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不仅要知道如何操作精馏塔 更要知道如何操作精馏塔才能提高生产效率!



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关于精馏塔的操作,精馏塔在之前的文章已经做过详细的介绍。精馏塔的开车、停车以及各种准备工作和维护工作相信大家都有了更深一步的了解。但是,各种因素包括塔的温度和压力、进料状态、进料量等等都对精馏塔的操作有着很大的影响。今天,精馏塔就与大家详细介绍各种因素给精馏塔带来的影响,在以后操作的过程中利于提高生产效率及产品质量。


01
精馏操作的影响因素有哪些?


除了设备问题以外,精馏操作过程的影响因素主要有以下几个方面:

  • 塔的温度和压力(包括塔顶、塔釜和某些有特殊意义的塔板);

  • 进料状态;

  • 进料量;

  • 进料组成;

  • 进料温度;

  • 塔内上升蒸汽速度和蒸发釜的加热量;

  • 回流量;

  • 塔顶冷剂量;

  • 塔顶采出量和塔底采出量。

塔的操作就是按照塔顶和塔底产品的组成要求来对这几个影响因素进行调节。


02
塔高、塔径对产量和质量有什么影响?


塔径主要影响生产能力,塔高主要影响产品纯度。


塔径与生产能力的关系可以用下式来说明。


D=(v/0.785w)1/2


式中

  • D----塔的直径, m;

  • v----塔内蒸汽的体积流量, m2/s

  • w----空塔流速, m/s。


对一定的塔来说,空塔流速是有一定限制的。在一定的空塔速度下,塔内蒸汽的体积流量越大,则需要的塔径越大;同理,塔径越大,则允许的塔内蒸汽负荷越大,即生产能力越大,因此塔径是影响生产能力的主要因素。


塔的高度,在板效率和板间距确定的情况下,决定与实际塔板数。而实际塔板数又是由最小理论塔板数决定的。最小理论塔板数愈多,而实际塔板数也愈多。


塔径、塔高对生产的影响是辩证地,不可截然分开的。例如,增加塔高,则可减少回流比,从而提高生产能力;而增加塔径,则可加大回流比,达到降低塔高的目的。


03
精馏塔操作压力的变化对精馏操作有什么影响?


塔压波动对塔的操作将产生如下的影响。


(1)影响产品质量和物料平衡


压力升高,则气相中的重组份减少,相应的提高了气相中的轻组分的浓度;液相中的轻组分含量增加,同时也改变了气液相的重量比,使液相量增加,气相量减少。


总的结果是:塔顶馏分中的轻组分浓度增加,但数量却相对减少;釜液中的轻组分浓度增加,釜液量增加。


同理,压力降低,塔顶馏份的数量增加,轻组分浓度降低;釜液量减少,轻组分浓度减少。


正常操作中应保持恒定的压力,但若操作不正常,引起塔顶产品中重组分浓度增加时,则可采用适当升高操作压力的办法,使产品质量合格,但此时液相中轻组分的损失增加。


(2)改变组分间的相对挥发度


压力增加,组分间的相对挥发度降低,分离效率下降,反之亦然。


(3)改变塔的生产能力


压力增加,组分的重度增大,塔的处理能力增大。


(4)塔压的波动


这将引起温度和组成间对应关系的混乱。我们在操作中经常以温度作为衡量产品质量的间接标准,但这只有在塔压恒定的情况下才是正确的。


当塔压改变时,混合物的露点、泡点发生改变,引起全塔的温度分布发生改变,温度和产品质量的对应关系也将发生改变。


04
进料状态对精馏操作有什么影响?


进料情况有五种:(1)冷进料;(2)泡点进料;(3)气液混合进料;(4)饱和蒸汽进料;(5)过热蒸汽进料。


为了便于分析,令每公斤分子进料液体变成饱和蒸所需热量δ=每公斤分子进料的汽化潜热


从上式可以看出:冷进料时δ>1,泡点进料时δ=1,气液混合进料时0<δ<1,饱和蒸汽进料时δ=0,过热蒸汽进料时δ<0。


当进料状况发生变化(回流比、塔顶馏出物的组成为规定值)时,δ值也将发生变化,这直接影响到提馏段回流量的改变,从而使提馏段操作线方程式改变,进料板的位置也随之改变,δ线位置的改变,将引起理论塔板数和精馏段、提馏段塔板数分配的改变。对于固定进料状况的某个塔来说,进料状况的改变,将会影响到产品质量及损失情况的改变。


