中，最為重要的是穩(wěn)定性，這對于生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)能力、環(huán)保性、消耗能源等有極大影響。

1 精餾塔概述

按照塔設(shè)備中的氣液接觸構(gòu)件形式，能夠?qū)⒃O(shè)備分成兩種類型，分別為板式塔、填料塔[2]。板式塔的設(shè)計主要是以塔板結(jié)構(gòu)為主，工作原理是氣體通過噴射或者鼓泡的形式通過板上的液層，以此來實現(xiàn)熱傳遞，氣液兩相的組成由此改變?yōu)殡A梯式，是逐級接觸逆流的操作流程。填料塔中含有相對高度的填料層設(shè)計，液體從塔頂處沿著填料的表面向下流動，氣體則會逆流向上運動，從而實現(xiàn)氣液的接觸，進(jìn)一步實現(xiàn)熱傳遞。氣液的構(gòu)成形式會沿著塔的高度發(fā)生連續(xù)的改變，是微分接觸的操作類型。蒸餾作為液體混合物分離及提純中的方式之一，對于傳質(zhì)過程而言，是最為關(guān)鍵的單元操作。

蒸餾是溶液中各組分蒸汽壓存在差異，即各個組分在相同溫度及壓力下，存在有不同的沸點或者是揮發(fā)性能，蒸餾便是利用這一差異實現(xiàn)液體混合物的分離[3]。比如，甲醇沸點較水更低，那么甲醇存在的揮發(fā)性就要比水更強(qiáng)，因此甲醇比較容易實現(xiàn)液相汽化[4]。在甲醇蒸餾中若是對汽化蒸汽完全冷凝，就能夠得到更高品質(zhì)的甲醇產(chǎn)品，通過多次蒸餾能夠?qū)崿F(xiàn)甲醇和水的再次分離，在多次實施分離的過程中，其中汽化的這一部分在冷凝之后，最終能夠從氣相中得到品質(zhì)更高的組分，而在液相中則能夠得到更難以揮發(fā)的組分，這便是精餾操作過程。在目前精餾塔的應(yīng)用過程中，多數(shù)作業(yè)都是針對新型精餾塔設(shè)備開發(fā)及研究。精餾塔在工藝操作中物料平衡、精餾工況、回流比、塔溫、塔壓精餾組配比劃分問題等，都與精餾塔操作穩(wěn)定有著直接的影響，同時這些問題對于產(chǎn)品設(shè)計及成型也都有著重大關(guān)系。

2 精餾塔工藝操作影響因素分析

2.1 物料平衡關(guān)系影響

精餾塔操作過程中，物料平衡是其中三個主要的平衡之一，是精餾塔宏觀控制的因素，實際操作中，精餾塔系統(tǒng)的物料平衡主要遵循兩個關(guān)系式，分別為物料總平衡：F=D+W；輕組分：FXF=DXD+WXW。根據(jù)這兩個關(guān)系式，給定原料液，設(shè)置F、XF值，就能夠?qū)W、XD確認(rèn)，進(jìn)而就能夠得到塔釜殘留液的流量W 和塔頂流出液流量D。綜合兩個關(guān)系式進(jìn)行求解，能夠得出以下計算：

根據(jù)這一計算式能夠明確，對于塔釜殘留液量W、進(jìn)塔原料流量F、塔頂餾出液流量D 要進(jìn)行合理的確認(rèn)，不能隨意進(jìn)行增減，否則容易導(dǎo)致進(jìn)出塔的組分出現(xiàn)不平衡，進(jìn)而會導(dǎo)致塔內(nèi)的構(gòu)成部分發(fā)生變化，誘使操作波動出現(xiàn)，操作工藝也無法達(dá)成理想分離效果。其次，在精餾塔操作的過程中，對于塔底產(chǎn)品和塔頂產(chǎn)品的穩(wěn)定要提供保障，保持精餾裝置物料平衡，這是達(dá)成操作穩(wěn)定的必須條件。通常來說，通過塔底液對物料平衡進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2.2 回流比產(chǎn)生的影響

在精餾段操作過程中，會用回流比進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)節(jié)和控制，對于精餾塔生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量以及分離效果有著直接影響。因此使回流量改變，是精餾塔操作中有效的手段之一。精餾塔中的回流比相關(guān)關(guān)系式有以下幾種：

