淺談精餾塔在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

鄭成凱（天津魯華化工有限公司，天津300270）

淺談精餾塔在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

鄭成凱（天津魯華化工有限公司，天津300270）

本文介紹了精餾塔在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問(wèn)題，同時(shí)指出了在為實(shí)際生產(chǎn)裝置進(jìn)行精餾塔設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的一些問(wèn)題和解決辦法。

精餾塔；優(yōu)化；實(shí)際生產(chǎn)

精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，它是化工企業(yè)進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)的主要生產(chǎn)裝置之一，在化工生產(chǎn)過(guò)程中起著十分重要的作用，它決定著一個(gè)化工廠生產(chǎn)效率。

1　精餾塔簡(jiǎn)介

精餾塔是運(yùn)用精餾的原理，將沸點(diǎn)不同的兩種或者兩種以上的混合液體進(jìn)行分離的裝置，其主要作用是為氣液兩相接觸進(jìn)行相際傳質(zhì)提供空間。

精餾塔在大體上可以分為填料式精餾塔和板式精餾塔兩大類，其中板式精餾塔因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作維修方便；生產(chǎn)能力大，塔板效率較高；有較高的操作彈性以及制作成本低等特點(diǎn)，成為了化工企業(yè)中較為常見(jiàn)的精餾塔。

精餾塔要完成整個(gè)精餾過(guò)程還需要有進(jìn)料預(yù)熱器、塔底再沸器、塔頂冷凝器等設(shè)備進(jìn)行配合工作。

2　精餾塔的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行精餾塔設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮的是：操作壓力，進(jìn)料狀況，加熱方式及其熱能的利用等內(nèi)容；其次要根據(jù)化工廠所使用的原料中各類物質(zhì)的組分含量以及對(duì)精餾塔的生產(chǎn)要求進(jìn)行物料衡算，以確定精餾塔塔板數(shù)量和進(jìn)料板位置；然后再根據(jù)所要完成的精餾段的工藝參數(shù)及有關(guān)的物料性質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定塔徑、塔高、塔板溢流裝置和塔板布置等的計(jì)算，還要通過(guò)篩板的流體力學(xué)進(jìn)行驗(yàn)算，以確定所設(shè)計(jì)的精餾塔是否會(huì)出現(xiàn)液沫夾帶、漏液和液泛等情況；最后還要對(duì)其他輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3　精餾塔在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)要注意的問(wèn)題

3.1理論塔板數(shù)與回流比的優(yōu)化

精餾塔最主要的設(shè)備就是塔器（高度L和直徑D），以及兩臺(tái)換熱器，其他較小的設(shè)備，例如機(jī)泵、閥門以及回流罐，很少在概念設(shè)計(jì)階段就予以考慮，塔盤的成本比起塔器和換熱器而言顯得很小，通常也忽略不計(jì)，對(duì)于精餾塔設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)核算優(yōu)化，經(jīng)常使用比較簡(jiǎn)單的目標(biāo)函數(shù)，例如年度總費(fèi)用，對(duì)于塔板數(shù)和回流比的優(yōu)化，都是在固定其他變量的情況下，單獨(dú)變化塔板數(shù)或者回流比，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的年度總費(fèi)用，然后找出使得年度總費(fèi)用最小的塔板數(shù)或回流比。此時(shí)，往往需要采用迭代計(jì)算，以求出在所有變量的最優(yōu)解。

3.2進(jìn)料位置的優(yōu)化

（1）對(duì)于塔頂產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進(jìn)料的氣化率對(duì)塔釜再沸器的熱負(fù)荷影響十分顯著，隨氣化率的上升，再沸器熱負(fù)荷以較大的比例下降，與此同時(shí)，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷只有中等程度的變化，此時(shí)進(jìn)料以露點(diǎn)或過(guò)熱為宜。

（2）對(duì)于塔釜產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進(jìn)料的氣化率對(duì)塔頂冷凝器的熱負(fù)荷影響較為顯著，隨氣化率的上升，冷凝器的熱負(fù)荷以較大的比例增加，與此同時(shí)，塔釜再沸器的熱負(fù)荷只有中等程度或很小的變化，對(duì)于冷凝器處于低溫狀態(tài)，使用冷劑的價(jià)格較高時(shí)，進(jìn)料為泡點(diǎn)或過(guò)冷時(shí)，會(huì)取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）當(dāng)蒸餾塔進(jìn)料來(lái)自上游塔的塔頂采出時(shí)，且該蒸餾塔塔頂出料占主要比例，則上游塔頂采出以氣相為宜，而不應(yīng)取泡點(diǎn)出料，這樣前后兩塔可以節(jié)省能耗。

3.3進(jìn)料狀態(tài)的優(yōu)化

蒸餾塔的最佳進(jìn)料板位置可以從3個(gè)方面進(jìn)行定義：（1）相同分離要求及板數(shù)下，回流比最小或冷凝器、再沸器熱負(fù)荷最??；（2）相同板數(shù)及回流比下，塔頂和塔釜產(chǎn)品的分離純度最高；（3）相同分離要求和回流比下，所需塔板數(shù)最少。

對(duì)于進(jìn)料位置的優(yōu)化，通常要借助計(jì)算機(jī)軟件，采用靈敏度分析來(lái)進(jìn)行，通常是在可行的進(jìn)料板數(shù)范圍內(nèi)，逐板尋找使熱負(fù)荷最小的塔板作為進(jìn)料板。

4　在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中精餾塔設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題

4.1進(jìn)料板位置的確定

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中化工廠所使用的原料很多都是屬于由多中物質(zhì)組成的混合物，其中各種物質(zhì)的組成含量并不是一成不變的，所以其不確定性對(duì)精餾塔的設(shè)計(jì)會(huì)存在很大的影響，使得在設(shè)計(jì)時(shí)確定的進(jìn)料板位置等會(huì)出現(xiàn)變化，降低產(chǎn)率以及能量的浪費(fèi)。

提供的原料組成中所需精餾物質(zhì)組分含量最大值、最小值以及平均值來(lái)確定出三種進(jìn)料板位置，用以保證精餾塔的工作效率。

4.2回流線位置的確定

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一座精餾塔根據(jù)化工廠的實(shí)際需要其所需精餾的產(chǎn)品可能并不是一成不變的，要想改變精餾產(chǎn)物就必須改變提餾段溫度。

要解決此問(wèn)題一般可采用的辦法是在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)化工廠提供的所需產(chǎn)品的理化形式在計(jì)算確定回流線位置時(shí)設(shè)計(jì)兩到三個(gè)位置即可保證在其他生產(chǎn)條件不變的情況下改變精餾產(chǎn)品。

5　結(jié)語(yǔ)

精餾塔在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都是通過(guò)給定的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算的，僅僅是停留在紙面上的一些理想化的數(shù)據(jù)，而在實(shí)際建造和實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，這些給定出的數(shù)據(jù)往往都不是一成不變的，在這種情況下就需要我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要提前考慮到這些不確定性因素，才能保證所設(shè)計(jì)出的精餾塔能夠在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)發(fā)揮出應(yīng)有的生產(chǎn)能力，保證企業(yè)的連續(xù)化穩(wěn)定生產(chǎn)，而不是拖累生產(chǎn)，增加企業(yè)生產(chǎn)成本的“絆腳石”。

［1］R.K.Sinnott主編，宋旭峰譯；化工設(shè)計(jì)；中國(guó)石化出版社；2009，P390～410.

［2］Douglas J.M.；Conceptual Design of Chemical Process；Weinheim，Germany，2004.

［3］吳俊生，邵惠鶴；精餾設(shè)計(jì)、操作和控制；中國(guó)石化出版社，1997.

［4］陳洪鈁，劉家祺；化工分離過(guò)程；化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

［5］柴誠(chéng)敬，化工原理。北京：高等教育出版社，2010.06

［6］化學(xué)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)，塔的工藝計(jì)算。北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1997

鄭成凱（1985-），男，助理工程師，畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)，現(xiàn)從事裂解碳九深加工裝置管理工作。