填料塔的操作.doc

填料塔的操作.doc

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填料塔的操作是从物料平衡、热量平衡、相平衡及填料塔性能等几个方面考虑，通过控制系统建立并调节塔的操作条件，使填料塔满足分离要求。

控制系统可采用手动、一般自动化仪表或智能计算机操作。

（一）、控制参数I

图中表示了塔操作控制的典型参数，其中6个流量参数：

进料量、塔顶和塔釜产品流量、冷凝量、蒸发量和回流量。

除流量参数外，还有压力、塔釜液位、回流罐液位、塔顶产品组成和塔釜产品组成等参数。

精馏塔常用控制参数

压力和液位控制是为了建立塔稳态操作条件，液位恒定阻止了液体累积，压力恒定阻止了气体累积。

对于一个连续系统，若不阻止累积就不可能取得稳态操作，也就不可能稳定。

压力是精馏操作的主要控制参数，压力除影响气体累积外,还影响冷凝、蒸发、温度、组成、相对挥发度等塔内发生的几乎所有过程。

产品组成控制可以直接使用产品组成测定值,也可以采用代表产品组成的物性，如密度、蒸气压等。

最常用的是采用灵敏点温度。

（二）、填料塔操作瓶颈及解决方法

任何一个设计都不可能把装置中的每个设备及每个设备中的每个部分设计在同一最大负荷百分数下操作,而许多工厂则希望采取各种手段使装置生产能力达到最大,这就使装置中的至少一个部分成为操作瓶颈,填料塔操作中,填料塔的任一部分、塔顶冷凝器、塔釜再沸器等都可能成为操作瓶颈,这里所指的瓶颈是指装置已达到设计负荷需进一步提高分离效率和生产能力,而装置中的某一设备或某一设备的某一部分限制了生产能力和分离效率的提高。

1、填料塔为操作瓶颈

填料塔在设计气液负荷范围内操作可取得所需的分离效率,超过此负荷范围,会导致分离效率下降、压降升高泛塔等现象,多数情况下填料塔操作提高处理能力和分离效率的瓶颈是填料塔本身。

（1）填料塔处理能力的提高

①增、降压操作

若设备及工艺条件允许,适当增、降塔压是提高填料塔处理能力的最好办法。

在常压附近,提高压力可使处理量提高,低压、相对挥发度高及相对挥发度随压力变化不大时,增压操作对处理量提高最大。

压力较高,有时降低压力可提高处理能力,在高压、相对挥发度低及相对挥发度随压力升高而降低很大的场合,降压操作处理量提高较大。

②进料的预热

填料塔进料以上填料段和进料以下填料段通常并不是在同一泛点百分数下操作,普通精馏通常为泡点进料,若将进料预热或预冷,可以使塔的上下段负荷发生变化,若进料段以下为操作瓶颈,热进料可降低塔釜热负荷和下段气液相负荷,代价为上段气液相负荷有所增加。

相反,若上段为瓶颈,冷进料降低了上段的气液相负荷,代价是下段填料负荷有所增加。

这种方法提高幅度通常较小,但对进料以下气液比很大的场合,这种方法调节幅度较大,这时对塔的效率影响也大。

过热进料影响上段的分离效率,过冷进料影响下段的分离效率,一般认为过冷进料对塔本身的分离效率影响不大,只有一块理论板,但对高效填料塔影响会超过此值,对于液气比很高的场合影响也会超过此值。

过冷进料提高进料以上段的处理能力是以降低进料以下段的分离效率为代价的。

液相过热进料对塔体本身的分离效率影响很小,气相过热进料降低了进料以上段的分离效率。

③增加操作的稳定性

填料塔阻力小,持液量低,耐波动性能差。

填料塔在接近上限负荷操作,很小的波动就会使。

塔超过负荷上限,效率下降,一旦效率下降,很难恢复,特别是理论级数多的塔,平衡时间很长,为了能够使填料塔在上限操作,稳定操作,减少外界条件变化至关重要,好的控制系统起很大作用,增强填料塔的操作稳定性,一般可提高5%~10%的处理能力。

