精馏塔的安全运行分析正式版

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式版
精馏塔的安全运行分析正式版
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精馏是气液两相间的热量传递过程，与相平衡密切相关，而对于双组分两相体系，操作温度、操作压力可以独立变化，所以当要求获得指定组成的蒸馏产品时，操作温度与操作压力也就确定了。

因此，工业精馏常通过控制温度和压力来控制蒸馏过程。

一、灵敏板的确定
在总压一定的条件下，精馏塔内务块板上的物料组成与温度一一对应。

当板上的物料组成发生变化时，其温度也就随之起变化。

当精馏过程受到外界干扰(或承受
调节作用)时，塔内不同塔板处的物料组成将发生变化，其相应的温度亦将改变。

其中，塔内某些塔板处的温度对外界干扰的反应特别明显，即当操作条件发生变化时，这些塔板上的温度将发生显著变化，这种塔板称之为灵敏板，一般取温度变化最大的那块板为灵敏板。

精馏生产中由于物料不平衡或是塔的分离能力不够等原因造成的产品不合格现象，都可及早通过灵敏板温度变化情况得到预测，从而可及早发出信号使调节系统能及时加以调节，以保证精馏产品的合格。

二、精馏塔的温度控制
精馏塔通过灵敏板进行温度控制的方
法大致有以下几种。

(1)精馏段温控灵敏板取在精馏段的某层塔板处，称为精馏段温控。

适用于对塔顶产品质量要求高或是气相进料的场合。

调节手段是根据灵敏板温度，适当调节回流比。

例如，灵敏板温度升高时，则反映塔顶产品组成tn下降，故此时发出信号适当增大回流比，使xD上升至合格值时，灵敏板温度降至规定值。

(2)提馏段温控灵敏板取在提馏段的某层塔板处，称为提馏段温控。

适用于对塔底产品要求高的场合或是液相进料时，其采用的调节手段是根据灵敏板温度，适当调节再沸器加热量。

例如，当灵敏板温度下降时，则反映釜底液相组成xw
变大，釜底产品不合格，故发出信号适当增大再沸器的加热量，使釜温上升，以便保持Xw的规定值。

(3)温差控制当原料液中各组成的沸点相近，而对产品的纯度要求又较高时，不宜采用一般的温控方法，而应采用温差控制方法。

温差控制是根据两板的温度变化总是比单一板上的温度变化范围要相对大得多的原理来设计的，采用此法易于保证产品纯度，又利于仪表的选择和使用。

三、精馏塔的压力控制
压力也是影响精馏操作的重要因素。

精馏塔的操作压力是由设计者根据工艺要求，经济效益等综合论证后确定的，生产
运行中不能随意变动。

塔内压力波动对精馏操作主要影响如下。

(1)操作压力波动，将使每块塔板上气液平衡关系发生变化。

压力升高，气相中难挥发组分减少，易挥发组分浓度增加，液相中易挥发组分浓度也增加；同时，压力升高后汽化困难，液相量增加，气相量减少，塔内气、液相负荷发生了变化。

其总的结果是，塔顶馏出液中易挥发组分浓度增加，但产量减少；釜液中易挥发组分浓度增加，釜液量也增加。

严重时会造成塔内的物料平衡被破坏，影响精馏的正常进行。

(2)操作压力增加，组分间的相对挥发度降低，塔板提浓能力下降，分离效率下
降。

但压力增加，组分的密度增加，塔的处理能力增加。

(3)塔压的波动还将引起温度和组成间对应关系的变化。

可见，塔的操作压力变化将改变整个塔的操作状况。

因此，生产运行中应尽量维持操作压力基本恒定。

四、精馏过程的热平衡控制
石油和化学工业中能耗最大者为分离操作，其中又以精馏的能耗居首位，精馏又是化工生产中广泛使用的单元操作。

精馏装置的能耗主要由塔底再沸器中的加热剂和塔顶冷凝器中冷却介质的消耗量所决定，两者用量可以通过对精馏塔进行热量衡算得出。

按图10—8的虚线范围内以单位时间为基准，作全塔热量衡算。

(1)加热蒸汽带人的热量Qh，kJ／h
Qh＝Wh(J—i)
式中 Wh
——加热蒸汽消耗量，kg／L；
J——加热蒸汽的焓，kJ／h；
i——冷凝水的焓，kJ／h。

(2)原料带入的焓QF，kJ／h引项焓值与进料热状况有关。

如，原料为液体
(q≥1)时，QF＝FcF
tF
式中 F--原料液的质量流量，kg／h；
cF——原料液的比热容，kJ／(kg•℃)；
tF——原料液的温度，℃。

