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毕业论文-国内外精馏设备的现状与展望

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毕业论文 国内外 精馏 设备 现状 展望
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油田化学学生: 韩雪指导教师: 于翠艳入学日期:2007 年 9 月 论文完成日期:2010 年 4 月本文章综述了国内外精馏设备的现状及动态,同时对精馏设备的分类、特点、工作原理以及现状作了详细的阐述,也为今后的发展方向提供了依据。关键词:精馏设备,填料塔,分隔壁式精馏塔第 1 章 前 言 ................................................ 章 精馏设备的研究现状 ................................... 填料塔 ..............................................料塔原理 .....................................料塔分类 .....................................料塔特点 ..................................... 板式塔 .............................................. 辅助设备—— 排糟器、换热设备 ........................糟器 .........................................热设备 ....................................... 章 精馏设备的研究发展趋向 ............................... 大孔径筛板塔复合塔 ..................................孔径筛板塔 ...................................阀.............................型塔特点 ..................................... 分隔壁式精馏塔现状与发展 ............................隔壁式精馏塔的特点 ...........................隔壁式精馏塔的关键技术 ....................... 章 结束语 ................................................................................................ ...................................................... 章 前 言精馏设备的研究应用史是一典型的化学工程研究开发过程范例,揭示了化学工程的研究应用由经验向科学化发展的内在规律,总结精馏设备研究应用的规律,评述近年来精馏塔技术的发展。塔设备的广泛应用是伴随着十九世纪初迅猛发展的炼油工业。1904年炼油工业出现了早期的填料塔,1912 年穿流塔板也应用于炼油工业,标志着第一代乱堆填料的诞生,但实际生产效果仍没有很大的提高,人们开始意识到汽液分布性能对填料塔操作的重要性。1920 年泡罩塔板在炼油工业中应用,标志着现代塔设备研究开发的开始。按照典型的技术发展,可将现代塔设备技术的发展应用归纳为四个阶段。(1)第一阶段此阶段的塔设计处于简单的平衡量,塔板效率,传质系数等概念和简单的设计水平,此时尽管乱堆填料也在小型塔设备中应用,但泡罩塔板是工业应用不可比拟的塔内件,在当时被认为是不可替代的。在此阶段,研究开发完成了由实验室级别向实验工厂规模的转变。(2)第二阶段由于塔设备巨大的工业应用市场和开发潜力,在 50 年代的发达国家,精馏塔内件的研究发展进入了一个全新,大规模,集团化的研究阶段。(3)第三阶段大型液体分布器的基础研究使得填料塔的放大研究成功,并在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益。从 60 年代开始,国外的一些大学和塔设备工程公司,开始了对填料塔的研究。到 70 年代末期,基本解决了填料塔的放大问题。填料塔在大型减压塔设备中成功的工业应用,标志着塔内件研究开发的另一个新时代的开始。以填料进行现有的塔设备的挖潜和改造,获得了具大的经济效益和社会效益、以致一批学者高呼“填料塔取代板式塔的时代已经来临” 。(4)第四阶段世界范围内炼油和石油化学工业向精细、大型化的方向发展,在计- 2 艺模拟和设计塔内件基础研究和工业应用经验积累越来越丰富等技术支撑下,现有塔设备的增效、增能、降耗,挖潜改造,降低加工成本,提高经济效益成为热门的发展方向。