一般的精餾裝置由精餾塔塔身、冷凝器、回流罐,以及再沸器等設備組成。進(jìn)料從精餾塔中某段塔板上進(jìn)人塔內,這塊塔板稱(chēng)為進(jìn)料板。進(jìn)料板將精餾塔分為上下兩段,進(jìn)料板以上部分稱(chēng)為精餾段,進(jìn)料板以下部分稱(chēng)為提餾段。
精餾塔分類(lèi)
塔板的分類(lèi)
板式塔是一種應用極為廣泛的氣液傳質(zhì)設備,它由一個(gè)通常呈圓柱形的殼體及其中按一定間距水平設置的若干塔板所組成。板式塔正常工作時(shí),液體在重力作用下自上而下通過(guò)各層塔板后由塔底排出;氣體在壓差推動(dòng)下,經(jīng)均布在塔板上的開(kāi)孔由下而上穿過(guò)各層塔板后由塔頂排出,在每塊塔板上皆?xún)τ幸欢ǖ囊后w,氣體穿過(guò)板上液層時(shí),兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)。
板式塔種類(lèi)繁多,通常可分類(lèi)如下:
①按塔板結構分,有泡罩板、篩板、浮閥板、網(wǎng)孔板、舌形板等等。歷史上應用*早的有泡罩塔及篩板塔,20世紀50年代前后,開(kāi)發(fā)了浮閥塔板。現應用*廣的是篩飯和浮閥塔板,其他不同型式的塔板也有應用。一些新型塔板或傳統塔板的改進(jìn)型也在陸續開(kāi)發(fā)和研究中。
②按氣液兩相的流動(dòng)方式分,有錯流式塔板和逆流式塔板,或稱(chēng)有降液管塔板和無(wú)降液管塔板。有降液管塔板應用極廣,它們具有較高的傳質(zhì)效率和較寬的操作范圍;無(wú)降液管的逆流式塔板也常稱(chēng)為穿流式塔板,氣液兩相均由塔板上的孔道通過(guò)。塔板結構簡(jiǎn)單,整個(gè)塔板面積利用較充分。常用的有穿流式篩板、穿流式柵板、穿流式波紋板等。
③按液體流動(dòng)型式分,有單流形、雙流形、U形流形及其他流形(如四流形、階梯形、環(huán)流形等)。
單流形塔板應用*為廣泛,它結構簡(jiǎn)單,液流行程長(cháng),有利于提高塔板效率。但當塔徑或液量過(guò)大時(shí),塔板上液面梯度會(huì )較大,導致氣液分布不均,或造成降液管過(guò)載,影響塔板效率和正常操作。
雙流形塔板宜用于塔徑較大及液流量較大時(shí),此時(shí),液體分流為兩股,可以減少溢流堰的液流強度和降液管負荷,同時(shí),也減小了塔板上的液面梯度。但塔板的降液管要相間地置于塔板的中間或兩邊,多占一些塔板傳質(zhì)面積。
U形流形的塔板進(jìn)出口堰均置于塔板的同一側。其間置有高于液層的隔板。以控制液流呈U形流,從而延長(cháng)液流行程,此種板型在小直徑塔及低液量時(shí)采用。
四流形、階梯流形則適于更大直徑的塔和很大的液量情況。
填料的分類(lèi)
填料塔是以塔內裝有大量的填料為相間接觸構件的氣液傳質(zhì)設備。填料塔于19世紀中期已應用于工業(yè)生產(chǎn),此后,它與板式塔競相發(fā)展,構成了兩類(lèi)不同的氣液傳質(zhì)設備。
填料塔的塔身是一直立式圓筒,底部裝有支承板。填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。在填料的上方安裝填料壓板,以限制填料隨上升氣流的運動(dòng)。液體從塔頂加入,經(jīng)液體分布器噴淋到填料上,并沿填料表面流下。氣體從塔底送入,經(jīng)氣體分布裝置(小直徑塔一般不設氣體分布裝置)分布后,與液體呈逆流連續通過(guò)填料層的空隙。在填料表面氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續接觸式的氣液傳質(zhì)設備,兩相組成沿塔高連續變化,在正常操作狀態(tài)下,氣相為連續相,液相為分散相。
當液體沿填料層下流時(shí),有逐漸向塔壁集中的趨勢,使得塔壁附近的液流量逐漸增大,這種現象稱(chēng)為壁流,壁流效應造成氣液兩相在填料層分布不均勻,從而使傳質(zhì)效率下降。為此,當填料層較高時(shí),需要進(jìn)行分段,中間設置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分,上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后,送到液體再分布器,經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料的上方。
填料是填料塔的核心構件,它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)的相界面,是決定填料塔性能的主要因素。填料的種類(lèi)很多,根據裝填方式的不同,可分為散裝填料和規整填料兩大類(lèi)。
1.散裝填料
散裝填料是一粒粒具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體。一般以散裝方式堆積在塔內,又稱(chēng)為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據結構特點(diǎn)不同,又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。較為典型的散裝填料主要有:拉兩環(huán)填料,鮑爾環(huán)填料,階梯環(huán)填料,弧鞍填料,矩鞍填料,金屬環(huán)矩鞍填料,球形填料。
2.規整填料
規整填料是一種在塔內按均勻幾何圖形排列,整齊堆砌的填料。該填料的特點(diǎn)是規定了氣液流徑,改善了填料層內氣液分布狀況,在很低的壓降下,可以提供更多的比表面積,使得處理能力和傳質(zhì)性能均得到較大程度的提高。
