精馏过程运行安全分析

精馏过程操作安全分析
精馏过程涉及热源加热、液体沸腾、气液分离、冷却冷凝等过程，热平衡和相变的安全性是精馏过程安全的关键。

1 蒸馏过程分析
化工生产中，精馏设备——塔设备是应用最广泛的非定型设备。

由于用途不同，操作原理不同，所以塔的结构形式、操作条件差异很大。

本文以精馏塔为例，主要介绍了精馏塔的类型、性能、选型原则等。

(1)多组分溶液精馏方案的选择多组分溶液精馏方案按精馏塔中
组分分离的顺序不同可以分为：按挥发度递减的顺序采用馏分的流程；按挥发度递增的顺序采用馏分的流程；按不同挥发度交错采用馏分的
流程。

最佳分离方案的选择对工艺流程和精馏塔的设计至关重要。

一
个好的分离方案应当具备合理利用能量、降低能耗，设备的投资少，
生产能力大、产品质量稳定及操作安全等特点。

(2)冷凝器的流程与形式常见冷凝器的布局如图所示3—1所示，
主要有以下三种。

1)整体式。

将冷凝器和塔连成一体，优点是占地面积少，节省冷
凝器封头。

缺点是塔顶结构复杂、检修不便，它主要用于冷凝器较小、冷凝液难以泵送或泵送有危险的场合。

如图3—1(a)、(b)所示。

2)自流式。

将冷凝器装在塔顶附近的台架上，其特点与整体式相近，凝液自流人塔，通过改变工作台的高度，可以获得回流和采用所
需的液位差。

如图3—1(c)所示。

3)强制循环式。

将冷凝器安装在远离塔顶的较低位置，用泵向塔
内提供回流，在冷凝器和泵之间设置回流罐。

如图3—1(d)、(e)所示。

大规模生产中多采用这种形式。

分凝与全凝部分凝固或完全凝固根据以下因素确定：
1)如果塔顶产品在后续处理中以气态使用，则塔顶排放状态，同时，也能满足其他工艺要求，此时应采用分凝形式以气相出料。

反之，若要求得到液态产品时，应采用全凝形式以液态出料。

2)内回流控制在采用分凝条件下，一般回流液的温度是泡点，也
是蒸气出料的露点，此时需要较多的回流液循环以增加回流。

如果采
用全凝，回流液是作为过冷液体送回塔内的，此时，回流流量可由回
流液的温度控制。

3)部分冷凝和完全冷凝之间的比较。

冷凝模式取决于使用的工作
压力，所以要从投资费用和操作费用的经济角度考虑，对分凝和全凝
按表3—3逐项进行比较。

(3)再沸器的流程与形式在精馏过程中，再沸器的安全运行十分
重要，影响安全运行的条件也比较复杂。

硝基苯精馏过程中，由于过
早破坏真空，在高温条件下，空气进入系统，硝基苯酚钠引起爆炸，
由于同时采用降低液位，加大热量通人导致再沸器发生爆炸。

立式再沸器(立式热虹吸管循环式)如图3—2(a)所示。

传热效果好；釜液通过管内容易清洗，釜液在加热区停留时间短；加热剂通过管间，如采用不污染的加热剂，固定管板换热器可用于降
低换热器的成本；再沸器与塔釜的配管短，配管中压力损失小，装置
布置紧凑；占地面积小，基础简单；塔釜到再沸器之间的管道可安装
流量计，易于调节。

因一个塔在操作中不可能同时用几个再沸器，使
釜液循环平均分配难，所以传热面积受到限制；为了使釜液具有能循
环的压头，需使塔的裙座增高很多；再沸器蒸发效率高时体积膨胀率大，压力损失增加，所以限制蒸发率在30％以下；为了保证热虹吸所
需的压力平衡，塔底要装设堰板，以保持塔底部有一定的液面。

需防
止液面调节阀工作失灵；当循环量大时，再沸器可相当于一块理论板。

卧式再沸器(卧式热虹吸循环型)如图3—2(b)所示。

传热面积比立式再沸器大；有效压头增大，循环量增大。

另外，流量计可安装在塔
釜和再沸器之间的管道中，调节流量容易。

缺点：占地面积大，基础
和附加费用高：釜液通过管间清洗困难，所以在釜液有污染和黏结性
质时采用U型管插入卧式再沸器，以便能把管束从再沸器中抽出清洗；蒸发率限于30％以下；当循环量大时，再沸器可相，当于一块理论板。

强制循环型再沸器如图3—2(c)、(d)所示。

适用于不能自然循环
或水头不足的高粘度液体的强制循环；能起到冲刷、抑刷改善由结垢、聚合、结焦的釜液而恶化再沸器传热系数的作用，大规模装置的一个
塔如同时使用几个再沸器时，通过泵控制流量可使釜液能在各再沸器
内均匀分配；还可以在低蒸发率的操作条件下运行。

因为要增加泵，
所以固定费用和检修费用都较高，只有在自然循环不能操作的情况下
才能强制循环。

内插式再沸器如图3—2(e)、(f)所示。

无重沸器和循环系统管道
的简化主体；釜液无泄漏问题；小塔径可用蛇管束。

只限再沸器热负
荷较小的情况采用；塔内部需装管束架，为了方便安装、拆卸管束必
须设有大口径人孔或手孔；更按再沸器管束时必须停工，而塔外再沸
器可在操作中更换不必停车。

2 蒸馏设备安全运行分析
精馏设备的安全运行主要决定于精馏过程的加热载体、热量平衡、气液平衡、压力平衡、分离材料的热稳定性和填料选择的安全性。

曾
经发生由于釜温过高，pH值过小，三氮唑分解爆炸事故。

精馏设备的形式很多，根据塔内主要成分可分为板式塔和填料塔
两种。

板式塔又有筛板塔、浮阀塔、泡罩塔、浮动喷射塔等多种形式，而填料塔也有多种填料。

在精馏设备选型时应满足生产能力大，分离
效率高，体积小，可靠性高，满足工艺要求，结构简单，塔板压力降
小的要求。

上述要求在实际中很难同时满足，根据塔设备在工艺流程中的位
置和特点，在设计选型时应满足主要要求。

表3—4中列出了各类塔板
的性能。

在各种板式塔中，浮阀塔由于具有生产能力大，容易变动的操作范围大，塔板效率高，雾沫夹带量少，液面梯度小以及结构比较简单等优点，已在生产中得到了广泛应用。

筛板塔由于结构简单，近年来又发展出大孔筛板、复合筛板和斜孔筛板等新板型，也得到了较广泛的应用。

我国近年来相继研究出许多新型塔板，如导向板、旋流塔板等，其允许气速和板效率都比较高，填料塔中常用的拉希格环填料正在逐步推广应用，还有阶梯环、鞍形填料、波纹填料及网体填料等。

过程操作数据分析：
(1)塔设计的基础数据。

主要包括饲料量和饲料组成；产品要求(产品质量及收率)；进料状态(温度与相态)；冷却介质及冷却温度；塔设计时所需的物性数据，如气、液的密度、黏度、表面张力、液体的泡性、对温度的敏感性等。

(2)工艺流程及设备形式。

(3)汽液平衡数据。

(4)塔顶、塔底产品的组成和总物料平衡。

(5)塔的工作压力和温度。

包括塔顶操作压力、塔顶温度、塔底温度、进料温度。

(6)精馏塔结构尺寸。

最小回流比；操作回流比和理论塔板数；进料位置；塔高和塔径；塔的结构设计和流体力学的物理性质等。