④降低回收率

提高生产能力的另一办法是降低回流比,使回收率下降,这种方法虽不提倡,但工厂在生产能力受限制时或多或少的不自觉地采用了。

回收率降到某一数值后,继续降低收率提高处理能力,不再经济。

因为收率再降低,产品的生产能力也不再提高。

采取以上措施应注意各液体分布器的操作弹性。

（2）填料塔分离效率的提高

工厂经常会提出提高分离效率,以提高产品质量和收率的要求。

与提高处理能力类似,可采用以下方法。

①增加回流

一个塔的分离效率一定,若不在最大负荷下操作,提高分离效率的最简单方法是增大回流比。

②增、降压操作

前已叙述,一般物系压力上升,相对挥发度减小,降压操作可增大物系的相对挥发度,因此若填料塔不在最大负荷下操作,可适当降压操作,提高分离效率;若填料塔已在最大负荷下操作,可适当增压并增加回流比操作。

③进料的预冷、预热

为了提高塔上段的分离效率,可采用预冷进料；相反,为了提高塔下段的分离效率可采用预热进料。

④增强塔操作的稳定性

增强塔操作的稳定性同样可以提高塔的分离效率,如图2所示,产品中杂质含量低意味着需要较高的分离效率,稳定操作时需要的分离级数较少。

从能耗角度看,稳定操作能耗最少。

⑤降低收率

减小产品采出量,使产品质量提高,但收率降低。

操作稳定性对产品质量的影响

2、塔顶冷凝器为操作瓶颈

塔顶冷凝器在操作后期经常会成为操作瓶颈,可采用以下措施:

（1）提高操作压力。

压力升高塔顶温度提高,换热温差加大。

（2）降低进料温度。

进料温度降低,进料以下内回流加大,从而减少上升蒸气量,减少塔顶热负荷。

3、塔釜再沸器为操作瓶颈;

塔釜再沸器为操作瓶颈可采取以下措施解决:

（1）降低操作压力。

压力降低,塔釜温度降低,换热温差加大,加热量增加。

（2）提高进料温度。

进料温度提高,减少进料以下的内回流,从而减少了所需加热量。

五、填料塔常见故障诊断与处理

填料塔达不到设计指标统称为故障。

填料塔的故障可由一个因素引起,也可能同时由多个因素引起,一旦出现故障,工厂总是希望尽快找出故障原因,以最少的费用尽快解决问题。

故障诊断者应对塔及其附属设备的设计及有关方面的知识有很深的了解,了解得越多,故障诊断越容易。

故障诊断应从最简单最明显处着手,可遵循以下步骤:

若故障严重,涉及安全、环保或不能维持生产,应立即停车,分析、处理故障。

若故障不严重,应在尽量减少对安全、环境及利润损害的前提下继续运行。

在运行过程中取得数据及一些特征现象,在不影响生产的前提下,做一些操作变动,以取得更多的数据和特征现象。

如有可能还可进行全回流操作,为故障分析提供分析数据。

分析塔过去的操作数据,或与同类装置相比较,从中找出相同与不同点。

若塔操作由好变坏,找出变化时间及变化前后的差异,从而找出原因。

l故障诊断不要只限于塔本身,塔的上游装置及附属设备,如泵、换热器以及管道等都应在分析范畴内。

l仪表读数及分析数据错误可能导致塔的不良操作。

每当故障出现,首先对仪表读数及分析数据进行交*分析,特别要进行物料平衡,热量平衡及相平衡分析,以确定其准确性。

l有些故障是由于设计不当引起的。

对设计引起故障的检查应首先检查图纸,看是否有明显失误之处,分析此失误是否为发生故障的原因;其次,要进行流体力学核算,核算某处是否有超过上限操作的情况;此外,还需对实际操作传质进行模拟计算,检查实际传质效率的高低。

