浅谈精馏塔在实际设计时的注意事项

郑成凯（天津鲁华化工有限公司，天津300270）

浅谈精馏塔在实际设计时的注意事项

郑成凯（天津鲁华化工有限公司，天津300270）

本文介绍了精馏塔在进行优化设计时需要注意的问题，同时指出了在为实际生产装置进行精馏塔设计时所需要考虑的一些问题和解决办法。

精馏塔；优化；实际生产

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，它是化工企业进行连续化生产的主要生产装置之一，在化工生产过程中起着十分重要的作用，它决定着一个化工厂生产效率。

1　精馏塔简介

精馏塔是运用精馏的原理，将沸点不同的两种或者两种以上的混合液体进行分离的装置，其主要作用是为气液两相接触进行相际传质提供空间。

精馏塔在大体上可以分为填料式精馏塔和板式精馏塔两大类，其中板式精馏塔因其结构简单、制作维修方便；生产能力大，塔板效率较高；有较高的操作弹性以及制作成本低等特点，成为了化工企业中较为常见的精馏塔。

精馏塔要完成整个精馏过程还需要有进料预热器、塔底再沸器、塔顶冷凝器等设备进行配合工作。

2　精馏塔的设计

在进行精馏塔设计时，首先需要考虑的是：操作压力，进料状况，加热方式及其热能的利用等内容；其次要根据化工厂所使用的原料中各类物质的组分含量以及对精馏塔的生产要求进行物料衡算，以确定精馏塔塔板数量和进料板位置；然后再根据所要完成的精馏段的工艺参数及有关的物料性质数据，通过计算来确定塔径、塔高、塔板溢流装置和塔板布置等的计算，还要通过筛板的流体力学进行验算，以确定所设计的精馏塔是否会出现液沫夹带、漏液和液泛等情况；最后还要对其他辅助设备进行设计计算。

3　精馏塔在设计优化时要注意的问题

3.1理论塔板数与回流比的优化

精馏塔最主要的设备就是塔器（高度L和直径D），以及两台换热器，其他较小的设备，例如机泵、阀门以及回流罐，很少在概念设计阶段就予以考虑，塔盘的成本比起塔器和换热器而言显得很小，通常也忽略不计，对于精馏塔设计经济核算优化，经常使用比较简单的目标函数，例如年度总费用，对于塔板数和回流比的优化，都是在固定其他变量的情况下，单独变化塔板数或者回流比，计算出对应的年度总费用，然后找出使得年度总费用最小的塔板数或回流比。此时，往往需要采用迭代计算，以求出在所有变量的最优解。

3.2进料位置的优化

（1）对于塔顶产品占主要比例的蒸馏塔，进料的气化率对塔釜再沸器的热负荷影响十分显著，随气化率的上升，再沸器热负荷以较大的比例下降，与此同时，塔顶冷凝器的热负荷只有中等程度的变化，此时进料以露点或过热为宜。

（2）对于塔釜产品占主要比例的蒸馏塔，进料的气化率对塔顶冷凝器的热负荷影响较为显著，随气化率的上升，冷凝器的热负荷以较大的比例增加，与此同时，塔釜再沸器的热负荷只有中等程度或很小的变化，对于冷凝器处于低温状态，使用冷剂的价格较高时，进料为泡点或过冷时，会取得十分显著的经济效益。

（3）当蒸馏塔进料来自上游塔的塔顶采出时，且该蒸馏塔塔顶出料占主要比例，则上游塔顶采出以气相为宜，而不应取泡点出料，这样前后两塔可以节省能耗。

3.3进料状态的优化

蒸馏塔的最佳进料板位置可以从3个方面进行定义：（1）相同分离要求及板数下，回流比最小或冷凝器、再沸器热负荷最小；（2）相同板数及回流比下，塔顶和塔釜产品的分离纯度最高；（3）相同分离要求和回流比下，所需塔板数最少。

对于进料位置的优化，通常要借助计算机软件，采用灵敏度分析来进行，通常是在可行的进料板数范围内，逐板寻找使热负荷最小的塔板作为进料板。

4　在实际生产过程中精馏塔设计时要注意的问题

4.1进料板位置的确定

在实际生产过程中化工厂所使用的原料很多都是属于由多中物质组成的混合物，其中各种物质的组成含量并不是一成不变的，所以其不确定性对精馏塔的设计会存在很大的影响，使得在设计时确定的进料板位置等会出现变化，降低产率以及能量的浪费。

提供的原料组成中所需精馏物质组分含量最大值、最小值以及平均值来确定出三种进料板位置，用以保证精馏塔的工作效率。

4.2回流线位置的确定

在实际生产过程中一座精馏塔根据化工厂的实际需要其所需精馏的产品可能并不是一成不变的，要想改变精馏产物就必须改变提馏段温度。

要解决此问题一般可采用的办法是在设计时可根据化工厂提供的所需产品的理化形式在计算确定回流线位置时设计两到三个位置即可保证在其他生产条件不变的情况下改变精馏产品。

5　结语

精馏塔在进行设计时都是通过给定的数据来进行分析计算的，仅仅是停留在纸面上的一些理想化的数据，而在实际建造和实际生产时，这些给定出的数据往往都不是一成不变的，在这种情况下就需要我们在进行设计时要提前考虑到这些不确定性因素，才能保证所设计出的精馏塔能够在实际生产时发挥出应有的生产能力，保证企业的连续化稳定生产，而不是拖累生产，增加企业生产成本的“绊脚石”。

［1］R.K.Sinnott主编，宋旭峰译；化工设计；中国石化出版社；2009，P390～410.

［2］Douglas J.M.；Conceptual Design of Chemical Process；Weinheim，Germany，2004.

［3］吴俊生，邵惠鹤；精馏设计、操作和控制；中国石化出版社，1997.

［4］陈洪钫，刘家祺；化工分离过程；化学工业出版社，1995.

［5］柴诚敬，化工原理。北京：高等教育出版社，2010.06

［6］化学工业规划设计，塔的工艺计算。北京：石油化学工业出版社，1997

郑成凯（1985-），男，助理工程师，毕业于河北工业大学高分子材料与工程专业，现从事裂解碳九深加工装置管理工作。