陈勇填料精馏塔的性能测定与优化设计.docx
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陈勇填料精馏塔的性能测定与优化设计
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
填料精馏塔的性能测定与优化设计
学生姓名:
陈勇学号:
200901020103
系别:
化学工程系班级:
化工0911班
指导教师:
何灏彦老师
2011年10月30日
填料精馏塔性能测定与优化设计
学生:
陈勇(化工0911班)
指导老师:
何灏彦老师
摘要
近年来石油化工行业高速发展,生产规模趋于大型化,这就要求塔器设备具有高通量、高效率和低压降等优良的综合性能。
现代填料塔技术能很好地满足这些要求,不仅在大规模生产中广被采用,而且还有取代板式塔的趋势。
现在由于填料的开发成功和一些基础理论研究成果在填料塔工程放大问题上的突破,填料塔大型化带来的放大效应问题得到了一定的解决。
填料塔具有制造和更换容易、材质范围广、适应能力强和节能等优点,且大多数情况下分离性能优于板式塔,因此填料塔越来越受到重视。
塔填料作为填料塔的核心构件,提供了塔内气液两相接触而进行传质的表面。
塔填料的性质决定了填料塔的操作,只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件才能构成技术上先进的填料塔。
对塔填料改进与更新的目的在于:
改善流体的均匀分布、提高传递效率、减少流动阻力、增大流体的流量以满足节能降耗、设备放大以及高纯产品制备等各种需要。
本文主要讨论填料精馏塔的性能以及精馏过程的节能和优化。
从精馏过程热能的充分利用;提高蒸馏系统的分离效率,提高产品回收率来实现降低能耗;减少蒸馏过程对能量的需要和加强管理等几个方面,详细论述了精馏过程的节能和优化技术。
关键词:
精馏;填料精馏;性能测定;节能;优化设计;规整填料塔;鲍尔环填料塔
Abstract
Inrecentyears,thepetroleumchemicalindustryhighspeeddevelopment,productionscaleislarge,thisrequiresthetowerequipmenthastheadvantagesofhighthroughput,highefficiencyandlowpressuredropandexcellentcomprehensiveproperties.Modernfilled-towertechniquecanwellmeettherequirements,notonlyinmassproductioniswidelyused,butalsoreplacethetowerplatetrend.Nowsincethefillerthesuccessfuldevelopmentandsomebasictheoreticalresearchinpackingtowerengineeringamplificationbreakthroughontheproblemofpackingtower,large-scalechangesbroughttheamplificationeffectoftheproblemtoacertainsolution.
Packedtowerwithmanufactureandeasyreplacement,andwiderangeofmaterial,strongadaptabilityandenergy-savingadvantages,andinmostcasestheseparationperformanceisbetterthanthatoftheplatetower,thetowerhasbeenpaidmoreandmoreattention.Towerpackingasthecorecomponentofthepackingtower,thetowerprovidesvapor-liquidcontactandmasstransferofsurface.Towerfillingdeterminesthenatureofpackingtoweroperation,onlytheexcellentperformanceoftowerpackingswithidealtowerinnerpartscanconstituteatechnologicallyadvancedpackingtower.Thetowerfillerimprovementandrenewalofaims:
toimprovetheuniformityoffluiddistribution,improvethetransmissionefficiency,reducetheflowresistance,increasetheflowoffluidtomeettheenergysaving,equipmentenlargingandhigh-purityproductssuchastheneedsof.
Thispapermainlydiscussesthepackeddistillationcolumnperformanceandtheenergysavingandoptimizationofdistillationprocess.Fromthedistillationprocessforthefullutilizationofheatenergy;improvetheseparationefficiencyofthedistillationsystem,improveproductrecoveryratetoreducetheenergyconsumption;reducedistillationprocessforenergyneedsandstrengthenthemanagementofseveralaspects,discussestheenergysavingandoptimizationtechnologyindistillationprocess.