精馏操作基本知识

1、何为相和相平衡：

答：

相就是指在系统中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分，不同相之间往往有一个相界面，把不同的相分别开。

系统中相数的多少与物质的数量无关。

如水和冰混合在一起，水为液相，冰为固相。

一般情况下，物料在精馏塔内是气、液两相。

在一定的温度和压力下，如果物料系统中存在两个或两个以上的相，物料在各相的相对量以及物料中各组分在各个相中的浓度不随时间变化，我们称系统处于平衡状态。

平衡时，物质还是在不停地运动，但是，各个相的量和各组分在各项的浓度不随时间变化，当条件改变时，将建立起新的相平衡，因此相平衡是运动的、相对的，而不是静止的、绝对的。

比如：

在精馏系统中，精馏塔板上温度较高的气体和温度较低的液体相互接触时，要进行传热、传质，其结果是气体部分冷凝，形成的液相中高沸点组分的浓度不断增加。

塔板上的液体部分气化，形成的气相中低沸点组分的浓度不断增加。

但是这个传热、传质过程并不是无止境的，当气液两相达到平衡时，其各组分的两相的组成就不再随时间变化了。

2、何为饱和蒸汽压？

答：

在一定的温度下，与同种物质的液态（或固态）处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压，它随温度的升高而增加。

众所周知，放在杯子里的水，会因不断蒸发变得愈来愈少。

如果把纯水放在一个密闭容器里，并抽走上方的空气，当水不断蒸发时，水面上方气相的压力，即水的蒸汽所具有的压力就不断增加。

但是，当温度一定时，气相压力最中将稳定在一个固定的数值上，这时的压力称为水在该温度下的饱和蒸汽压。

应当注意的是，当气相压力的数值达到饱和蒸汽压力的数值是，液相的水分子仍然不断地气化，气相中的水分子也不断地冷凝成液体，只是由于水的气化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液体量才没有减少，气体量也没有增加，气体和液体达到平衡状态。

所以，液态纯物质蒸汽所具有的压力为其饱和蒸汽压时，气液两相即达到了相平衡。

3、何为精馏，精馏的原理是什么？

答：

把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程称为精馏。

为什么把液体混合物进行多次部分汽化同时又多次部分冷凝，就能分离为纯或比较纯的组分呢？

对于一次汽化，冷凝来说，由于液体混合物中所含的组分的沸点不同，当其在一定温度下部分汽化时，因低沸点物易于气化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高。

这就改变了气液两相的组成。

当对部分汽化所得蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而为冷凝气中低沸点物的浓度比冷凝液中要高。

这样经过一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到了初步分离。

如果多次的这样进行下去，将最终在液相中留下的基本上是高沸点的组分，在气相中留下的基本上是低沸点的组分。

由此可见，多次部分汽化和多次部分冷凝同时进行，就可以将混合物分离为纯或比较纯的组分。

液体气化要吸收热量，气体冷凝要放出热量。

为了合理的利用热量，我们可以把气体冷凝时放出的热量供给液体气化时使用，也就是使气液两相直接接触，在传热同时进行传质。

为了满足这一要求，在实践中，这种多次部分汽化伴随多次部分冷凝的过程是逆流作用的板式设备中进行的。

所谓逆流，就是因液体受热而产生的温度较高的气体，自下而上地同塔顶因冷凝而产生的温度较低的回流液体（富含低沸点组分）作逆向流动。

塔内所发生的传热传质过程如下1）气液两相进行热的交换，利用部分汽化所得气体混合物中的热来加热部分冷凝所得的液体混合物；2）气液两相在热交换的同时进行质的交换。

温度较低的液体混合物被温度较高的气体混合物加热二部分汽化。

此时，因挥发能力的差异（低沸点物挥发能力强，高沸点物挥发能力差），低沸点物比高沸点物挥发多，结果表现为低沸点组分从液相转为气相，气相中易挥发组分增浓；同理，温度较高的气相混合物，因加热了温度较低的液体混合物，而使自己部分冷凝，同样因为挥发能力的差异，使高沸点组分从气相转为液相，液相中难挥发组分增浓。