填料继续广泛应用于减压塔,并出现了某些常压塔和加压塔生产的增效、增能中获得一定的效果报导的实例、新型、高效、大处理能力板式塔的不断开发和研究,并在工业应用中获得成功。而到了二十一世纪,精流塔的发展已经把各种塔内件的优点结合在一起,开发出了复合式塔板和大筛孔等性能优良的精流塔。随着研究的深入各种塔相继出现,创造出了巨大的经济效益 [1]。- 3 章 精馏设备的研究现状一般的精馏塔精馏所采用的塔设备基于塔板类型的差异分为填料式精馏塔和板式精馏塔两种主要类型。料塔原理填料塔的塔身是一直立式圆筒,内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。塔的底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板,液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。料塔分类填料塔的填料类型分为散装填料和规整填料,按照液体分布器可分为有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等,在此不做详述。料塔特点填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。但是填料塔的不足之处,如填料造价高;当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面,使传质效率降低,对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等,在一定程度上限制了它在工业生产中的应用,例如工业上酒精生产仍以板式塔多见,但是近年来一些企业根据原料特点,尝试使用填料塔生产酒精也取得了不错的效益。式塔板式塔是我国目前工业生产中使用很多的塔型:板式塔为逐级接触式气液传质设备,主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。其中常用来做分类依据的是塔板。塔板是板式塔中气液两相接触传质的部位,通常主要由气体通道、溢流堰、降液管三部分组成。塔板可分为有降液管式塔板及无降液管式塔板两类,在工业生产中,以有降液管式塔板应用最为广泛,在此只讨论有降液管式塔板类型。- 4 1)泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板,主要由升气管及泡罩构成,泡罩安装在升气管的顶部,泡罩的下部周边开有很多齿缝。操作时,液体横向流过塔板,靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层,齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿,以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时,被分散成许多细小的气泡或流股,在板上形成鼓泡层,为气液两相的传热和传质提供大量的界面。其优点是操作弹性较大,塔板不易堵塞;缺点是结构复杂、造价高,板上液层厚,塔板压降大,生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代,在新建塔设备中已很少采用。(2)筛孔式塔板筛孔塔板简称筛板,塔板上开有许多均匀的小孔,筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰,使板上能保持一定厚度的液层。操作时,气体经筛孔分散成小股气流,鼓泡通过液层,气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下,通过筛孔上升的气流,应能阻止液体经筛孔向下泄漏。其优点是结构简单、造价低,板上液面落差小,气体压降低,生产能力大,传质效率高;缺点是筛孔易堵塞,不宜处理易结焦、粘度大的物料。(3)浮阀式塔板浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点,类型很多,主要的有条状浮阀和盘式浮阀两种,其中以盘式浮阀应用最为普遍。盘式浮阀塔板结构,是在带降液装置的塔板上开有许多升气孔,每个孔的上方装有可浮动的盘式阀片,阀片本身连有几个阀腿,以限制阀片升起的最大高度,并防止阀片被气体吹走。三条支腿有十字型或依靠阀片的两种,前者称十字架型,后者称 V 型,目前因 V 型结构简单,因而被广泛使用,当上升蒸汽量变化时,阀片随之升降,使阀片的开度不同,所以塔的工作弹性较大 [2。其优点是结构简单、造价低,生产能力大,操作弹性大,塔板效率较高;缺点是处理易结焦、高粘度的物料时,阀片易与塔板粘结;在操- 5 塔板效率和操作弹性下降。助设备——排糟器、糟器常用的排糟器(包括精馏塔的排废液口)有浮鼓式控制器和 U 形(包括倒置 U 形)、套管形等几种自动式控制器。