Keyword:
Packeddistillation;distillation;performancemeasurement;energysaving;optimizationdesign;structuredpackingtower;Bauerringpackingtower
前言
在工业生产中,石油化学工业的能耗所占比例最大,而石油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。
精馏过程是一个复杂的传质传热过程,表现为:
过程变量多,被控变量多,可操纵的变量也多;过程动态和机理复杂。
首先,随着石油化工的迅速发展,精馏操作的应用越来越广,分离物料的组分不断增多,分离的产品纯度要求亦不断提高,但人们同时又不希望消耗过多的能量,这就对精馏过程的控制提出了要求。
其次,作为化工生产中应用最广的分离过程,精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。
在实际生产中,为了保证产品合格,精馏装置操作往往偏于保守,操作方法以及操作参数设置往往欠合理。
另外,由于精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离,而是被冷却水或分离组分带走。
因此,精馏过程的节能潜力很大,合理利用精馏过程本身的热能,就能降低整个过程对能量的需求,减少能量的浪费,使节能收效也极为明显。
据统计,在美国精馏过程的能耗占全国能耗的3%,如果从中节约10%,每年可节省5亿美元。
我国的炼油厂消耗的原油占其炼油量的8%~10%,其中很大一部分消耗于精馏过程。
因此,在当今能源紧缺的情况下,对精馏过程的节能研究就显得十分重要。
例如,美国巴特尔斯公司在波多黎各某芳烃装置的8个精馏塔上进行节能优化操作,每年可节约380万美元。
在化工生产中,经常使用填料塔来净化工艺气体。
在填料塔中,通过气液逆流接触,液体介质将工艺气体中的部分物质吸收,从而达到净化气体介质的目的。
本设计主要是对填料精馏塔的性能与节能优化设计进行探讨与研究。
提高精馏水平,对于降低化工过程的能耗,提高生产效率有重要意义。
同时先进的精馏技术,还可大幅度提高产品的质量,减少生产过程中的废品率,提高原料的利用率,并可极大促进绿色精细化工的发展。
第1章概论
1、精馏技术研究进展
精馏是化工生产中常用的分离方法,它是利用液体混合物各组分的挥发度差异进行分离的操作过程。
精馏技术已经过多年的发展,并成为目前应用最广泛的一种分离技术,在化学工业、石油化工、精细化工、轻工化工、煤化工、食品工业、医药工业、原子能工业、冶金工业等领域都有广泛的应用。
1、1精馏原理
在连续精馏塔内,原料液自塔的中部某适当位置连续地加人塔内,塔顶设有冷凝器将塔顶蒸汽冷凝。
冷凝液的一部分作为回流液,其余作为塔顶产品馏出液连续排出。
加料位置以上部分是精馏段,此段内上升蒸汽和回流液体之间进行着逆流接触和物质传递,使易挥发组分不断增浓。
加料位置以下部分是提馏段,塔底装有再沸器蒸馏釜,以加热液体产生蒸汽,蒸汽沿塔上升,与下降的液体逆流接触并进行物质传递,使难挥发组分不断富集,并于塔底连续排出,作为塔底产品。
1、2精馏分类
1.2.1按操作方式
按操作方式可将精馏分为连续精馏和间歇精馏。
1.2.2按操作设备
按操作设备可将精馏分为板式塔精馏、填料塔精馏、隔板精馏。
隔板精馏是目前国外在设备集成和节能降耗方面的前沿研究热点。
1.2.3按操作条件
按操作条件可将精馏分为添加剂精馏和复合或藕合精馏非常规条件下的精馏。
1.2.3.1添加剂精馏
萃取精馏
萃取精馏技术出现至今已有近60年的历程,随着各种新技术的发展,萃取分离技术不断改进优化,新型萃取分离技术不断出现并完善,这项技术在未来具有广阔的发展前景。
共沸精馏
目前共沸精馏应用到了洗油组分的提取工艺上。
加盐精馏
几十年来,加盐萃取精馏愈来愈受到加拿大、日本、前苏联等国科技人员的重视。