精馏塔是由若干塔板组成的，塔的最上部称为塔顶，塔的最下部称为塔釜。

塔内的一块塔盘只进行一次部分汽化和部分冷凝，塔盘数愈多，部分汽化和部分冷凝的次数愈多，分离效果愈好。

通过整个精馏过程，最终由塔顶得到高纯度的易挥发组分，塔釜得到的基本上是难挥发的组分。

4、什么是露点？

答：

把气体混合物在压力不变的条件下降温冷却，当冷却到某一温度时，产生的第一个微小的液滴，此温度叫做该混合物在指定压力下的露点温度，简称露点。

处于露点温度下的气体称为饱和气体。

从精馏塔顶蒸出的气体温度，就是处在露点温度下。

值得注意的是：

第一个野地不是纯组分，塔时露点温度下与气相平衡的液相，其组成有相平衡关系决定。

由此可见，不同组成的气体混合物，塔的露点是不同的。

5、什么是泡点？

答：

液体混合物在一定压力下加热到某一温度时，液体中出现的第一个很小的气泡，即刚开始沸腾时的温度叫该液体在指定压力下的泡点温度，简称泡点。

处于泡点温度下的液体称为饱和液体，即精馏塔的釜温温度。

应该说明，这第一个很小的气泡，也不是纯组分，它的组成也是有相平衡关系决定的。

6、什么是沸点？

答：

当纯液体物质的饱和蒸汽压等于外压时，液体就会沸腾，此时的温度叫做该液体在指定压力下的沸点。

纯物质的沸点是随外界压力的变化而改变的。

当外界压力增大时，沸点升高，外界压力降低时，沸点降低。

对于纯物质来说，在一定压力下，泡点、露点、沸点均为一个数值。

7什么是潜热？

答：

单位重量的纯物质在相变（在没有化学反应的条件下，物质发生了相态的改变，称相变。

如水结成冰或水汽化成水蒸气等成为相变过程。

）过程吸收或放出的热叫潜热。

如1公斤水由液态受热变成水蒸气的过程中所吸收的热叫水的汽化潜热，常用单位为千卡/公斤。

值得注意的是，在相变时温度和压力都是不变的，否则不能称之为潜热。

因此，在说潜热数值时，要说明在什么温度什么压力下，进行何种相变过程。

如1公斤水在760毫米汞柱压力，100摄氏度下汽化，汽化潜热为539.6千卡。

相反，在此条件下，水蒸汽冷凝释放出来的热，称为冷凝潜热，数值与上相等。

混合物的潜热可以实测或计算，其数值的大小除了和组分的性质有关外，还和组分的含量有关，不是一个固定的数值。

8、什么是显热？

答：

纯物质在不发生相变和化学反应的条件下，因温度的改变而吸收或放出的热量叫显热。

9什么是回流比

答：

在精馏过程中，混合液加热后所产生的蒸汽由塔顶蒸出，进入塔顶冷凝器。

蒸汽在此冷凝（或部分冷凝）成液体，将其一部分冷凝液返回塔顶沿塔板下流，这部分液体叫做回流液；将另一部分冷凝液（或未凝蒸汽）从塔顶采出，作为产品。

回流比就是回流液量与采出量的重量比，通常以通常以R来表示，即

R=L/D

式中R-回流比

L-单位时间内塔顶回流液体量，公斤/小时。

D-单位时间内塔顶采储量，公斤/小时。

10、什么是最小回流比？

答：

在规定的分离精度要求下，即塔顶、塔釜采出的组成一定时，逐渐减少回流比，此时所谓的理论板数逐渐增加。

当回流比减少到某一数值时，所需的理论板数增加至无数多，这个回流比的数值，成为完成该项预定分离任务的最小回流比。

通常操作时的实际回流比取为最小回流比的1.3～2倍。