浮鼓式排糟器是精馏设备的主要附属设备之一,它的上线与精馏塔塔釜空间连通,藉以平衡压力,下端直径较粗的管道与塔釜排糟口连接(接管的管径应与该塔产量配合,勿过大但也不能排不出),排糟器中的空腹浮鼓,在受到塔釜内不断流出的废糟液的浮力,而向上升起,同时带动了与浮鼓相连的锥形阀体打开,把需要排放的废糟液自动放出。当废糟液排放正常时,浮鼓上下浮动不大,如不正常,排放量减少时,浮鼓下沉,锥形阀体也向下运动,如塔釜废液排放量过小时,浮鼓不浮,锥形体全部落在环形阀座上,进而停止排放。热设备冷凝器与再沸器,都属于热交换器,在酒精生产过程中多采用间接换热,有多种类型:螺旋板式换热器、波纹管换热器、列管换热器、板式换热器、螺旋板换热器、管壳式换热器、容积式换热器、浮头式换热器、管式换热器等,其中最常用作精馏塔中冷凝器的是列管式的热交换器。换热设备的研究也有助于塔设备的改进,如陈亚平等提出用螺旋板式换热器作为发生器和冷凝器,使乙醇精馏塔高度降低,结构紧凑。- 6 章 孔径筛板塔大孔径筛板、筛板塔的设计和操作精度要求较高,过去工业上应用较为谨慎,近年来,由于设计和控制水平的不断提高,通过改进可使筛板塔的操作非常精确,故应用日趋广泛。研究表明只要维持适当的流体力学条件,不但可以保证大孔径筛板的漏液量很少,而且由于使用大的孔径,可有效地解决筛板塔的堵塞问题。它相当大的缺点是塔板的漏液与雾沫夹带都比较大,故板效率较低,弹性范围较窄,所以对夹杂有固形物质的分离,才可显示出其独特的优越性 [3]。阀原有浮阀塔板上再开若干筛孔,即构成此种浮阀筛孔塔板。这是提高浮阀塔生产能力,减低浮阀塔压降的简易有效措施,塔板兼具了筛板塔和浮阀塔的优越性能。某石油工厂塔板上浮阀开孔率为 加开的筛孔均匀布于浮阀行间,总开孔率为 使用结果生产能力提高 [5]。型塔特点新型塔虽然有的还不完善,但它们的趋向是全面的把高速、高效与简化结构结合起来。在许多新结构的塔板中,一些工业例如酒精工厂采用浮阀塔,它的优点日益被人们所认识,因此采用的工厂愈来愈多。其它新型精馏塔结构尚有多种,其原理总不外乎设法增加气体和液体的接触面积或调节流体动力条件,使之形成泡沫层,以扩大接触面积,所以它们都能提高精馏效率并增加产量。较之以泡罩塔为代表的旧型设备,性能都有所改进,材料与加工方面也有节约。但它们都多少还存在某些问题,如操作稳定性尚差,气液分配还有一定的缺陷等。当然随着进一步研究和生产数据的完善,新型精馏设备和其它化工设备一样,将不断更新换代,日趋完善。隔壁式精馏塔的特点分隔壁式精馏塔是在精馏塔内部设一垂直隔板,将精馏塔分成上段,下段,及自隔板分开的精馏进料段及中间采出段四部分。由于分隔壁式- 7 分隔壁式精馏塔比传统的两塔系统节约 30%的投资费用而且占地面积少。分隔壁式精馏塔分离三组分混合物时,只需 1 个精馏塔就可得到 3个纯组分,这就节省了 1 个精馏塔及其附属设备,如再沸器、冷却器、塔顶回流泵及管道。虽然分隔壁式精馏塔比原有 2 塔流程的每个精馏塔大,但总的设备投资会降低很多。分隔壁式精馏塔是热力学上最理想的系统结构,在分离三组分混合物时,用相同的理论板数,完成同样的分离任务,采用分隔壁式精馏塔比传统的两塔流程需更少的再沸热量和冷凝量,出,对于某些给定的物料,分隔壁式精馏塔和常规精馏塔相比需更小的回流比,故操作容量大,节能最高达 60%以上,可能省设备投资 30%。分隔壁式精馏塔能广泛地应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制。在分隔壁式精馏塔中,物料在再沸器中只被加热一次,它在高温区的停留时间相应较短。故该塔型既适于多组分物系中轻组分为热敏物系的分离,同时还适用于挥发度居中的热敏物系的分离。分隔壁式精馏塔所采出的中间产品的纯度比普通精馏塔侧线出料的纯度大,因此,当希望得到高纯度的中间产品时应先考虑使用分隔壁式精馏塔 [3]。若分离 A、B 和 C 三个组分,且相对挥发度依次递增时,进料混合物中组分 B 的量最多时,采用分隔壁式精馏塔的分离效果将最好,且能耗最小。采用分隔壁式精馏塔具有的节能优势最明显。由于采用分隔壁式精馏塔时,分离三组分混合物是在一个塔内完成的,故整个分离过程的压力不能改变。当需要改变压力时,只能用常规的双塔精馏流程。隔壁式精馏塔的关键技术分隔壁式精馏塔的关键技术主要有以下几个方面:(1)位置在分隔壁式精馏塔中分离三组分混合物时,在精馏塔中设置 1 块垂直的隔板-分隔壁,分隔壁的长度,放置的位置及离精馏塔的上、下部的距离都会影响此塔的分离效果。分离三组分混合物时,若将分隔壁向精馏塔的底部延长,则可有效- 8 中间组分从下端进入出料一侧也变得困难起来。这样会使更多的中间组分从分隔壁的上端进入中间出料一侧或者需要增加塔的下部(分隔壁下部的提馏段)的分离能力来分离中间组分的重组分。同样的若将分隔壁向精馏塔的上部延伸,阻止了重组分从分隔壁的上端进入中间出料一侧,但同时也增加了中间组分从上端进入中间出料一侧的困难。