在我国,加盐体系气液平衡的研究已在许多高等院校和科研部门进行,说明这种新的精馏工艺有很大的吸引力,是萃取精馏的一种新的发展方向。
但目前加盐萃取精馏溶液理论方面的研究还非常缺乏,对盐的选择缺乏理论指导,加盐提高相对挥发度的机理不清楚。
催促精馏
催促精馏也是通过在精馏体系中加入第三组分催促剂,以促进原料中各组分的分离。
催促精馏不同于萃取精馏,第三组分是从塔顶馏出,并且不与原料发生共沸。
1.2.3.2复合(或耦合)精馏
反应精馏
反应精馏技术经历了几十年的发展,因其独特的优势而在化学工业中日益受到重视。
反应精馏与其它单元藕合的可行性和有效性,已经得到了证实图。
目前,反应精馏操作已在石油化工生产方面得到了应用,其中在甲基叔丁基醚和乙基叔丁基醚等合成工艺中的应用已全部工业化。
催化精馏
按照反应中是否使用催化剂,可将反应精馏分为催化反应精馏过程和无催化剂的反应精馏过程,催化反应精馏过程按所用催化剂的相态,又可分为均相催化反应精馏和非均相催化精馏过程,非均相催化精馏过程即为通常所讲的催化精馏。
吸附精馏
大连理工大学张永春等立足于回收、精制技术,成功开发出吸附精馏法回收新工艺,并推广应用到生产过程中。
膜精馏
膜精馏是将膜与精馏过程相结合的分离方法。
膜精馏就是用疏水性微孔膜将两种不同温度的溶液分开,较高温度溶液中易挥发的物质呈气态透过膜进人另一侧并冷凝的分离过程。
膜蒸馏与传统蒸馏相比,不需复杂的蒸馏系统,且能得到更纯净的馏出液与一般的蒸发过程比,单位体积的蒸发面积大,与反渗透比较,它对设备的要求低且过程中溶液浓度变化的影响小,另外膜蒸馏过程能在常压和较低温度下操作,能利用工业余热、地热及太阳能等廉价能源,因而膜精馏被认为是一种节能高效的分离技术,为缓解能源的紧张提供了简单有效的技术方法。
结晶精馏,
研究人员针对从生产乙烯的裂解渣油中提取工业萘的体系,研究了结晶精馏耦合法的可行性。
实验结果表明该方法不仅能够有效地解决易结晶物质在分离过程中晶体析出而堵塞装置系统的问题,而且可以提高产品的纯度,加大传质推动力,强化精馏过程。
此技术成功地应用到了乙酸一丙酸、硝基氯苯、人造麝香等的分离。
1.2.3.3非常规条件下的精馏
真空精馏
真空精馏是指精馏过程在真空下进行的操作,常用于高沸点物质或热敏性物质的分离与提纯。
真空精馏过程在精细化学品的生产过程中有着广泛的应用,如在染料中间体的分离、天然产物的提取、香料的精制、脂肪酸的分离、高碳链烷烃的精制等过程中,都用到了真空精馏技术。
分子短程精馏
国内对分子蒸馏技术的研究起步较晚,技术基础比较薄弱,现在还处于消化吸收及小试研究阶段,分子蒸馏器的设计也是以模仿国外同类产品为主。
在应用研究方面,一个很重要的课题就是扩大分子蒸馏技术的应用领域,尤其是对一些分离难度大的天然药物产业领域的扩张,全面提升原有产品的档次[5]。
短程蒸馏在化学、石油化学、药物、塑料、纤维、食品和化妆品等工业中的应用被证明是一种优质、高效、经济的蒸馏分离方,并广泛应用于橄榄油、大豆油等油脂的生产中。
2、新技术在传统填料塔中的应用
2、1跳动填料
所谓跳动填料就是将传统的固定式静态填料层改造为跳跃式动态填料层。
该填料层创新地采用了一种特制的轻质、易飞小体积填料作为基本传质媒介,并巧妙地将每一小部分填料的跳动范围限制在适宜的预留空间内,这样,在气体和液体双向冲击下,填料在预留空间中不停地湍动、扰动、跳跃、翻腾,从而使气液在动态的填料中充分、多次反复接触,进而大大提高传质效果。
相对于传统的静态填料层,跳动填料具有以下特点:
(1)传质效率高
在静态填料的填料塔中,液体顺着填料壁成股流下来,气体沿填料空隙穿行,二者各行其道,擦肩而过,很少有机会出现液包气或气包液的情况,因此气液接触不充分,不全面,不深入,传质效率也不高。
而在跳动填料层,由于填料携带液体不停地动,液体被破碎为很小的液滴和雾沫,在填料中形成一个浓浓的雾沫层,有大量的气包液和液包气,气液接触非常充分,传质推动力非常大,所以传质效率可以数倍提高。