通過對上述幾個公式的綜合，能夠得到以下計算列式：

通過關(guān)系式的綜合，能夠明確在回流比逐漸加大的情況下，需求理論板數(shù)也會隨之減少，對于完成回流比確定的精餾塔，在產(chǎn)品質(zhì)量上會有所提升?；亓鞅戎饾u減小的情況下，需求理論板數(shù)則會發(fā)生相應(yīng)提升，對于已經(jīng)確認(rèn)回流比的精餾塔而言，XD逐漸縮減的過程中，XW會逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致分離提純的效果無法達(dá)成預(yù)期?；亓髁坎粩嘣黾舆^程中，會伴隨著塔壓差不斷提升，塔頂位置的生產(chǎn)純度也隨之提升，而回流量不斷減少也會伴隨塔壓差不斷變小，進(jìn)而使塔頂位置生產(chǎn)純度劣化。此外，回流比不斷提升的過程中，會逐漸提升塔中的氣液循環(huán)量，加熱蒸汽量以及冷劑量也會不斷地增大，回流比過大的情況下，會促使淹塔問題發(fā)生，對塔正常操作都會造成破壞作用。

日常進(jìn)行回流比合理調(diào)節(jié)具有以下方式：提升回流比可以選擇縮減塔頂采出量來實現(xiàn)；當(dāng)塔頂冷凝器使用的是分凝氣時，可以提升塔頂冷劑的使用量，以此提升凝液量，促使回流比增大；回流比的提升也可通過增大回流液儲槽強(qiáng)制回流來實現(xiàn)，但該方法只能短時間應(yīng)用，同時回流儲槽中不能完全空余。在進(jìn)行回流比提升的操作過程中，采出率達(dá)成 D/F 相關(guān)要求的情況下，不能有效保證回流比的有效提升，同時提升操作回流液也會增加冷凝量和蒸發(fā)量，此類數(shù)值也會受到冷凝器、塔釜傳熱面限制，所以提升回流比的方法存在一定爭議。

2.3 進(jìn)料工況產(chǎn)生的影響

在實際生產(chǎn)過程中，當(dāng)精餾塔中進(jìn)料量出現(xiàn)變化，對于冷凝劑和加熱劑的配比需要進(jìn)行一定調(diào)整，但對于塔釜及塔頂?shù)臏囟扔绊懖⒉恢苯?，只會降低蒸汽上升速度。在進(jìn)料量出現(xiàn)增大的情況下，上升氣流的速度與液泛較為接近時，具有良好的傳質(zhì)效果，當(dāng)比液泛速度更大時就會破壞精餾塔常規(guī)操作；在進(jìn)料量出現(xiàn)降低的情況下，氣流的速度越低，對于傳質(zhì)效果越不利，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致漏液現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而降低分離效率。在實際生產(chǎn)過程中，進(jìn)料量改變范圍在塔頂冷凝器與塔釜再沸器的荷載功率以上時，溫度發(fā)生變化能夠使氣液平衡組成發(fā)生一定改變，進(jìn)而導(dǎo)致塔底和塔頂產(chǎn)品質(zhì)量無法達(dá)成要求，同時會提升物料損失。

其次，進(jìn)料組成對于精餾塔操作也會產(chǎn)生一定影響。在原料易揮發(fā)組分含量提升時，提餾段所需要的塔板數(shù)量也會因此增加。所以塔板數(shù)量固定時，提餾段負(fù)荷會因此提升，釜液存在易揮發(fā)組分含量也會由此提升，導(dǎo)致原料損失提升，對于總物料平衡變化也會產(chǎn)生影響，塔溫度在不斷下降的情況下，塔壓差會逐漸提升；當(dāng)原料中難以揮發(fā)的組分含量提升時，上述現(xiàn)象也會倒置；進(jìn)料組分改變時，可以使進(jìn)料口上移并減輕組成質(zhì)量，或者改變回流比，將組成質(zhì)量減輕，對回流比縮減，再或者對冷凝劑及加熱劑數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，使產(chǎn)品的質(zhì)量保持一致。

