化工生产基本知识.

化工生产基础知识
目录：
一、化工生产中的蒸馏操作
二、蒸馏的分类
三、蒸馏基本概念
四、特殊精馏
五、精馏设备
（一）换热器
（二）板式塔
（三）填料塔
（四）压力容器
六、精馏塔的操作：
（一）精馏塔的开工准备
（二）精馏塔的开停车
（三）精馏塔的操作调节
（四）精馏塔的节能
（五）精馏塔的安全技术
七、化工生产中的吸收操作
（一）吸收基本概念
（二）吸收理论
（三）吸收设备
（四）吸收操作
一、化工生产中的蒸馏操作
在石油、化工、轻工等生产过程中，许多原料、中间产物、粗产品等几乎都是由若干组分组成的混合物，且大多是均相混合物。

生产上为了满足贮存、运输、加工和使用的要求，需将这些混合物提纯分离成教纯净或几乎纯态的物质。

互溶液体混合物中，饱和蒸汽压较大的组分的沸点较低，沸点较低的组分容易汽化，称为“易挥发组分”或轻组分。

饱和蒸汽压较小的组分的沸点较高，沸点较高的组分不容易汽化，称为“难挥发组分”或重组分。

蒸馏是分离液体均相混合物或液态均相气体混合物的操作。

蒸馏操作是基于组成混合物的各组分具有不同的挥发度即在相同温度下各自饱和蒸汽压不同以实现分离的一种单元操作。

该分离操作是通过加入热量或移出热量的方法，使混合物形成汽液两相，汽液两相在相互接触中进行热量质量传递，使易挥发组分在汽相中增浓,难挥发组分在液相中增浓,从而实现互溶混合物的分离.其中应用最广泛的是精馏操作.
二、蒸馏的分类
工业蒸馏过程有多种分类方法。

（一）操作流程分类
按操作方式是否连续可分为间歇蒸馏和连续蒸馏，生产中以后者为主。

间歇蒸馏主要应用于小规模、多品种或某些具有特殊要求的场合。

（二）按照蒸馏方式分类可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏和特殊蒸馏。

对于易分离的物系或对分离要求不高的物系，采用简单蒸馏和闪蒸，对于较难分离的物系或对分离要求较高的物系采用特殊蒸馏。

特殊蒸馏包括水蒸汽蒸馏、恒沸蒸馏、萃取蒸馏等。

（三）按操作压力分类
按操作压力分类可分为常压、加压和减压操作。

工业生产上一般都采用常压操作在常压下为气态混合物，则采用加压蒸馏，在常压下沸点较高或在高温下易发生分解、聚合等易变质的物系，则采用减压蒸馏。

（四）按混合物中组分的数目分为两组分精馏和多组分精馏。

工业生产上一般都采用多组分精馏，但两组分精馏的原理及计算原则同样适用于多组分精馏，只是处理多组分精馏过程时更为复杂，因此常以两组分精馏为基础。

三、蒸馏基本概念
1、相：系统内部物理性质和化学性质完全均一一致的部分称为相。

蒸馏过程的
混合物虽然是多组分的但不同组分的液体没有分界面，是一个液相，混合液
体上访的蒸汽虽然也是多组分的但没有分界面是一个气相。

2、饱合蒸汽压、沸点、汽液平衡：当汽相蒸发速度与液相冷凝速度相等时这种
状态叫汽液平衡状态，此时的温度即该混合物在该压力下的沸点，该压力就叫该混合物在该温度下的饱和蒸汽压。