例如,某塔应为泡点进料,当改为冷液进料时,则精馏段塔板数过多,提馏段塔板数不足,结果是塔顶产品质量可能提高,而釜液中的轻组分的蒸出则不完全。若改为气液混合进料或者饱和蒸汽、过饱和蒸汽进料,则精馏段的塔板数不足,提馏段的塔板数过多,其结果是塔顶产品种重组分含量超过规定,釜液中轻组分含量比规定值低,同时增加了塔顶冷剂的消耗量,减少了塔釜的热剂消耗。


生产中多用泡点进料,此时,精馏段、提馏段上升蒸气的流量相等,故塔径也一样,设计计算也比较方便。


05
进料量的大小对精馏操作有什么影响?


进料量的大小对精馏操作的影响可分为下述两种情况来讨论。


(1)进料量变动范围不超过塔顶冷凝器和加热釜的负荷范围时,只要调节及时得当,对顶温和釜温不会有显着的影响,而只影响塔内上升蒸汽速度的变化。


进料量增加,蒸汽上升的速度增加,一般对传质是有利的,在蒸汽上升速度接近液泛速度时,传质效果为最好。若进料量再增加,蒸汽上升速度超过液泛速度时,则严重的雾沫夹带会破坏塔的正常操作。


进料量减少,蒸汽上升速度降低,对传质是不利的,蒸汽速度降低容易造成漏液,降低精馏效果。


因此,低负荷操作时,可适当的增大回流比,提高塔内上升蒸汽的速度,以提高传质效果。应该说明,上述结论是以进料量发生变动时,塔顶冷剂量或釜温热剂量均能作相应的调整为前提的。


(2)进料的变动范围超出了塔顶冷凝器或加热釜的负荷范围,此时,不仅塔内上升蒸汽的速度改变而且塔顶温度、塔釜温度也会相应的改变,致使塔板上的气液相平衡组成改变,塔顶和塔釜馏分的组成改变。


进料量过大的波动,将会破坏塔内正常的物料平衡和工艺条件,造成塔顶、塔釜产品质量不合格或者物料损失增加。


06
进料组成的变化对精馏操作有什么影响?


进料组成的变化,直接影响精馏操作,当进料中重组分的浓度增加时,精馏段的负荷增加。对于固定了精馏段板数的塔来说,将造成重组份带到塔顶,使塔顶产品质量不合格。


若进料中的轻组分的浓度增加时,提馏段的负荷增加。对于固定了提馏段塔板数的塔来说,将造成提馏段的轻组分蒸出不完全,釜液中轻组分的损失加大。


应该这样理解:重组分增加要增加精馏段,所以要使加料口下移,如果只有一个加料口那就要增加精馏段的负荷,所以重组分也会上移到塔顶;反之也一样。


同时,进料组成的变化还将引起全塔物料平衡和工艺条件的变化。组份变轻,则塔顶馏分增加,釜液排出量减少。同时,全塔温度下降,塔压升高。组份变重,情况相反。


进料组成变化时,可采取如下措施。


(1)改进料口。组份变重时,进料口往下改;组份变轻时,进料口往上改。


(2)改变回流比。组份变重时,加大回流比;组份变轻时,减少回流比。


(3)调节冷剂和热剂量。根据组成变动的情况,相应地调节塔顶冷剂和塔釜热剂量,维持顶、釜的产品质量不变。


07
进料温度的变化对精馏操作有什么影响?


进料温度降低,将增加塔底蒸发釜的热负荷,减少塔顶冷凝器的冷负荷。进料温度升高,则增加塔顶冷凝器的冷负荷,减少塔底蒸发釜的热负荷。


当进料温度的变化幅度过大时,通常会影响整个塔身的温度,从而改变气液平衡组成。


例如:进料温度过低,塔釜加热蒸汽量没有富余的情况下,将会使塔底馏份中轻组份含量增加。进料温度的改变,意味着进料状态的改变,而后者的改变将影响精馏段、提馏段负荷的改变。


因此,进料温度是影响精馏塔操作的重要因素之一。


08
塔内上升蒸汽的速度和蒸发釜加热量的波动对精馏操作有什么影响?


