分馏系统基础知识
分馏系统基础知识
分馏系统的主要任务是把油气混合物按沸点范围分割为气体、轻石脑油、重石脑油、航煤馏分油、柴油、尾油等馏分，并保证各馏分的质量符合规定的要求。此外还要用回流热和馏分的余热把原料油或其它低温介质预热到较高的温度。1.1 蒸馏过程原理
1、蒸馏原理
在原油中分离出石油产品的方法有多种，最常用的方法是蒸馏。蒸馏是把完全互溶而沸点不同的液体混合物分离开的一种物理过程，或者说蒸馏是利用液态混合物各组分挥发性或沸点的不同，来分离这一组分的方法。蒸馏是在蒸馏塔内进行的，从塔的中间抽出的沸点介于两者之间的馏分称为侧线馏分，所得到的冷凝液叫馏出物，将馏出物按不同沸点范围分别收集叫分馏。蒸馏时把液体混合物加热汽化，当加热到一定温度使之部分汽化为蒸汽时，蒸汽中低沸点组分的含量要比剩余液体中的含量多，而高沸点组分的含量比液体中少。这是因为低沸点组分比高沸点组分容易汽化，而高沸点组分比低沸点组分容易冷凝，蒸馏就是根据这一规律把混合物分开。
蒸馏过程是把液体混合物加热使之部分汽化，并将产生的含轻组分较多的气体引出，使之与含重组分较多的液体分开，再把气体冷凝为液体，从而使原来的混合物分为较轻和较重的两部分。蒸馏过程包含有加热、汽化、分离和冷凝等几个环节，而主要环节为汽化和冷凝。在蒸馏过程中，当气体未被引出前与液体处于某一相同温度、压力下，并且相互密切接触，同时气相和液相的相对量以及组分在两相中的浓度都不在变化，称为达到了相平衡（气-液相平衡）。处于相平衡的气体和液体分别称为饱和气体和饱和液体。处于某温度下的相平衡体系，如果温度再升高一些，液体就多汽化一些，而其中轻组分较重组分要气化的多一些，此时又建立了一个新的气-液相平衡。相反，如果温度降低，则气体就冷凝，且重组分较轻组分冷凝的多些，此时又建立了一个新的气-液相平衡。
液体混合物在加热后产生的气体和液体一直保持相平衡接触，待加热到一定温度直至达到要求的汽化率时，气液两相一次分离，称为一次汽化（或平衡汽化）。如果把混合气体进行部分冷凝所得到的液体和剩余的气体保持相平衡接触状态
直到混合物冷凝到一定温度时，才将冷凝液体与剩余气体分离，这种分离过程叫一次冷凝（或称平衡冷凝）。一次冷凝和一次汽化互为相反过程。在汽化过程中，如果随时将汽化出的气体与液体分离称为渐次汽化。随着温度的升高，液体混合物中轻组分的浓度不断减小，重组分的浓度不断增大。在冷凝过程中，如果随时将冷凝下来的液体与气体混合物分离，这种冷凝过程叫渐次冷凝。随着气体温度的下降，气体混合物中重组分的浓度会不断减少，轻组分的浓度就不断增大。渐次汽化与渐次冷凝互为相反过程。
2、精馏过程
混合物能够用分馏的方法进行分离的根本原因是由于混合物中各组分的沸点不同。由于石油各组分的沸点不同，在冷凝时重组分优先冷凝，在受热时轻组分优先汽化，这就是分馏的基本依据。一次汽化和渐次汽化对混合物能起到一定的分离作用，但难以分离精确。一次汽化分离精度不高；渐次汽化虽然可得到较纯的重组分，但是数量很少，又不能连续生产。因此必须采用精馏的方法，即多次的同时利用汽化和冷凝的方法来分离混合物，所用的设备为精馏塔（也称分馏塔），一个完整的精馏塔包括三个部分，即精馏段、提馏段和进料段。