(2)单塔处理气量大
在跳动填料层,由于跳动填料一直不停地动(湍动、扰动、跳动等),大量的液体不会沿着动态的填料壁下流,而会随着填料无规则地横流、上溅,大大增加了液体在塔内的流经距离和停留时间,从而增加了与气体接触的次数,相当于数倍地提高了设备的处理能力,所以单塔处理气量较大。
一般情况下,对原有的塔器进行改造都会提高一倍以上的处理能力,而且在一定范围内跳动填料塔负荷越重,气量越大,液体雾化得越好,净化效果也会越好,而液体循环量不需要加大,相应地液体损耗较小,单位体积的气体处理费用也会大大降低,节能效果明显。
(3)不会堵塔,系统阻力小
在传统的填料塔中,填料是固定的,工艺气流是顺填料空间折流穿行的,填料层会阻挡气体前进从而产生一定的阻力,同时随着运行时间的延长,液体和气体会出现不同程度的偏流,液体中的悬浮物会在流量小的部位逐步沉积,气液通道会不断减小,填料层阻力会慢慢增大,所以填料塔运行不了几年就需要扒塔,甚至一年需要扒好几次。
在跳动填料层中,工艺气体流动是连续的,填料在工艺气体中被动地动,所以运行起来基本不会产生阻力,同时由于填料在动,液体中的悬浮物也不会沉积在填料的表面,不会堵塔。
因此,跳动填料层实现了数年不用扒塔的理想,减少了开停车人力、物力、财力的巨额浪费,有效地增加了装置的运行天数,长期效益非常明显。
(4)填料层高度可以大大降低
相对于传统的固定填料塔,在跳动填料层中,由于预留了填料跳动的空间,加上其高效的净化效果,所用填料会大大减少,如新建填料塔可以降低塔的高度,减少投资。
2、2新型液泛气体分布器的应用
传统的填料塔改造为新型的跳动填料塔后,由于减少了填料的装填量,会解放出更多地填料塔空间。
我们因地制宜,研究出了一种新型的气体分布器—液泛气体分布器来充分利用这个空间,液泛气体分布器是通过在气体分布器中增设液体收集槽,使从塔顶下落的液体大部分收集在此槽内,在收集槽内被收集的液体会被入塔气体再次带起,升空到设定高度,然后再次下落,再次下落的液体只要落入收集器内又会被带起,再次达到设定高度落下,周而复始,液体在塔内一定空间反复起落。
由于液体在上升和下落的过程均能够与气体进行接触传质,而且由于气体流速高,超过了液泛临界值,液体在被带起的瞬间被有效地雾化和乳化,非常有利于传质过程的进行,所以传质效率极高。
液泛气体分布器是一种新型分布器,目前国内外尚无先例,其主要创新点有以下:
(1)强制分流,气体分布更均匀
液泛气体分布器设计新颖、科学,它通过分区,强制将入口气体按比例分流到填料塔的各个截面,有效地避免了传统气体分布器中心气流强、边缘气流弱的缺点,保证了气体入塔能够分布更均匀。
(2)气体带液,雾化传质更高效
在液泛气体分布器内,适当流速的入塔气体携带收集的从塔顶下落的液体喷射升空。
由于气体超过了液泛临界值,带液严重,而且液体在被带起的同时被乳化、雾化,分解成非常小的雾滴,这些雾滴能够与气体充分接触,深度传质。
所以,喷射而出的雾滴在上升过程中,与气体顺流接触传质,雾滴上升到一定高度后下落。
在下落过程中,与气体逆流接触传质,落入液泛气体分布器内的液体又再次被气体带起,反复顺流逆流接触传质,多次循环,周而复始,相当于在填料塔的底部空层形成了一个相对稳定的雾化液滴持液段,传质效率非常高。
而这个持液段的发动机则是液泛气体分布器,发动机的动力来自于传统气体分布器浪费了的压头。
所以,液泛气体分布器在保证气体分布均匀这个基本职能之外,通过控制气体流速,使入口气体带液,不但充分利用了气体的压头将液体喷射升空,回收了能量,而且实现了气液在塔底空层反复接触多次雾化深度传质的目的,设计非常新颖。
2、3新型雾沫分离器
传统的填料塔气体出口设立雾沫分离器,一般采用多层丝网捆绑成圆饼形状,以期能够分离被气体带出的雾沫。
现实生产中,我们发现雾沫分离效果并不好,填料塔外的分离器定时能够放出不少液体,而且每次检修都能发现丝网除沫器堵塞严重,无论运行周期是一年还是一个月,这说明雾沫分离器形成了阻力,起了反作用,为什么会是这样?
