淺談精餾塔在實際設計時的注意事項

鄭成凱（天津魯華化工有限公司，天津300270）

淺談精餾塔在實際設計時的注意事項

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行優化設計時需要注意的問題，同時指出了在為實際生產裝置進行精餾塔設計時所需要考慮的一些問題和解決辦法。

精餾塔；優化；實際生產

精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，它是化工企業進行連續化生產的主要生產裝置之一，在化工生產過程中起著十分重要的作用，它決定著一個化工廠生產效率。

1　精餾塔簡介

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

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構簡單、制作維修方便；生產能力大，塔板效率較高；有較高的操作彈性以及制作成本低等特點，成為了化工企業中較為常見的精餾塔。

精餾塔要完成整個精餾過程還需要有進料預熱器、塔底再沸器、塔頂冷凝器等設備進行配合工作。

2　精餾塔的設計

在進行精餾塔設計時，首先需要考慮的是：操作壓力，進料狀況，加熱方式及其熱能的利用等內容；其次要根據化工廠所使用的原料中各類物質的組分含量以及對精餾塔的生產要求進行物料衡算，以確定精餾塔塔板數量和進料板位置；然后再根據所要完成的精餾段的工藝參數及有關的物料性質數據，通過計算來確定塔徑、塔高、塔板溢流裝置和塔板布置等的計算，還要通過篩板的流體力學進行驗算，以確定所設計的精餾塔是否會出現液沫夾帶、漏液和液泛等情況；最后還要對其他輔助設備進行設計計算。

3　精餾塔在設計優化時要注意的問題

3.1理論塔板數與回流比的優化

精餾塔最主要的設備就是塔器（高度L和直徑D），以及兩臺換熱器，其他較小的設備，例如機泵、閥門以及回流罐，很少在概念設計階段就予以考慮，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，對于精餾塔設計經濟核算優化，經常使用比較簡單的目標函數，例如年度總費用，對于塔板數和回流比的優化，都是在固定其他變量的情況下，單獨變化塔板數或者回流比，計算出對應的年度總費用，然后找出使得年度總費用最小的塔板數或回流比。此時，往往需要采用迭代計算，以求出在所有變量的最優解。

3.2進料位置的優化

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

（2）對于塔釜產品占主要比例的蒸餾塔，進料的氣化率對塔頂冷凝器的熱負荷影響較為顯著，隨氣化率的上升，冷凝器的熱負荷以較大的比例增加，與此同時，塔釜再沸器的熱負荷只有中等程度或很小的變化，對于冷凝器處于低溫狀態，使用冷劑的價格較高時，進料為泡點或過冷時，會取得十分顯著的經濟效益。

（3）當蒸餾塔進料來自上游塔的塔頂采出時，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，而不應取泡點出料，這樣前后兩塔可以節省能耗。

3.3進料狀態的優化

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

對于進料位置的優化，通常要借助計算機軟件，采用靈敏度分析來進行，通常是在可行的進料板數范圍內，逐板尋找使熱負荷最小的塔板作為進料板。

4　在實際生產過程中精餾塔設計時要注意的問題

4.1進料板位置的確定

在實際生產過程中化工廠所使用的原料很多都是屬于由多中物質組成的混合物，其中各種物質的組成含量并不是一成不變的，所以其不確定性對精餾塔的設計會存在很大的影響，使得在設計時確定的進料板位置等會出現變化，降低產率以及能量的浪費。

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

4.2回流線位置的確定

在實際生產過程中一座精餾塔根據化工廠的實際需要其所需精餾的產品可能并不是一成不變的，要想改變精餾產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計時可根據化工廠提供的所需產品的理化形式在計算確定回流線位置時設計兩到三個位置即可保證在其他生產條件不變的情況下改變精餾產品。

5　結語

精餾塔在進行設計時都是通過給定的數據來進行分析計算的，僅僅是停留在紙面上的一些理想化的數據，而在實際建造和實際生產時，這些給定出的數據往往都不是一成不變的，在這種情況下就需要我們在進行設計時要提前考慮到這些不確定性因素，才能保證所設計出的精餾塔能夠在實際生產時發揮出應有的生產能力，保證企業的連續化穩定生產，而不是拖累生產，增加企業生產成本的“絆腳石”。

［1］R.K.Sinnott主編，宋旭峰譯；化工設計；中國石化出版社；2009，P390～410.

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

［3］吳俊生，邵惠鶴；精餾設計、操作和控制；中國石化出版社，1997.

［4］陳洪鈁，劉家祺；化工分離過程；化學工業出版社，1995.

［5］柴誠敬，化工原理。北京：高等教育出版社，2010.06

［6］化學工業規劃設計，塔的工藝計算。北京：石油化學工業出版社，1997

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