气相混合物在精馏段逐渐降温冷凝，气体降温冷凝为液体要放出冷凝潜热，这部分热量要通过塔顶和中段回流取走，并使用回流所含的轻组分加热汽化为气相。分馏塔内有多层塔板，塔板数的多少决定于分馏精度。在塔板上由于气相和液相之间存在温度差和浓度差，气相和液相之间要发生传质和传热。冷凝下来的重组分被转移到回流液相中，汽化的轻组分转移到上升的气相中，这种现象称为传质。气液两相经过多层塔板，每层塔板上建立气液平衡，上升的气相温度不断降低，其中轻组分的含量不断增加；下降液相中温度不断升高，其中轻组分的浓度逐渐减少，最终达到轻重组分的分离。根据需要可以从塔的侧线分出轻重不同的馏分。精馏过程的实质是：不平衡的气液两相，经过热交换，气相多次部分冷凝与液相多次部分汽化相结合的过程。也可认为是不平衡的气液两相，在逆流多次接触中，多次交换轻重组分的过程。
混合物中各组分存在着汽化能力（挥发度）的差别，是使用精馏方法将各组分分离的根本依据。精馏过程必须具备以下条件：气液两相必须充分接触，精馏塔内装有多层塔板就是提供气液充分接触的条件，气液两相在塔板上达到分离的极限是两相达到平衡；气液相接触时，上升的高温气相中轻组分的浓度要高于平衡浓度，而下降的低温液相中轻组分浓度要低于平衡浓度，由于气液两相平衡，并存在温度差，才发生传热和传质过程起到精馏作用。
回流主要是提供液相，供塔板上传质、传热；取出热量，维持塔的热平衡。塔内回流的作用就是提供下降的液体，用来补充气相中轻组分和接受上升气相中冷凝下来的重组分，并造成沿塔自下而上温度逐渐降低。塔顶回流应采用塔顶流出物，或组分与塔顶产品相近的油品。塔内回流的作用有两个，一是提供塔板上的液相回流，造成气液两相充分接触达到传热、传质的目的；二是取走进入塔内的多余热量，维持全塔热平衡，以利于控制产品质量。回流量常用回流比表示：回流比=回流量（m3/h）/塔顶产品量（m3/h）。
回流比增大，塔板上回流量增加，是上升的气相温度降低的多，重组分也就冷凝的多，从液相回流转入气相的轻组分也增多，提高塔板的分离效果。回流比的大小与塔板数多少有关，当产品分离程度一定时，回流比增大，塔板数可以适当的减少。但是，回流比增大是有限度的，由全塔的热平衡决定。过大会使下降的液相中轻组分含量增多，此时如果不相应的增加进料量或塔底的热量，就会使轻组分来不及汽化而被带到下层塔板或塔底，影响轻组分收率；如果有侧线产品时，也会使侧线产品或塔底产品不合格。增大回流比不仅会增加塔顶冷凝冷却器的负荷，还会增加操作费用。超过一定的限度还会造成液泛冲塔。回流有强制回流和自然回流，还可分内回流和外回流，根据取走回流热量的不同分冷回流、热回流和循环回流。
本装置分馏原理是根据生成油中各组分的沸点（挥发度）不同，将生成油切割成不同沸点的馏分。利用加热炉将生成油进行加热，生成汽液两相，在分馏塔中，使汽液两相充分的热交换和质量交换，在提供塔顶回流和塔底吹汽的条件下对生成油进行精馏，从塔顶分馏出沸点较低的产品石脑油；从塔底馏出沸点较重的加氢渣油；塔中间抽出得到侧线产品即柴油。
1.2 影响分馏过程的主要操作因素
平稳操作是指生产中充分发挥设备潜力，生产高收率、高质量产品和降低消耗指标的前提下，做到全装置物料平衡和热平衡。分馏塔分离效能的好坏主要是分离精度。分馏精确度的高低，除与分馏塔的结构有关外，在操作上的主要影响因素是温度、压力、回流量、水蒸汽吹入量等。
1、温度