仔细分析发现,原来当气体通过除沫器时,丝网是能够阻碍雾沫前行的。
但是,雾沫被阻挡下来以后,没法汇集起来形成可以落下来的液滴,还是在丝网上以非常微小雾沫的形式存在,它被后来的气体从丝网上带走出塔,而丝网上仅仅留下气体和雾沫中的固体颗粒,丝网成了集尘器,而该集尘器也无法排出灰尘。
所以开车不久,阻力越来越大,丝网空隙处的流速会越来越高,雾沫分离能力会彻底丧失。
鉴于这个问题,我们对传统的雾沫分离器进行了改造,重点是想办法使碰撞上丝网的雾沫汇集在一起,尽快形成液滴,靠自身的重力返回到塔内。
新型的雾沫分离器丝网用量更少,科学增加雾沫汇集机构、液滴导流机构、灰尘自净机构,集分离、导流、自净为一体,分离效果良好,而且不会形成阻力,大大降低了液体损失,长时间运行不会形成阻力,工艺气体系统电耗也会降低。
2、4防壁流环
很多人对填料塔的液体壁流现象重视不足,认为影响不大,可以用大的液体循环量来弥补这一损失,殊不知,这样浪费了大量的动力,系统的电耗肯定高。
如果还不认可,可以和同样的板式塔相比,就能很容易发现填料塔的液体流量浪费较多。
其实,填料塔的壁流是非常严重的,无论是从液体分布器飞溅到塔壁的液体,还是顺填料导流到塔壁的液体,极少数能够重新回到填料中来,壁流的液体由于没有经填料的折流,在塔内流程最短,与气体接触时间最短,而且成股留下,接触非常不充分,传质效率最差。
所以我们必须重新认识和重视填料塔的壁流现象。
填料塔的壁流问题,是容易解决的,增加防壁流环就可以了。
在生产改造中,我们因地制宜,选用合适的材料,巧妙地在塔壁固定防壁流环,有效地解决了这个问题,效果较为理想。
2、5使用新技术运行中应注意的问题
(1)溶液量应充足
因为大量的溶液悬浮在脱硫塔(脱碳塔、铜洗塔等)内,造成再生塔液位大幅度下降,甚至看不到再生塔液位,这样使操作工人不便调节,精神过度紧张,手忙脚乱,易产生误操作。
(2)防止溶液泵抽空,影响生产
如果改造前再生塔和吸收塔液位均在1/2以上,而改造后在未增加溶液量的情况下,有可能出现塔内无液位的现象。
遇此情况不必惊慌,因为不存在过量的溶液被带出塔外的情况,更不会出现净化度降低的现象。
但必须及时补充溶液,使两塔均有液位,以保证溶液泵不抽空。
(3)开工准备工作
在停车状态,先将再生塔和吸收塔液位加至3/4以上,当启动贫液吸收泵和富液再生泵之后,应保持两塔液位均在1/4以上。
如果不足,应立即补液达标。
但是,当停工时,两塔液位可能会满,这也属正常。
3、塔填料的最新研究现状和发展趋势
3、1 散堆填料
散堆填料是具有一定几何尺寸的颗粒体,在塔内以散堆方式堆积。
散堆填料及其塔设备可用在吸收、解吸、精馏、干燥和萃取等气-液或液-液接触的传质传热过程以及反应蒸馏、流化干燥和超重力分离等领域。
根据国内外最新的研究工作表明,在液液萃取、液气比很大的吸收和高压精馏的情况下,应用散堆填料的操作性能优于规整填料和塔盘,因此在合成氨的气体净化、石油化工和焦化等领域,散堆填料得到广泛应用。
3、1、1 近年来散堆填料的研究方向
近年来散堆填料的研究方向主要集中在以下几个方面:
①散堆填料的自规整化;②开发适用于新塔型的散堆填料;③填料功能复合化;④对填料表面加以改性以提高传质效率;⑤复合填料塔。
从近些年的理论和工业开发来看,散堆填料的发展趋势是朝增大空隙率和减少压降、增大比表面积、改善润湿性能以及功能多样化的方向发展。
3、1、2 近年开发的代表性散堆填料
3.1.2.1 IMPAC填料
IMPAC填料最初由美国Lantc公司提出,它集扁、鞍和环结构于一体,可看作由数十个Intalox填料连体而成,采用多褶壁面、多层筋片、消除床内死角和单体互相嵌套等技术,兼有规整填料和散堆填料之特性,可用于冷却塔中。
该填料具有良好的水滴分散性能和自分布性能,每m3有多达5万个水滴,与现有填料相比,效率可提高40%以上,具有长达10年的使用寿命,有效地降低了操作成本。
3.1.2.2 阶梯短环填料阶梯短环填料(CascadeMiniRing,CMR)
是美国Glitsch公司兼并英国传质公司后大力推广的一种散堆填料。
大量实验表明CMR的性能明显优于鲍尔环和筛板塔,其压降约为拉西环的30%,传质系数比拉西环提高大约50%;而且CMR还可以用碳钢、不锈钢、非铁合金、塑料和陶瓷制造。
因此CMR的应用十分广泛,已在近千座工业塔中得到应用。
3.1.2.3 超级扁环填料
清华大学研制了内弯弧型筋片扁环填料(QH-1型扁环填料)。
实验研究和工业应用表明,QH-1型扁环填料具有优异的性能;用于液液萃取时,此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等填料,轴向混合小、处理能力大、压降小,传质效率可提高20%以上。
为进一步提高扁环填料的性能,又开发了新的挠性梅花扁环填料(QH-2型扁环填料),比QH-1型又有所提高。
实验表明与鲍尔环相比,QH-2型扁环填料处理能力提高约15%~35%,传质系数提高
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