規整填料種類(lèi)很多,根據其幾何結構可以分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等,現介紹幾種較為典型的規整填料。
(1)格柵填料
格柵填料是以條狀單元體按一定規則組合而成的,其結構隨條狀單元體的形式和組合規則而變,因而具有多種結構形式。工業(yè)上應用*早的格柵填料為木格柵填料。應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等,其中以格里奇格柵填料*具代表性。格柵填料的比表面積較低,因此主要用于要求低壓降、大負荷及防堵等場(chǎng)合。
(2)波紋填料
波紋填料是一種通用型規整填料,工業(yè)上應用的規整填料絕大部分屬于此類(lèi)。波紋填料是由許多波紋薄板組成的圓盤(pán)狀填料,波紋與塔軸的傾角有30。和45。兩種,組裝時(shí)相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤(pán)填料垂直裝于塔內,相鄰的兩盤(pán)填料間交錯90。排列。
波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結構緊湊,具有很大的比表面積,其比表面積可由波紋結構形狀而調整,常用的有125、150、250、350、500、700等幾種。相鄰兩盤(pán)填料相互垂直,使上升氣流不斷改變方向,下降的液體也不斷重新分布,故傳質(zhì)效率高。填料的規則排列,使流動(dòng)阻力減小,從而處理能力得以提高。波紋填料的缺點(diǎn)是不適于處理黏度大、易聚合或有懸浮物的物料,此外,填料裝卸、清理較困難,造價(jià)也較高。
波紋填料按材質(zhì)結構可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類(lèi),其材質(zhì)又有金屬、塑料和陶瓷等之分。
(3)脈沖填料
脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形單休,按一定方式拼裝而成的一種規整填料。脈沖填料組裝后,會(huì )形成帶縮頸的多孔棱形通道,其縱面流道交替收縮和擴大,氣液兩相通過(guò)時(shí)產(chǎn)生強烈的湍動(dòng)。在縮頸段,氣速較快,湍動(dòng)劇烈,從而強化傳質(zhì)。在擴大段,氣速減到*小,實(shí)現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復,實(shí)現了“脈沖”傳質(zhì)過(guò)程。
脈沖填料的特點(diǎn)是處理量大,壓力降小,是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應減少,故特別適用于大塔徑的場(chǎng)合。
精餾塔的平衡操作
精餾塔的操作應掌握物料平衡、氣液相平衡和熱量平衡。
物料平衡指的是單位時(shí)間內進(jìn)塔的物料量應等于離開(kāi)塔的諸物料量之和。物料平衡體現了塔的生產(chǎn)能力,它主要是靠進(jìn)料量和塔頂、塔底出料量來(lái)調節的。操作中,物料平衡的變化具體反應在塔底液面上。當塔的操作不符合總的物料平衡時(shí),可以從塔壓差的變化上反映出來(lái)。例如,進(jìn)得多,出得少,則塔壓差上升。對于一個(gè)固定的精餾塔來(lái)講,塔壓差應在一定的范圍內,塔壓差過(guò)大,塔內上升蒸氣的速度過(guò)大,霧沫夾帶嚴重,甚至發(fā)生液泛而破壞正常的操作;塔壓差過(guò)小,塔內上升蒸氣的速度過(guò)小,塔板上氣液兩相傳質(zhì)效果降低,甚至發(fā)生漏液,大大降低了塔板效率。物料平衡掌握不好,會(huì )使整個(gè)塔的操作處于混亂狀態(tài),掌握物料平衡是塔操作中的一個(gè)關(guān)鍵。如果正常的物料平衡受到破壞,它將影響另兩個(gè)平衡,即氣液相平衡達不到預期的效果,熱平衡也被破壞而需重新予以調整。
氣液相平衡主要體現了產(chǎn)品的質(zhì)量及損失情況。它是靠調節塔的操作條件(溫度、壓力)及塔板上氣液接觸的情況來(lái)達到的。只有在溫度、壓力固定時(shí),才有確定的氣液相平衡組成,當溫度、壓力發(fā)生變化時(shí),氣液相平衡所決定的組成就發(fā)生變化,產(chǎn)品的質(zhì)量和損失情況隨之發(fā)生變化。氣液相平衡與物料平衡密切相關(guān),物料平衡掌握好了,塔內上升蒸氣速度合適,氣液接觸良好,則傳熱傳質(zhì)效率高,塔板效率亦高。當然溫度、壓力也會(huì )隨著(zhù)物料平衡的變化而改變。
熱量平衡是指進(jìn)塔熱量和出塔熱量的平衡,具體反應在塔頂溫度上。熱量平衡是物料平衡和氣液相平衡得以實(shí)現的基礎,反過(guò)來(lái)又依附于它們。沒(méi)有熱的氣相和冷的回流,整個(gè)精餾過(guò)程就無(wú)法實(shí)現;而塔的操作壓力、溫度的改變(即氣液相平衡組成改變),則每塊塔板上氣相冷凝的放熱量和液體汽化的吸熱量也會(huì )隨之改變,體現于進(jìn)料供熱和塔頂取熱發(fā)生的變化上。
掌握好物料平衡、氣液相平衡和熱量平衡是精餾操作的關(guān)鍵所在,三個(gè)平衡之間相互影響、相互制約。在操作中通常是以控制物料平衡為主,相應調節熱量平衡,*終達到氣液相平衡。
(1)要保持塔底液面穩定平衡,必需穩定:①進(jìn)料量和進(jìn)料溫度;②塔頂、側線(xiàn)及塔底抽出量;③塔頂壓力。
(2)要保持穩定的塔頂溫度,必需穩定:①進(jìn)料量和進(jìn)料溫度;②頂回流、循環(huán)回流各中段回流量及溫度;③塔頂壓力;④汽提蒸汽量;⑤原料及回流不帶水。
只要密切注意塔頂溫度、塔底液面,分析波動(dòng)原因,及時(shí)加以調節,就能掌握塔的三個(gè)平衡,保證塔的正常操作
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