油气入塔温度，特别是塔顶、侧线温度都应严加控制。要保持分馏塔的平稳操作，最重要的是维持进料温度恒定。处理量一定时，油气入口温度直接影响进入塔内的热量，相应的塔顶和侧线的温度都要变化，产品质量也随之变化。油气温度不变时，回流量、回流温度、各馏出物料量的改变也会影响全塔的热平衡状态。塔顶温度最灵敏的反映出全塔热平衡的变化。塔顶馏出物包括塔顶产品、塔顶回流油气、以及不凝气和水蒸汽如果能准确知道不凝气量，在塔顶压力一定的条件下很容易求得塔底产品及回流总和得油气分压，进一步求得塔顶温度，当塔顶不凝气很少时，可忽略不计。塔顶温度应该是塔顶产品在其本身油气分压下的露点温度。确定塔顶温度时应同时检验塔顶水蒸气是否会冷凝，水蒸气冷凝，造成塔顶、顶部塔板和顶挥发线的露点腐蚀，并容易在上部塔板上产生暴沸，造成冲塔、液泛，此时应该考虑减少汽提蒸汽量或降低塔的操作压力。
2、压力
油品馏出所需温度与其油气分压有关，油气分压越低，馏出相同油品所需温度越低。油气分压是设备内操作压力与油品分子分数的乘积。当塔内水蒸气量与惰性气体量不变时，油气分压随塔内操作压力降低而降低。在塔内允许的情况下，降低塔内的操作压力，或适当增加入塔水蒸气量可以使油气分压降低。适当提高塔的压力可以提高塔的处理能力，压力提高以后整个塔的操作温度也上升，有利于侧线馏分以及中段循环回流与其它油品换热。不利因素是随着压力的提高，相对挥发度降低，分离困难，为达到相同的分离精确度则必须加大塔顶回流比，增加了塔顶冷却器的负荷。
3、回流量和回流返塔温度
回流提供气液两相接触的条件，回流量和回流返塔温度直接影响全塔热平衡，从而影响分馏效果的好坏。对加氢分馏塔
,回流量大小、回流返塔温度的高低由全塔热平衡决定。随着塔内温度条件的改变，适当调节塔顶回流量和回流温度是维持塔顶温度平衡的手段，以达到调节产品质量的目的。
1.3 产品质量和产品方案调节
1、根据产品质量的变化调整操作
蒸馏所得的馏分多半是半成品，分馏操作主要控制的是与分馏有关的指标，包括馏分组成、闪点、凝点及残炭等。馏分头部轻，表现为闪点低，初馏点低，说明前一馏分未充分蒸出，影响馏分的质量及上一馏分的收率。调节方法为提高上一侧线馏分的抽出温度和抽出量，使塔内下降的回流量减少；提高或加大侧线馏分的汽提蒸汽量，均可以使轻组分被赶出，解决头部轻的问题。
馏分尾部重表现为干点高、凝点高，说明下一馏分的重分被携带出来，不仅本侧线不合格，也会影响下一侧线馏分的收率。调节方法是降低本侧线抽出温度或抽出量，使回到下层的回流量增加，降低温度从而使干点、凝点指标合格。
2、根据处理量变化调整操作
处理量的变化使整个装置的负荷都发生变化，在保证产品质量和产品收率的前提下，必须改变操作条件，使装置内各设备的物料和热量重建平衡。处理量的变化，塔顶、侧线等处的温度也相应变化。处理量增大时，塔内操作压力必然升高，油气分压也升高。
1.4 分馏塔操作注意事项
1、水力学特性对操作的影响
了解分馏塔塔板的流体力学特性对于提高塔的处理能力，改善产品分割具有重要意义。塔的流体力学性能包括：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏夜及液面落差。
（1）塔板压降:上升的气流通过塔板时需要克服塔板本身的干板阻力、板上充气液层的静压强和液体的表面张力，这三部分阻力形成了该板的总压强降。气体通过塔板时的压强降是影响板式塔操作特性的重要因素。干板压降增大，一般可使板效率提高，板上液层适当增厚，气液传质时间增长，显然效率也会提高，但塔板压降增大塔负荷也增大。因此进行塔板设计时要综合考虑，在保证较高的板效率的前提下，力求减少塔板压降，以降低能耗及改善塔的操作性能。
