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精馏塔塔阻对于精馏的影响



填料塔—精馏塔体中,以金属或耐腐材料填充作为精馏媒介的精馏塔的形式。实际大生产中,精馏的目的是将两种或两种以上的物质,通过汽化沸点差,在一定的汽化走程中形成相对的单质物质的生产过程的形式。同等精馏效率的塔板或填料,沸点差越大,汽化走程相对越短,也就是我们常说的精馏塔越矮或越短,反之,沸点差越小,分离走程越长,塔节就越高。在这里,我们详细讨论一下塔体高和低所带给精馏的一些不被人重视却又实际影响精馏效果的一个因数—塔阻。
     所谓塔阻,就是指物料在加热段到气相出口行程中克服力的总和。一精馏塔,塔阻越大,势必热能耗越高,因为其消耗热能产生突破的难易程度决定的。众所周知,一个空筒子,里面没有任何的阻挡物,那么它的阻力是最小的。精馏时候,塔体中必然是有填料或者塔板作为筒子的填充物,由下往上,被精馏物必须突破整个塔体的填料或者塔板,最终以气态形式夹带着热能从塔顶气相管道出来,这个过程势必形成一定的阻力,这个阻力我们称之为塔阻。而塔阻的大小,不是单纯的底端加热,顶端出汽化物时候的压力差,这是空塔塔阻,而空塔塔阻所有等高度的填料塔和塔板塔差异很小,这个不需要详细论述。我们需要研究的是塔体带物料的时候,也就是中等负荷连续进料、连续出料所形成压力差的大小,也就是实际大生产时候的塔的阻力,这个才是塔阻的关键。
到这里,作为学科知识的朋友或许想搞明白塔阻的真正含义,而作为实际生产使用者来说,塔阻有什么作用和意义,感觉没必要了解,这就大错特错了。下面我会说到塔阻对于实际大生产的关键意义。

      实际大生产中,我们操作者或者管理者,在精馏的时候会发现,生产负荷越大塔顶和塔底的压力差会越大。只专注塔顶物料纯净度的操作只需要关注塔顶温度就可以了。而对于塔底出料的操作者来说,生产负荷越大,塔底物质的纯净度为了得到保证,比较负荷小的时候温度有所增高,这就是塔阻导致的沸点差的变化。如果一味地将操作温度指标控制在一个温度点上,负荷增大,塔底物质肯定达不到合格,这就是塔阻带给我们认知的结果,在连续两塔三塔操作中,这个问题必须要较高的认知度。
      塔板塔的生产塔阻来自每一块板上存有的液体的高度,其塔阻是几十块塔板液层高度的总和带来的阻力。一般情况,每块板上的液层高度是1.5-2CM,几十块板的总和液层高度是1米左右,那么一米液柱(以水来计)的压力大概是0.01MPA,也就是说,正常生产的时候塔底和塔顶的压力差应该在0.01-0.018MPA左右,这就是塔板塔的塔阻。该塔生产时候低于这个压力差,效果应该是下降,其表现为负荷过小,塔板有空塔的现象。高于这个压力差,效果也将下降,其表现为负荷过大,塔板满板现象。一般情况,塔板塔的生产负荷是设计负荷的正负30%的操作弹性,过大过小都将影响精馏效果。
       而填料塔的生产阻力不是它自身所决定的,它的结构不同于塔板塔。也就是说,填料塔自身没有液层的分布,精馏时候形成的塔阻主要来自连续进料连续回流时候液体向下气体往上,气液交换时候产生的动态阻力。为了达到最佳的精馏效果,塔内的阻力必然需要形成在一定的范围,也就导致了填料塔必须要很大的回流比才能够达到较好的精馏效果的原因。根据实测,填料塔的塔顶塔底压力差在0.008-0.015之间。同等塔径,填料塔的通气率高于塔板塔,塔阻略微小于塔板塔,因此物料在塔体内停留的时间低于塔板塔,用较大的回流去强制气液交换是填料塔生产的一个根本原因。不难看出,其弊端的能耗,势必大于塔板塔。为了克服液体在塔内停留时间短,于是增加塔体的高度,因此填料塔一般都有较大的高度。而填料塔过大的进料量和过小的回流比,都将直接影响塔体的精馏效率。
      通过比对,我们大致上分清楚了填料塔和塔板塔之间的阻力关系。这里总结一下,同等塔直径、同等高度的两种塔型,填料塔的阻力应该低于塔板塔,理论上是,实际大生产也是一样。于是在很多企业在塔型认知上得出结论:因为填料塔的塔阻小,塔底的加热温度低于塔板塔,在加温上,在能耗上,填料塔优于塔板塔。填料塔有无数块理论塔板数,而塔板塔只有有限的塔板数,分离效果填料塔优于塔板塔。在制作上,填料塔简易,塔板塔复杂,成本上又优于塔板塔。这样的结论,从表面上看是没有错的,但这是一般层面上的理解,只是个表观现象,我有文章《精馏中填料塔和塔板塔优缺点比较》详细说明两者之间的利弊关系,这里我不重复,主要谈谈阻力对于分离的理解。
       精馏,是将两种或两种以上物质通过沸点差进行分离的形式。我们都知道一个现象,压力是改变沸点的一个关键因素,因此改变压力,可以改变分离温度。高沸点物质,我们使用真空的形式来改变沸点达到低温汽化精馏分离。而常压分离中,塔阻所形成的压力却是改变分离物质沸点的一个关键因素。如果精馏两组分物质沸点差不大,或很小,塔阻大,在增加轻组分沸点的同时更大地增加了重组分的沸点,也就是说塔阻微妙地加大了两者之间的沸点差。而轻组分是走向塔顶塔压最小的点,重组分是走向塔压最大的点,这个差异来说对于靠沸点差来分离的两相物质来说,塔阻的大是明显有利于分离的。所以,对于难分离的物质来说,塔板塔是更利于分离的。同时,塔板塔可以根据实际情况,设计出塔阻更大地S型塔板(或者提高每板液层高度),实际应用效果非常理想。填料塔没有办法做到固定的高塔阻,只有增加塔的高度来做到好的精馏效率,一方面是增加精馏段,另一方面是产生了高塔阻便于了分离。在真空精馏中,由于沸点差缩小,塔阻在某些时候的确是会提高了塔底加热温度,而对于精馏效果而言仍然比较明显,只是看我们在选择的时候侧重点的定位罢了。

      阻力大不一定是坏事,有时候我们巧妙利用阻力,做到难分离物质的最低塔的高度,从而降低设备制造成本。而对于能耗这一长时间需要付出的成本来说,塔板塔的节能性完全优于填料塔。在这个科技突飞猛进的市场大潮中,我们认知的多少直接影响我们生产成本的控制,最终达到最合理的附加值。淘汰不合理的低效率、高能耗的填料塔,是我从事精馏行业到现在一直努力的方向!


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