精馏塔工艺操作影响因素分析

2020-11-17蔡功勋

化工设计通讯 2020年11期

蔡功勋

（江苏凯美普瑞工程技术有限公司，江苏南京 210047）

精馏塔是化工生产中的精馏单元操作设备，主要对混合物进行提纯及分离，是该项处理中的主要设备[1]。精馏塔在工艺实施的过程中，最为重要的是稳定性，这对于生产装置的产品质量、产量、生产能力、环保性、消耗能源等有极大影响。

1 精馏塔概述

按照塔设备中的气液接触构件形式，能够将设备分成两种类型，分别为板式塔、填料塔[2]。板式塔的设计主要是以塔板结构为主，工作原理是气体通过喷射或者鼓泡的形式通过板上的液层，以此来实现热传递，气液两相的组成由此改变为阶梯式，是逐级接触逆流的操作流程。填料塔中含有相对高度的填料层设计，液体从塔顶处沿着填料的表面向下流动，气体则会逆流向上运动，从而实现气液的接触，进一步实现热传递。气液的构成形式会沿着塔的高度发生连续的改变，是微分接触的操作类型。蒸馏作为液体混合物分离及提纯中的方式之一，对于传质过程而言，是最为关键的单元操作。

蒸馏是溶液中各组分蒸汽压存在差异，即各个组分在相同温度及压力下，存在有不同的沸点或者是挥发性能，蒸馏便是利用这一差异实现液体混合物的分离[3]。比如，甲醇沸点较水更低，那么甲醇存在的挥发性就要比水更强，因此甲醇比较容易实现液相汽化[4]。在甲醇蒸馏中若是对汽化蒸汽完全冷凝，就能够得到更高品质的甲醇产品，通过多次蒸馏能够实现甲醇和水的再次分离，在多次实施分离的过程中，其中汽化的这一部分在冷凝之后，最终能够从气相中得到品质更高的组分，而在液相中则能够得到更难以挥发的组分，这便是精馏操作过程。在目前精馏塔的应用过程中，多数作业都是针对新型精馏塔设备开发及研究。精馏塔在工艺操作中物料平衡、精馏工况、回流比、塔温、塔压精馏组配比划分问题等，都与精馏塔操作稳定有着直接的影响，同时这些问题对于产品设计及成型也都有着重大关系。

2 精馏塔工艺操作影响因素分析

2.1 物料平衡关系影响

精馏塔操作过程中，物料平衡是其中三个主要的平衡之一，是精馏塔宏观控制的因素，实际操作中，精馏塔系统的物料平衡主要遵循两个关系式，分别为物料总平衡：F=D+W；轻组分：FXF=DXD+WXW。根据这两个关系式，给定原料液，设置F、XF值，就能够将XW、XD确认，进而就能够得到塔釜残留液的流量W 和塔顶流出液流量D。综合两个关系式进行求解，能够得出以下计算：

根据这一计算式能够明确，对于塔釜残留液量W、进塔原料流量F、塔顶馏出液流量D 要进行合理的确认，不能随意进行增减，否则容易导致进出塔的组分出现不平衡，进而会导致塔内的构成部分发生变化，诱使操作波动出现，操作工艺也无法达成理想分离效果。其次，在精馏塔操作的过程中，对于塔底产品和塔顶产品的稳定要提供保障，保持精馏装置物料平衡，这是达成操作稳定的必须条件。通常来说，通过塔底液对物料平衡进行相应的控制。

2.2 回流比产生的影响

在精馏段操作过程中，会用回流比进行产品质量的调节和控制，对于精馏塔生产产品质量以及分离效果有着直接影响。因此使回流量改变，是精馏塔操作中有效的手段之一。精馏塔中的回流比相关关系式有以下几种：

通过对上述几个公式的综合，能够得到以下计算列式：

通过关系式的综合，能够明确在回流比逐渐加大的情况下，需求理论板数也会随之减少，对于完成回流比确定的精馏塔，在产品质量上会有所提升。回流比逐渐减小的情况下，需求理论板数则会发生相应提升，对于已经确认回流比的精馏塔而言，XD逐渐缩减的过程中，XW会逐渐增大，进而导致分离提纯的效果无法达成预期。回流量不断增加过程中，会伴随着塔压差不断提升，塔顶位置的生产纯度也随之提升，而回流量不断减少也会伴随塔压差不断变小，进而使塔顶位置生产纯度劣化。此外，回流比不断提升的过程中，会逐渐提升塔中的气液循环量，加热蒸汽量以及冷剂量也会不断地增大，回流比过大的情况下，会促使淹塔问题发生，对塔正常操作都会造成破坏作用。

日常进行回流比合理调节具有以下方式：提升回流比可以选择缩减塔顶采出量来实现；当塔顶冷凝器使用的是分凝气时，可以提升塔顶冷剂的使用量，以此提升凝液量，促使回流比增大；回流比的提升也可通过增大回流液储槽强制回流来实现，但该方法只能短时间应用，同时回流储槽中不能完全空余。在进行回流比提升的操作过程中，采出率达成 D/F 相关要求的情况下，不能有效保证回流比的有效提升，同时提升操作回流液也会增加冷凝量和蒸发量，此类数值也会受到冷凝器、塔釜传热面限制，所以提升回流比的方法存在一定争议。