塔内上升蒸汽的速度的大小,直接影响着传质效果。板式塔(例如泡罩塔)内上升蒸汽是通过泡罩的齿缝以鼓泡的形式与液体进行热量和质量交换的。


一般的说,塔内最大的蒸汽上升的速度应比液泛的速度小一些。工艺上常选择最大允许速度为液泛速度的80%。速度过低会使塔板效率显着下降。


影响塔内上升蒸汽速度的主要因素是蒸发釜的加热量。在釜温保持不变的情况下,加热量增加,塔内上升蒸汽的速度加大;加热量减少,塔内上升蒸汽的速度减小。


应该注意,加热量的调节范围过大、过猛,有可能造成液泛或漏液。


09
回流比的大小对精馏操作有什么影响?


操作中改变回流比的大小,以满足产品的质量要求是经常遇到的问题。当塔顶馏份重组份含量增加时,常采用加大回流的方法将重组份压下去,以使产品质量合格。


当精馏段的轻组份下到提馏段造成塔下部温度降低时,可以用适当减少回流比的方法以使釜温度提起来。


增加回流比,对从塔顶得到产品的精馏塔来说,可以提高产品质量,但是却要降低塔的生产能力,增加水、电、气的消耗。回流比过大,将会造成塔内物料的循环量过大,甚至能导致液泛,破坏塔的正常操作。


10
塔顶冷剂量的大小对精馏操作有什么影响?


对采用内回流操作的塔(例如冷凝蒸出塔),其冷剂量的大小对精馏操作的影响是比较显着的;同时,也是影响回流量波动的主要因素。内回流塔的回流量是靠塔顶冷凝器的负荷来调节的。


当冷剂量无相变时,冷凝器的负荷主要有冷剂量进入的多少来调节。如果操作中冷剂量减少,塔顶温度升高,从而流量减少,塔顶温度升高,塔顶产品中重组份的含量增加,纯度下降;如冷剂量增加,情况正相反。当冷剂有相变时,即液体冷剂蒸发吸热,在冷剂量充分的情况下,调节冷剂蒸发压力高低所带来的回流量变化,将更为灵敏。


对于外回流的塔,同样会由于冷剂量的波动,在不同程度上影响精馏塔的操作。


例如,冷剂量的减少,将使冷凝器的作用变差,冷凝液量减少,而在塔顶产品的液相采出量作定值调节时,回流量势必减少。假如冷凝器还有过冷作用(即通常所说的冷凝冷却器)时,则冷剂量的减少,还会引起回流液温度的升高。这些都会使精馏塔的顶温升高,塔顶产品中重组份含量增多,质量下降。


11
塔顶采出量的大小对精馏操作有什么影响?


精馏塔塔顶采出量的大小和该塔进料量的大小有着相互对应的关系,进料量增加,采出量应增大。


采出量只有随进料量变化时,才能保持塔内固定的回流比,维持塔的正常操作,否则将会破坏塔内的气液平衡。在强制回流的操作中,如果进料量不变,塔顶采出量突然增大,则易造成回流液贮槽抽空。回流液一中断,顶温就升高,这同样也会影响塔顶产品的质量下降。


如果进料量加大,但塔顶采出量不变,其后果是回流比增大,塔内物料增多,上升蒸汽速度增大,塔顶与塔釜的压差增大,严重时会引起液泛。


12
塔底采出量的大小对精馏操作有什么影响?


塔釜保持稳定的液面,是维持釜温恒定的首要条件。塔釜液面的变化,又主要决定于塔底采出量的大小。


当塔底采出量过大时,会造成塔釜液面降低或抽空。这将是通过蒸发釜的釜液循环量减少,从而导致传热不好,轻组分蒸不出去,塔顶、塔釜的产品均不合格。


如果是利用列管式蒸发釜,由于循环液量太大,使釜液经过上半部列管时形成过热蒸汽,表现为挥发管的气体温度较高,而釜温却较低。如果塔底采出量过小,将会造成塔釜液面过高,增加了釜液循环阻力,同样造成传热不好,釜温下降。


13
塔的安装对精馏操作有什么影响?