（2）雾沫夹带：是指塔板上的液体被上升的气流以雾滴形式携带到上一层
塔板的现象。雾沫的生成固然可以增大气液两相的传质面积，但过量的雾沫夹带
造成液相在塔板之间反混，进而导致塔板效率严重下降。生产中控制雾沫夹带量
e
<0.1kg（液）/kg（气）。塔板间距越大，液滴沉降时间增加，雾沫夹带量可相v
应减少，与现场操作有关的是气体流速变化的影响，气体流速越大，阀孔速度、
空塔气速均相应上长，会使雾沫夹带量增加。除此之外雾沫夹带量还与液体流量、
液相粘度、密度、界面张力等物性有关。
（3）淹塔：又叫液泛，是指在精馏操作中，下一层塔板上的液体涌至上层
塔板，破坏了塔的正常操作的现象。当液体流量一定而气速过大，气体穿过板上
液层时，造成两板间压将增加，使降液管内液体不能下流而造成液泛；当液体负
荷太大而降液管面积太小，液体无法顺利的向下一层塔板溢流也会造成淹塔。淹
塔一般是在塔下部出现，也就是在最低的一条抽出侧线油品颜色变重，它与处理
量过高、原料油带水、汽提蒸汽过大等因素有关。
（4）漏液：塔板漏液的情况是在塔内气速过低的条件下产生的。浮阀、筛
孔、网孔等塔板当塔内气速过低，板上液体就会通过升气孔向下一层塔板泄露，
导致塔板分离效率降低。漏液量应不大于液体流量的10％，漏液的现象往往是
在开停工处理量较低时出现，有时也与塔板设计参数选择不当有关。
（5）液面落差：当液体横向流过板面时，为克服板面的摩擦阻力和板上部
件（如泡罩、浮阀）的局部阻力，需要一定的液位差，则在板面上形成液面落差。
液层厚度的不均匀性将引起气流的不均匀分布，从而造成漏液，使塔板效率严重
降低。液面落差与塔板结构有关，还与塔径和液体流量有关，当塔径或液体流量
很大时，也会造成较大的液面落差。
塔板的负荷性能图如下。处理固定的物系时，其操作状况随气液负荷改变。
要维持塔板正常操作，必须将塔内的气液负荷波动限制在一定范围内。在直角坐
标系中，以气相负荷V及液相负荷L分别表示纵、横坐标，标绘各种极限条件下
的V-L关系曲线。
3为液相负荷上限线，又称降液管超负荷线，液体超过此线表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管中的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相反混，降低塔板效率；
4为漏液线，该线为气相负荷下限线，气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气液不能充分接触，使板效率下降；
5为液相负荷下限线，液相负荷低于此线使塔板上液流不能均匀分布，导致板效率下降。
诸线所包围的区域便是塔的适宜操作范围。操作时的气相流量V与液相流量L在负荷性能图上的作标点为操作点，通过原点的直线为操作线,如图中的直线A。操作线与负荷性能图上曲线的两个交点分别表示塔的上下操作极限，两极限的气体流量之比称为塔板的操作弹性。操作弹性大，说明塔适应变动负荷的能力大，操作性能好。
2、塔安装对分馏操作的影响
塔身要求垂直，倾斜度不得超过千分之一；塔板要求水平，水平度不能超过±2毫米，否则会达不到传质、传热的要求，使塔板效率降低；溢流口与下层塔板的距离应根据生产能力和下层塔板溢流堰的高度而定，必须满足溢流堰板插入下层受液盘的液体之中以保持上层液相下流时有足够的通道和封住下层上升的气体所必须的液封，避免气相走短路。
3、精馏塔操作应掌握三个平衡