(2)经过分隔壁两边的汽液相流量分配:采用分隔壁式精馏塔分离三组分混合物时,从塔底上升的蒸汽在分隔壁两侧分为两部分。若蒸汽在分隔壁两侧分配量不相等时,根据进料及出料情况,在某种情况下具有热力学优势。要想使分隔壁两侧的汽相流量不相等,一般有两种方法:A.分隔壁不放置在塔中间;B.通过内部设置使分隔壁一侧的压降大于另一侧。控制分隔壁两侧的汽相流量主要通过两侧的压降完成的,要使两边的压降不同可以通过设计一些特殊可控制大小的节气阀来实现,或者使分隔壁两侧的结构不同。不管采用哪种方法都需要非常精确的压降关联式。分隔壁两侧的液体流量分布成为此类塔设计及优化操作的一个关键。一般在分隔壁的上方可设计一个流量分配器来控制液体流量;在分隔壁的下方可设计一个流量分配器来控制气体流量使进入隔板两侧的流量不同,从而达到所需的中间产品、塔顶及塔釜的分离要求。(3)分隔壁式精馏塔在国内、外的现状与研究方向:的现状分隔壁式精馏塔于二十世纪三十年代在美国因裂解分离而提出的概念。自能源危机开始活跃,经多年的发展、研究及各大工业工厂的应用,到目前已经形成相当大的规模,并且申报、获得了多项专利。现在的分隔壁式精馏塔设备已从一开始将隔板焊在塔上发展到可移动的隔板,对大直径的塔,垂直隔板可变为特殊设计的易于安装的人孔大小的部件。还有适用于特殊需要的偏离中心位置的垂直隔板。对塔的安装方式、塔板放置位置及角度等方面都达到了极高的发展程度。就像当年的催化精馏一样,分隔壁式精馏塔发展势头会越来越好,它的应用将会越来越广,- 9 隔壁式精馏塔在国内的发展规模还很小,到目前为止,在国内只有很少的分隔壁式精馏塔研究机构和应用单位,也很少发现分隔壁式精馏塔的研究文章。我国在石油化工及天然气化工领域的能耗比国外大,占在石油化工及天然气化工能耗 70%~80%的老式精馏塔操作是有过度能耗之嫌的。在扩大精馏生产或投资新厂时应考虑应用分隔壁式精馏塔技术。隔壁式精馏塔的调节与控制,分隔壁式精馏塔的设备加工基础研究,分隔壁式精馏塔的计算方法。凡分离三组分以上的混合物时,都可考虑用分隔壁式精馏塔。因此分隔壁式精馏塔应用的系统很多。例如用在甲醇生产中,采用合成氨联产甲醇技术降低生产成本,调整产品结构,联醇生产的精馏大多采用主双塔精馏流程。通过预精馏塔脱除轻馏分杂质,通过主精馏塔脱除重组分杂质,在主精馏塔顶部得到甲醇产品。该流程的双精馏塔若为隔壁式精馏塔同样可以实现分离要求,通过计算或调节确定控制条件或进出料位置,从侧线分离出甲醇产品,塔顶脱除轻组分,塔釜脱除重组分。这样既可以节省投资成本又可以节省能耗、简化流程。一旦采用隔离壁精馏塔分离技术,将会使分离成本能耗得到明显降低,给化工生产分离带来新的革命。总之,分隔壁式精馏塔技术是具有独特作用的精馏。它在化学工业中的应用越来越广泛,将取得的成果逐步加以推广,必将创造极大的经济效益 6]。- 10 章 结束语精馏设备在化学工业生产中占据相当重要的位置,应用的越来越广,取得的成果越来越高,所创造的经济效益也越来越大。无论国内国外都是显而易见的,在国外(尤其是欧美国家)对精馏设备的应用与研究已经达到了相当高的程度;在国内也已经能够满足化学工业生产的需要,同时在对其研究与应用方面也在突飞猛进的高速发展;但尚有许多不足与欠缺之处,与国际相比也需要进一步的研究与发展。现有精馏设备的优点:(1)结构简单,造价低;(2)生产能力大,分离效率高;(3)操作弹性大,精馏效率较高。所存在问题包括:(1)对原材料的适应性存在差异;(2)容易堵塞,不宜处理易结焦、粘度大的物料;(3)生产能力和工作效率不高有待提高。新型精馏设备的研究与发展趋向是全面的把高速、高效与简化结构结合起来。较之旧型设备,性能都有所改进,材料与加工方面也有节约。但它们都多少还存在某些问题和不足之处,如操作稳定性尚差,气液分配还有一定的缺陷等。当然随着进一步研究和生产数据的完善,新型精馏设备和其它化工设备一样,将不断更新换代,日趋完善。为国际化学工业生产服务,为经济社会发展服务 [7]。- 11 ]于成.《粗馏与精馏》2):4~18[2]贾树彪,李盛贤,吴国峰.《新编酒精工艺学》.北京:化学工业出版社,2004[3]王亚斌.《精馏设备的发展前景》):11~20[4]徐孝民,周青,沈复.《国外气液传质设备的一些发展趋势》1994 年[5][6]陈亚平等.《螺旋板式换热器用于乙醇蒸馏装置实验研究》[7]陈健,郑海军.《粗馏与精馏》.北方工业.2004(29):19~23- 12 衷心感谢我的恩师对我的淳淳教诲和悉心关怀,在我大学三年里,她给予了无微不至的关心。恩师对我的指导和影响之大,怎样言说都表达不尽,自己取得的点滴成绩无不凝聚着恩师的心血。恩师国际化的视野,前沿而精髓的学术造诣,严谨勤奋的治学风格,都让我永志不忘,深刻影响着我日后的工作和生活。
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