塔身、塔板、溢流口等,在安装时若不符合要求,都有可能对精馏操作带来影响。


(1)塔身

塔身要求垂直,一般的倾斜度不能超过千分之一,否则将会在塔板上造成死区,对于小直径的精馏塔来说,如果塔板的安装是先分节安装,然后再组装的话,则塔身的不垂直将直接影响全塔的所有塔板的水平度,使塔的效率降低。


(2)塔板

塔板要求水平,其水平度用水平仪测定不能超过±2毫米。


(3)溢流口

溢流口与下层塔板的距离,用根据生产能力和下层塔板的溢流堰的高度而定,但必须满足溢流口插入受液盘的液体中,以封住上升蒸汽。


如果溢流口与下层塔板的距离太近,则可能造成上层塔板的回流也不能顺利流入下层塔板,使上层塔板的液层增高,下层塔板的压力增大,严重时造成液泛。


溢流口过高,超过溢流堰的高度时,上升的蒸汽“走短路”,从溢流管直接上升到上层塔板,起不到液封作用,影响塔板效率。


安装时,对于各种具体的塔板类型都有不同程度的要求,如果不按要求去安装,将可能使塔的生产效率大大下降。


14
填料塔在操作中受到哪些因素的影响?


填料塔的操作中,蒸汽速度的大小,对传质效率有直接的影响。气速小时,接触面仅限于填料的表面,传质效率不高,随气速的增加,传质效率有所提高,但当气速超过了最大允许速度时,将会产生液泛现象,这就是操作中不允许的。


喷淋密度的大小对填料塔的精馏效果也有影响。当喷淋密度很小时,填料表面则不能完全被液体所湿润,使精馏效率下降;当喷淋密度过大时,液体又会不经过填料表面而沿塔壁流下,这会使精馏效率更低。


15
精馏塔操作应该掌握好哪三个平衡?


精馏塔的操作应该掌握好以下三个平衡:


(1)物料平衡体现了塔的生产能力,它主要是靠进料量和塔顶、塔底采出量来调节。


当塔的操作不符合总的物料平衡式时,这可以从塔压差的变化上看出,进得多,取得少,则塔压差上升。对于一个固定的精馏塔来说,塔压差应该在一定范围内。


塔压差过大,说明塔内上升的蒸汽速度过快,雾沫夹带严重,甚至发生液泛,破坏塔的正常操作;塔压差过小,表明塔内上升蒸汽的速度过小,塔板上的气液湍动的程度过低、传质效果差,使塔板产生漏液,降低塔板效率。


如果精馏塔不符合对某组分的物料平衡式时,将有两种表现:


A、轻组分的采出量超过了物料平衡的量,将使塔内的物料组成变重,全塔的温度逐步升高,塔顶馏分中重组份的浓度增加,致使质量不合格。


B、重组份的采出量超过了物料平衡的量,全塔的物料组成将随着操作的进行而逐渐变轻,塔身温度下降,特别是釜温明显下降,釜液中轻组分的浓度增加。


(2)气液平衡主要体现了产品质量和损失情况。


只有在温度、压力固定时,才能确定气液平衡组成。但是,气液相平衡的组成又是靠在每块塔板上的气液互相接触进行传质和传热而实现的。这就是说,气液相平衡和物料平衡密切相关。


物料平衡掌握的好,塔内上升蒸汽的速度合适,气液接触好,则传质效率高,每块板上的气液组成就愈接近于平衡组成,也就是常说的板效率高,反之亦然。


当然,温度、压力也会随着物料平衡的改变而变化,它们的变化又可造成塔板上气相和液相相对量的改变,从而破坏原来的物料平衡。


(3)热量平衡是物料平衡和气液相平衡得以实现的基础。


没有塔釜供热就没有上升蒸汽,没有塔顶冷凝就没有回流液,整个精馏过程就无法实现。而热量平衡又是依附于物料平衡和气液相平衡的。


例如,进料量或组成发生了改变,则塔釜耗热量和塔顶冷剂量均应作相应的改变。塔的操作压力、温度发生了改变(即气液平衡组成改变),则每块板上气相冷凝的放热量和液体气化的吸收热量也会发生改变。


例如,加热釜的供热不够,就会造成塔釜温度达不到规定值,致使:

  • 物料平衡破坏,釜液排出量增多,塔顶馏出量减少,对塔顶得到产品的工艺过程来说,塔的生产能力下降;

  • 气液平衡破坏,塔内上升蒸气量减少,气液接触变差,传质效率下降,同时气相中重组份含量减少,液相中轻组分含量增加,釜液中轻组分损失加大。


由以上分析可知:掌握好物料平衡、汽液平衡、热量平衡是精馏操作的关键所在。这三个平衡是能够互相影响,互相制约的,操作中通常以物料平衡的变化为主,相应地调节热量平衡去达到气液相平衡的目的。


16
精馏塔操作中影响塔压变化的因素有哪些?该如何调节?