3、泡点温度、露点温度：当液相混合物升温达到某一温度值时溶液开始沸腾，
此时产生第一个汽泡的温度称为泡点温度。

当汽相混合物降温达到某一温度值时溶液开始冷凝第一个液滴出现时的温度称为露点温度。

设计上塔顶温度略大于露点温度，塔底温度略高于泡点温度。

4、挥发度、相对挥发度：挥发度是表示某种液体易挥发的程度。

对于纯组分通
常用它的饱和蒸汽压来表示。

溶液中各组分的蒸汽压因组分的相互影响要比纯态时低，故溶液中各组分的挥发度则用它在一定温度下蒸压和与之平衡的液相中该组分的摩尔分数之比来表示。

溶液中两组分的挥发度之比称为相对挥发度。

5、简单蒸馏（微分蒸馏）：是使混合物在蒸馏釜中逐次地部分汽化，并不断地将
生成的蒸汽移至冷凝器冷凝，可使组分部分地分离，这种方法称为简单蒸馏，也称微分蒸馏。

6、平衡蒸馏：又称闪蒸。

料液加热后经减压送至闪蒸罐，可以连续进料连续移
出蒸汽和液相，是一个连续稳定过程。

因此以得到稳定的浓度的汽相和液相，但分离程度仍然不高。

所形成的汽液两相可认为达到平衡，所以称作平衡蒸馏。

7、精馏：是将由挥发度不同的组分所组成的混合液在精馏塔中进行多次部分汽
化和多次部分冷凝操作使其分离成几乎纯态组分的过程。

8、精馏流程：可间歇进行也可连续进行，精馏装置一般由精馏塔、塔顶冷凝器、
塔底再沸器、贮槽、回流泵等相关设备组成，有时还配有原料预热器、产品冷却器、出料泵等辅助设备。

9、回流比：回流是保证精馏连续稳定操作的必要条件，塔顶回流料液流量与塔
顶馏出料液的比值叫回流比。

在满足塔顶产品质量的同时一般选择低稳低压低回流操作,能耗成本最低.
10、回流方式：按回流方式分内回流和外回流，是否使用动力分为自然回流和强
制回流，温度分热回流和冷回流。

1）自然回流：回流冷凝器置于塔顶，回流液借重力自然回流到塔内。

回流比波动大控制不够平稳，常用于小型精流塔。

2）强制回流：用泵将回流液打入塔内，不需将冷凝器置于塔顶。

回流易于控制但消耗动力。

大型精馏塔多采用这种方式。

3）内回流：有些冷凝器直接置于塔顶，上升蒸汽进入冷凝器进行部分冷凝、冷凝液直接回流入塔，没有冷凝的部分蒸汽从冷凝器的上方出塔。

这种回流方式称为内回流。

内回流流量不易控制
4）冷回流和热回流：回流液处于泡点温度时称为泡点回流又称热回流。

自然回流都属于热回流。

回流液的温度低于泡点时称为冷回流。

强制回流都属于冷回流四、特殊精馏：采用普通蒸馏方法分离混合物并非在任何情况下都经济合理,当分离的混合物为衡沸混合物或在高温下分解时都必需采用特殊蒸馏的方法来分离.工业上应用较广的特殊蒸馏方法有水蒸汽蒸馏、衡沸蒸馏、萃取蒸馏等。

水蒸汽精馏：若混合物在常压下沸点较高或在沸点时分解，即可采用水蒸汽蒸馏。

水蒸汽蒸馏就是将水蒸汽直接加热置于蒸馏釜中，从而降低了被蒸馏产物的沸点，使被蒸馏物中的组分得以分离的操作（被蒸馏物与水蒸汽完全或几乎不互溶）恒沸精馏：在混合物中若他们的沸点接近或相互重叠，可以利用恒沸蒸馏的方法来分离它们。

在恒沸物中加入专门选择的溶剂，使溶剂与被分离混合物中的一个或几个组分形成新的恒沸混合物，从而使各组分间沸点差增加，达到分离的目的。

而所组成的新的混合物（恒沸物），一般较原来任一组分的沸点低，蒸馏时，新的恒沸物从塔顶蒸出，塔底则为另一纯组分。

要进行横沸蒸馏，所加入的的溶剂量必须保证塔内在分离过程终结前始终有溶剂存在。

萃取精馏：萃取精馏与恒沸蒸馏相似，是在分离的混合物中加入选择的第三组分----萃取剂，而该萃取剂有选择地与混合物中某一组分完全互溶，所形成的互溶混合物的相对挥发度要比被分离混合物中所含组分的相对挥发度小的多，即增大了被分离各组分的相对挥发度，从而使混合物得以分离的操作。