2.3 进料工况产生的影响

在实际生产过程中，当精馏塔中进料量出现变化，对于冷凝剂和加热剂的配比需要进行一定调整，但对于塔釜及塔顶的温度影响并不直接，只会降低蒸汽上升速度。在进料量出现增大的情况下，上升气流的速度与液泛较为接近时，具有良好的传质效果，当比液泛速度更大时就会破坏精馏塔常规操作；在进料量出现降低的情况下，气流的速度越低，对于传质效果越不利，严重情况下还会导致漏液现象发生，进而降低分离效率。在实际生产过程中，进料量改变范围在塔顶冷凝器与塔釜再沸器的荷载功率以上时，温度发生变化能够使气液平衡组成发生一定改变，进而导致塔底和塔顶产品质量无法达成要求，同时会提升物料损失。

其次，进料组成对于精馏塔操作也会产生一定影响。在原料易挥发组分含量提升时，提馏段所需要的塔板数量也会因此增加。所以塔板数量固定时，提馏段负荷会因此提升，釜液存在易挥发组分含量也会由此提升，导致原料损失提升，对于总物料平衡变化也会产生影响，塔温度在不断下降的情况下，塔压差会逐渐提升；当原料中难以挥发的组分含量提升时，上述现象也会倒置；进料组分改变时，可以使进料口上移并减轻组成质量，或者改变回流比，将组成质量减轻，对回流比缩减，再或者对冷凝剂及加热剂数量进行调整，使产品的质量保持一致。

最后，进料热状态对于精馏塔操作也会产生影响，精馏段和提馏段的操作线焦点可通过对这两端的关系式计算，进而能够得到：。在生产中如果其他条件是一定的，仅仅有进料热状况发生相应改变，也会导致式中的q 发生变化，进而导致精馏段及提馏段操作线交点发生位移，使加料板位置发生较大改变。上述条件会导致两端塔板数发生改变，进料板在固定的情况下，进料热状态发生改变，会导致产品质量发生极大的变化。进料状况发生改变，需要对进料位置做适当改变，同时对回流比进行适当调整。通常精馏塔会进行数个进料位置设置，以此来适应生产中的进料状况，为精馏塔于适宜位置实施进料提供便利。若是进料状态出现变化，而进料位置一定，会导致釜残液和馏出液的组成发生改变。进料状况对精馏塔操作意义十分重大，在进料状态不同的情况下，对于提馏段回流量及塔内气液平衡均能造成直接影响。理想状态下泡点进料最为经济、实用。

2.4 塔釜温度造成的影响

塔釜温度主要由物料构成、釜压所决定，在精馏塔操作过程中，塔釜温度保持恒定才能使产品质量得到保证。所以，塔釜温度是精馏操作过程中，较为重要的控制指标。在进行塔釜温度提升的过程中，要减少塔中液相易挥发组分，同时提升上升蒸汽速度，最终使传质效率得到有效提高。若是塔顶得出产品，塔釜有不易挥发物的排出物排除，会减少易挥发组分，减少相应的损失；若是塔釜排除物是产品，能够使产品质量得到提升，不过塔顶也会增大易挥发组分的排除，以此使损失增大。进行温度提升的过程中，要重视对产品质量的影响，同时要兼顾工艺损失。通常状况下，精馏塔操作中对温度调整，促使产品质量提高，减小工艺损失问题。在釜温发生改变时，一般会改变蒸发釜加热蒸汽量，以此使塔釜温度恢复到正常状况。在釜温比常规操作值小的情况下，需要提升蒸汽用量，以此促使釜液汽化量提高，促使釜液重组分含量得到一定提升，进而提升釜温及泡点。在釜温较之常规操作值更低的情况下，要进行蒸汽量减少，以此使釜液汽化量降低，提升釜液轻组分总体含量，最终降低釜温及泡点。

2.5 塔压造成的影响

精馏塔操作压力改变时，会导致气液平衡关系发生改变，压力提升的情况下，组分之间相对挥发度也会随之降低，平衡线和角线较为靠近，分离的效率会降低，压力降低则情况相反。在压力提升的情况下，气相中含有的易挥发的组分也会减少，同时会将气液密度比改变，降低气相量，馏出物易挥发组分在浓度上也会因此增大，使产品产量减小。残液中易挥发组分增加的情况下，会导致残液量由此提升。压力提升使气相量减小，冷剂量也会相应减少，从而使精馏塔温度提升。气液相组成和温度有着密切的对应关系，在进行精馏生产的过程中，温度也是对产品质量进行衡量的重要标准。在塔压发生变化的过程中，混合物泡露点改变，会使精馏塔整体温度改变。在塔压提升的情况下，气相密度会因此增加，但是气相会因此减小，从而使塔处理量提升。