(3)回流液带人的焓QR，kJ／h
QR=DRCRtR
式中 D——馏出液的质量流量，kg ／h；
R 回流比；
CR——回流液的比热容，kJ／(kg•℃)；
tR——回流液的温度，℃。

(4)塔顶蒸汽带出的焓Qv，kJ／h
Qv＝D(R+1)IV
式中 Iv——塔顶上升蒸汽的焓，kJ ／kgo•
(5)再沸器内残液带出的焓Qw，kJ／h
Qw=Wcwtw
式中 W——残液的质量流量，kg／h；
Cw——残液的比热容，kJ／(kg•℃)；
tw——残液的温度，℃。

(6)损失于周围的热量Qπ，kJ／h
由式(10—13)可见，若原料液经过预热后使其带人的热量增加，则再沸器内加热剂的消耗量将减少。

至于塔顶冷凝器中冷却介质的用量可通过对冷凝器的热量衡算出。

精馏过程中，除再沸器和冷凝器应严格符合热量平衡外，还必须注意整as个精
馏系统的热量平衡，即由精馏塔与这些换热器等组成的精馏系统是一个有机结合的整体。

因此，塔内某个参数的变化必然会反映到再沸器和冷凝器中。

(1)中间冷凝器和中间再沸器普通精馏塔只在塔顶和塔底对塔内物料进行冷凝和蒸发，在一座精馏塔内温度自塔顶向塔底是逐渐升高的。

对于顶温低于环境温度、底温高于环境温度，而且顶、底温差较大的精馏塔，如能在精馏段设置中间冷凝器就可用此塔顶冷凝器温度稍高而价格较高的低温制冷剂来提供冷量，从而节省有效能，如图10—9所示。

同理，如果在提馏段设置中间再沸器，就可用温度比塔底再沸器稍低而价格较廉的热剂为热源，
达到节能的目的。

在深冷分离塔中，则可以回收温位较低的冷量。

(2)多效精馏多效精馏是仿照多效蒸发的原理，如图10—10所示。

把一个精馏塔分成压力不同的多个塔，每个塔称为一效，前一效的压力高于后一效，并且维持相邻两效之间的压力差，足以使前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液体的沸腾温度。

各效分别进料。

第一效精馏塔用外来热剂或水蒸气加热，而第一效的塔顶蒸汽进入第二效的塔釜作为热剂并同时冷凝成塔顶产品Dl。

同理，在其他各效中均用前一效塔顶蒸汽加热后一效塔釜液体，并在后一效塔釜液体吸热沸腾的同时，又使前一效塔顶蒸汽冷凝为产品……直到最后一效，塔
顶蒸汽才需要用外来冷剂进行冷凝成产品。

(3)热泵精馏热泵系统实质上是一个制冷系统，主要设备为压缩机和膨胀器。

热泵精馏流程见图10—11。

图中所示热泵系统的工作原理为：工作介质经压缩后在较高露点下冷凝，放出的热量供再沸器中的物料汽化；被液化的工作介质经过膨胀，在低压下汽化，汽化时需要吸收热量将塔顶冷凝器的热量移去。

通过压缩机和膨胀阀的作用致使工质冷凝和汽化，将塔顶的低温位热送到塔底高温位处利用，整个系统因而得名热泵。

热泵系统中压缩机消耗的能量，是惟一由外界提供的能量，它比再沸器直接加热所消耗的能量少得多，一般只相当于后者的20％～40％。

如果被分离的物料本身可以作为热泵的工作介质，可进一步提高热泵精馏的效益，如图10—12和图10—13所示的两种流程。

图10—12为再沸液闪蒸的热泵系统，此系统中省去了再沸器，从塔底出来的液体经节流减压在塔顶冷凝器中汽化，再经压缩升温作为塔底上升蒸汽使用。

图10—13为蒸汽再压缩的热泵系统，此系统省去了塔顶冷凝器，塔顶蒸汽经压缩后在再沸器中冷凝，冷凝液经节流降温再回流到塔内。

由于压缩机、电能等的限制以及具体工艺条件的不同，致使不同物系采用热泵精馏的效益差别甚大，所以并非任何精馏过程都能采用热泵进行节能。

通常对于下列几种系统较为合适：①塔顶与塔釜间温差小的系统；②塔内压降较小的系统；③被分离物系的组分间因沸点相近而难以分离，必须采用较大回流比，从而消耗热能较大的系统；④低温精馏过程需要制冷设备的系统。

热泵精馏是靠消耗一定量机械能达到低温热能再利用的，因此消耗单位机械能回收的热能是一项重要的经济指标。

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