最后，進(jìn)料熱狀態(tài)對于精餾塔操作也會產(chǎn)生影響，精餾段和提餾段的操作線焦點可通過對這兩端的關(guān)系式計算，進(jìn)而能夠得到：。在生產(chǎn)中如果其他條件是一定的，僅僅有進(jìn)料熱狀況發(fā)生相應(yīng)改變，也會導(dǎo)致式中的q 發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致精餾段及提餾段操作線交點發(fā)生位移，使加料板位置發(fā)生較大改變。上述條件會導(dǎo)致兩端塔板數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)料板在固定的情況下，進(jìn)料熱狀態(tài)發(fā)生改變，會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生極大的變化。進(jìn)料狀況發(fā)生改變，需要對進(jìn)料位置做適當(dāng)改變，同時對回流比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。通常精餾塔會進(jìn)行數(shù)個進(jìn)料位置設(shè)置，以此來適應(yīng)生產(chǎn)中的進(jìn)料狀況，為精餾塔于適宜位置實施進(jìn)料提供便利。若是進(jìn)料狀態(tài)出現(xiàn)變化，而進(jìn)料位置一定，會導(dǎo)致釜殘液和餾出液的組成發(fā)生改變。進(jìn)料狀況對精餾塔操作意義十分重大，在進(jìn)料狀態(tài)不同的情況下，對于提餾段回流量及塔內(nèi)氣液平衡均能造成直接影響。理想狀態(tài)下泡點進(jìn)料最為經(jīng)濟(jì)、實用。

2.4 塔釜溫度造成的影響

塔釜溫度主要由物料構(gòu)成、釜壓所決定，在精餾塔操作過程中，塔釜溫度保持恒定才能使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。所以，塔釜溫度是精餾操作過程中，較為重要的控制指標(biāo)。在進(jìn)行塔釜溫度提升的過程中，要減少塔中液相易揮發(fā)組分，同時提升上升蒸汽速度，最終使傳質(zhì)效率得到有效提高。若是塔頂?shù)贸霎a(chǎn)品，塔釜有不易揮發(fā)物的排出物排除，會減少易揮發(fā)組分，減少相應(yīng)的損失；若是塔釜排除物是產(chǎn)品，能夠使產(chǎn)品質(zhì)量得到提升，不過塔頂也會增大易揮發(fā)組分的排除，以此使損失增大。進(jìn)行溫度提升的過程中，要重視對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，同時要兼顧工藝損失。通常狀況下，精餾塔操作中對溫度調(diào)整，促使產(chǎn)品質(zhì)量提高，減小工藝損失問題。在釜溫發(fā)生改變時，一般會改變蒸發(fā)釜加熱蒸汽量，以此使塔釜溫度恢復(fù)到正常狀況。在釜溫比常規(guī)操作值小的情況下，需要提升蒸汽用量，以此促使釜液汽化量提高，促使釜液重組分含量得到一定提升，進(jìn)而提升釜溫及泡點。在釜溫較之常規(guī)操作值更低的情況下，要進(jìn)行蒸汽量減少，以此使釜液汽化量降低，提升釜液輕組分總體含量，最終降低釜溫及泡點。

2.5 塔壓造成的影響

精餾塔操作壓力改變時，會導(dǎo)致氣液平衡關(guān)系發(fā)生改變，壓力提升的情況下，組分之間相對揮發(fā)度也會隨之降低，平衡線和角線較為靠近，分離的效率會降低，壓力降低則情況相反。在壓力提升的情況下，氣相中含有的易揮發(fā)的組分也會減少，同時會將氣液密度比改變，降低氣相量，餾出物易揮發(fā)組分在濃度上也會因此增大，使產(chǎn)品產(chǎn)量減小。殘液中易揮發(fā)組分增加的情況下，會導(dǎo)致殘液量由此提升。壓力提升使氣相量減小，冷劑量也會相應(yīng)減少，從而使精餾塔溫度提升。氣液相組成和溫度有著密切的對應(yīng)關(guān)系，在進(jìn)行精餾生產(chǎn)的過程中，溫度也是對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行衡量的重要標(biāo)準(zhǔn)。在塔壓發(fā)生變化的過程中，混合物泡露點改變，會使精餾塔整體溫度改變。在塔壓提升的情況下，氣相密度會因此增加，但是氣相會因此減小，從而使塔處理量提升。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代工業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在工業(yè)技術(shù)的發(fā)展中應(yīng)不斷提升生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效益。精餾塔作為現(xiàn)代石油工業(yè)、化工業(yè)中的重要組成，需要對其操作影響進(jìn)行分析，并以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化，本文對此進(jìn)行了詳細(xì)描述，能夠為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒。