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。
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)中較為常見的精餾塔。
精餾塔要完成整個(gè)精餾過程還需要有進(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。
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),通過計(jì)算來確定塔徑、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。
3.1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。
4.1進(jìn)料板位置的確定
在實(shí)際生產(chǎn)過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。
精餾塔在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都是通過給定的數(shù)據(jù)來進(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”。
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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。