五、精馏设备
精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工、制药
等工业中得到了广泛的应用。

精馏是同时进行传质传热的过程，为实现精馏过程需为该过程提供物料的贮存、换热、输送、分离、控制等设备和仪表。

（一）换热器
1.概念：是一种热量相互传递，来满足生产工艺需要的设备。

2.划分：
按用途分：热交换器、冷凝器、蒸发器、冷却器和加热器。

按结构和材料分：管式换热器、板式换热器、新型材料换热器和其它形式换热器。

其中管式换热器包括：套管式换热器、管壳式换热器、喷淋式换热器、翅片管式换热器等。

目前我们最常用的就是管壳式换热器，它按结构分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器和填料函式换热器。

管壳式换热器的结构：管箱、壳体、管束、管板、折流板、防冲挡板与导流装置。

其中折流板的作用是为了提高壳程介质流速，强化传热效果，对卧式还有支撑管束的作用。

（1）.固定管板式换热器：平行管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上。

特点：结构简单，相同的壳体内径排管最多，管板最薄，造价最低。

缺点：壳程清洗困难，有温差应力存在，当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和换热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上有膨胀节，限制壳体压力不能太高。

适用场合：适用于两种物质温差不大（例如不超过60－80度）或温差较大，但壳程压力不高，以及壳程介质清洁，不易结垢的场合。

（2）.浮头式换热器：换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动。

特点：管束可以从壳体内抽出来，便于清洗；管束的热变形不会受到壳体的约束，消除了热应力。

缺点：是结构复杂，造价高（比固定管板式高20％），在运行中浮头发生泄漏，不易检查处理。

适用场合：适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。

（3）U型管式换热器：换热管弯成U型，两端固定在同一块管板上，管束可以自由伸缩，管子的入口端集中在半块管板上出口端集中在另半块管板上，中间用管箱的分程管板隔开。

特点：换热管可以抽出清洗，热应力可以消除。

缺点：管内清洗困难，由于U型管排列由里到外，导致壳程内出现了一个不能排列的条形空间，排管少，既影响结构紧凑，又要安装防短路的中间挡板。

适用场合：适用于两种介质温差较大，或壳程介质易结垢，需要清洗，管程介质应是无杂质，不易结块物料。

（4）填料函式换热器：一端固定，另一端靠填料函密封可以自由伸缩，壳程管程均可清洗。

特点：换热管可以抽出清洗，热应力可以消除，结构较浮头式简单。

缺点：壳程压力较高时易泄漏。

适用场合：不易用于易挥发、易燃易爆、有毒介质，使用温度亦受填料影响，一般不超过315度。

（5）翅片管式换热器：空冷器
3.日常检查：
（1）温度：温度是换热器运行中主要的控制操作指标，它可以判断、分析介质流量的大小及换热情况的好坏。

（2）压力：通过液体压力及进出口压差，可判断换热器内部的结垢、堵塞情况及流体流量大小或泄漏情况。

（3）泄漏：有外漏和内漏，可从介质的温度、压力、流量、异声、振动及其它异常现象来判断。

（4）振动
精馏常用换热器：
1、再沸器形式及选择：再沸器又称蒸馏釜，是精馏装置的重要附属设备。

其形式较多,主要有以下几种：
1)立式热虹吸式再沸器:它利用塔底单相釜液与换热器传热管内气液混合物的
密度差形成循环推动力,构成工艺物料在精馏塔底与再沸器间的流动循环.这种再沸器传热系数高、结构紧凑，安装方便，釜液在加热段的停留时间段，不易结垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等优点。

但由于结构上的原因，壳程不能采用机械清洗，因此不适于高粘度或较脏的加热介质。

同时是立式安装因而增加了塔的裙座高度。

2)卧式热虹吸式再沸器：它是利用塔底单相釜液与再沸器中气液混合物的密度
差维持循环。

卧式热虹吸式再沸器的传热系数和釜液在加热段的停留时间均为中等，维护和清洗方便，适用于传热面积大的情况，对塔釜液面高度和流体在各部位的压降要求不高，适用于真空操作，出塔釜液缓冲容积大，故流动稳定但占面积大。