因素有:塔顶温度;塔釜温度;进料组成;进料流量;回流量;冷剂量;冷剂压力等的变化以及仪表故障、设备和管道的冻堵,都可以引起塔压的变化。


当塔压发生变化时,首先要判断引起变化的原因,而不要简单地只从调节上使塔的压力恢复正常,要从根本上消除变化的原因,才能不破坏塔的正常操作。


例如:当冷剂量不足或塔顶冷凝其设备出现故障时引起塔压升高时,若不采取正常的处理方法,而只是加大塔顶采出量来恢复正常的塔压,就有可能使重组份带到精馏段,造成塔顶产品质量不合格。


又如,釜温过低引起塔压降低时,若不提釜温,而单靠减少塔顶采出量来恢复正常塔压,将造成釜液中轻组分大量增加。当釜温突然升高,引起塔压上升时,重要的是恢复塔釜正常的温度,而不是单靠增加冷剂量和加大塔顶采出量来降低塔压;否则将容易产生液泛,破坏塔的正常操作。


由于设备原因而影响了塔压的正常调节时,应当考虑改变其他操作因素以维持生产,严重时则要停工检修。


17
在精馏操作中如何调整进料口的位置?


精馏塔进料口通常有三个,安装在塔的不同高度上。按照最佳进料板位置的含义可知,对进料温度在泡点或接近泡点时进料的精馏塔,进料口的选择是依据进料的组成与进料板的组成相一致而决定。


一般说来,当被分离混合物中易挥发组份增多时,选用位置较高的进料口,进料状态改变时也相应地调整进料口,进料温度降低时,用位置较高的进料口;反之用位置较低的进料口。


18
对采用强制回流的精馏塔,回流突然中断是什么原因?怎样处理?


回流突然中断的原因可能是:

  • 回流液泵的电机跳闸;

  • 回流液贮槽内的物料抽空;

  • 回流液泵不上量;

  • 对低沸点的回流液,因温度过高或泵的输出量过小,物料在泵内气化而不上量。


19
精馏操作中出现液泛现象如何处理?


若是设备问题引起的,应该停车检修;若是操作不当,釜温突然上升引起的,则应停止或减少进料量,稍降釜温,停止塔顶采出,进行全回流操作,使带到塔顶去的难挥发组份慢慢流到塔釜。


当生产不允许停止进料时,可将釜温控制在稍低于正常的操作温度下,加大塔顶的采出量,减小回流比,当塔压降至正常值后,再将操作条件恢复正常。这种操作只能保证产品数量,不能保证质量。


20
控制精馏塔的塔釜液面有什么意义?


只有塔釜液面稳定时,才能保证塔釜传热稳定以及由此决定的塔釜温度、塔内的上升蒸汽流量、塔釜液组成稳定等的稳定,从而确保塔的正常生产。


釜液面的调节,多半是用釜液的排除量来控制的。釜液面增高,排出量增大,釜液面降低,排出量减少。也有用加热釜的热剂量来控制釜液面的,釜液面增高,热剂量加大。但是只知道这些还是不够的,还必须了解影响釜液面变化的原因,才能有针对性的进行处理。


原因主要有以下五方面:


(1)釜液组成的变化


在压力不变的前提下,降低釜温,就改变了塔底的气液平衡组成,加大了釜液量和釜液中轻组份的含量。在釜液采出不变的情况下,将使釜液面增高。发生这种现象时,应首先恢复正常的釜温,否则,会造成大量的轻组份损失。


(2)进料组成的变化


当进料中重组份含量增加时,根据物料衡算,釜液量将增加,此时应相应加大釜液排出量,否则釜液面会升高。如果保持正常的釜液排出量而用升高釜温的方法去维持正常的釜液面,那么将会使重组份带到塔顶,造成塔顶产品的质量下降。


(3)进料量的变化


进料量增大,釜液排出量应相应地加大,否则釜液面会升高。


(4)调节机构失灵


调节机构失灵时,应该自动调节为手动调节,同时联系检修。


(5)在开车初期时,由于塔板上液体较少,还没有处于良好的气液接触状态,大量的轻组份容易进入塔釜,其被塔釜气化的量一时还满足不了塔内热量要求。


因此,对于刚开车的塔,应在进料之前,对加热釜先适当预热,在塔釜见液面后就要适量供热,否则将会使釜温不易提起,使釜液面过高,釜液排出量增大,以至釜液中轻组份的损失增大。



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