立式及卧式热虹吸再沸器本身没有汽液分离空间和缓冲区,这些均由塔釜提供。

3)强制循环式：依靠泵输入机械功进行流体的循环，适用于高黏度液体及热敏
性物料、固体悬浮液以及长显热段和低蒸发比的高阻力系统
4)釜式再沸器：由一个带有汽液分离空间的壳体和一个可抽出的管束组成，管
束末端有溢流堰，以保证管束能有效地浸没在液体里。

溢流堰外側空间作为出料液体的缓冲区。

再沸器内液体装料系数，对于不易起泡的物系为80%，对于易起泡的物系为65%。

釜式反应器的特点是对流体力学参数不敏感，可靠性强，可在高真空下操作，维护和清理方便，缺点是传热系数小，壳体容积大，占地面积大，造价高，釜液在加热段的停留时间长，易结垢。

5)内置式再沸器：是将再沸器的管束直接置于塔釜内而成，其结构简单，造价
比釜式再沸器低，缺点是由于塔釜空间容积有限，传热面积不能过大，传热效果不够理想。

再沸器形式的选择：工程上对再沸器的基本要求是操作稳定、调节方便、结构简单、加工制造容易、安装检修方便、使用周期长、运转安全可靠、占地面积和安装空间高度要合适。

一般说来在满足工艺要求的前提下，应首先考虑选用立式热虹吸式再沸器，因它具有上述一系列的突出优点和优良性能。

但以下三种情况不
宜选用：1）当精馏塔在较低液位下排出釜液，或在控制方案中对塔釜液面不作严格控制时，应采用釜式再沸器。

2）当高真空下操作或者结垢严重时，立式热虹吸再沸器不太可靠，这时应采用釜式再沸器。

3）在没有足够的空间高度来安装立式热虹吸再沸器时，可采用卧式热虹吸再沸器
强制循环再沸器，由于其需要增加循环泵，故一般不宜选用。

只有当釜液黏度较高或受热分解时，才采用强制循环再沸器。

2、冷凝器:冷凝器是将工艺蒸汽冷凝成液体的设备，有时产品需要进一步冷却至某一温度，则需设置冷却器。

冷凝器和冷却器的种类都很多，与精馏塔相配套用的仍以列管式冷凝器最为常见。

1）卧式壳程冷凝器
2）卧式管程冷凝器
3）立式壳程冷凝器
4）管内向下流动的立式管程冷凝器
5）向上流动的立式管程冷凝器
在选择和操作冷凝器时还应考虑以下因素：1）蒸汽压力对于低压蒸汽，为减小压降宜在壳程冷凝，对于高压蒸汽，为降低设备投资，宜在管程冷凝。

2）结冻与结污若冷凝液可能冻结，为使堵物影响小些，宜在壳程冷凝若蒸汽含污或有聚合作用为便于清洗宜在管程冷凝。

3）蒸汽为多组分冷凝多组分蒸汽或在汽提时能够防止低沸点组分冷凝宜采用立式管程冷却器。

4）冷却剂常用冷却水，但由于温度限制常再用冷却器进一步冷凝，如还需更低温度则选用低温冷却剂如冷冻盐水、液氨等5）相变冷却剂无相变时只要改变冷却剂用量即可改变冷凝液的量或冷却温度，对于有相变的冷却剂，改变蒸汽压力即可改变蒸发温度从而改变冷凝液的量或冷却温度。

精馏塔：在精馏操作中汽液两项的接触是在塔内设备内进行的，液体依靠重力自上而下流动，气体依靠压力差自下而上与液体逆向流动。

为了使汽液接触良好，塔内要安装不同类型的塔板和填料，根据这些塔内件的结构，前者称为板式塔，后者称为填料塔。

工业上要求塔设备：1）技术性能优良好，保证汽液两相达到充分的传质、传热，
塔板效率高，操作稳定、弹性大，操作条件改变时塔板效率变化不大。

2）生产能力大，单位塔截面的处理量大3）气体阻力小4）结构简单、易于制造，操作调节和维护方便，耐腐蚀，不易堵塞等
(二)板式塔容器
图-1
1-气液传质区 2-气液分离区 3-降液区
图2 板式塔传质机理示意图
１－塔壳体；２－塔板；３－溢流堰；４－受液盘；５－降液管
A.分类：
1.按操作压力分类：加压塔、减压塔、常压塔。

2.按化工单元操作分类：精馏塔、吸收塔和解吸塔、萃取塔、反应塔、再生塔、干燥塔。

3.按汽液接触的构件分类：填料塔、板式塔。

其中板式塔按塔盘的结构不同有泡罩塔板、筛板塔板、浮阀塔板、喷射塔板,如：舌形、网孔、筛孔等。

泡罩塔：操作弹性大，易操作，效率高，但缺点是结构复杂，造价高，压降大。

筛板塔：效率高，处理量大，压降小，结构简单，造价低，但是操作弹性小，而且只能用于较洁净的混合液的精馏。

浮阀塔：则兼有操作弹性大，分离效率高，处理量大，气体压降小，而且不怕脏粘物料，机构简单，造价低廉等优点。

舌形塔：处理量大，压降小，机构简单，容易制造、安装和检修，但效率一般，操作弹性不大，在低负荷时容易漏液，循环回流不易建立。

多采用集油箱。

浮阀塔
浮阀塔盘
（1）操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平方向吹入塔板上液层，进行两项接触。

液体则由上一层塔盘流入，经进口堰均布，再横向流过塔盘与汽相接触传质后，再经溢流堰进入降液管，流入下一层塔盘。

（2）塔体包括：筒体、塔板、浮阀、降液管、受液盘、产品抽出口、回流液口等。

其中降液板：作用是使液体由上一层塔板流到下一层塔板。

溢流堰：具有维持上液层高度及液流均匀的作用。

入口堰：作用是使上一层塔板流入的液体能在塔板上均匀分布，并减少进入处液体水平冲击。

受液盘：便于液体侧线抽出，在低液流量时，仍能形成液封，具有改变液体流向的缓冲作用。

浮阀：有F1型浮阀、ADV微分浮阀、BJ浮阀等等。

ADV微分浮阀塔盘
ADV浮阀塔盘，进一步优化了塔板上气液两相的流动状态和接触状态，从而进一步提高了塔盘的处理能力和分离效率。

同F1塔盘相比， ADV塔盘有以下优点：
1.塔板处理能力提高40%
2.塔板效率提高10%以上
3.塔板操作弹性大幅度提高
4.板漏液降低60%以上
ADV微分浮阀塔板的结构特点
1).ADV微分浮阀顶面有切孔，部分气流由此喷出，形成细密的气泡，充分利用了浮阀上部的传质空间，气液接触更充分，提高了传质效率。

同时，浮阀下部的气体负荷减少，减轻了高负荷下的气流冲击，从而减少了雾沫夹带，提高了生产能力。

2).带有导向作用的ADV微分浮阀，消除塔板上的液体滞止区，使液体分布接近理想的流动分布，从而提高了塔板效率。

3、ADV微分浮阀与F1浮阀的性能对比
ADV微分浮阀与F1浮阀的性能对比在完全相同的条件下进行了实验对比，结果如下：
1)ADV微分浮阀较F1浮阀的压降略低。

2)高气速下，ADV微分浮阀的雾沫夹带较F1浮阀大幅降低10%;夹带点气速提高约20～30%。

3)ADV微分浮阀的泄漏率较F1浮阀大幅下降，相应的操作弹性由5提高至10。

4)ADV微分浮阀的解吸塔板效率较F1增加5～15%。

（3）塔板的流动形式有：
单溢流型：塔直径及液相负荷过大时，易产生气液分布不均。

双溢流型：适用于塔径较大或液相负荷较大的场合。

舌形塔盘
（三）填料塔
（1）是气液呈逆流的连续接触式塔板。

操作时气体从塔下部进入，穿过填料支撑板向上呈连续相通过填料间空隙，液体在填料表面分散成薄膜，经填料间的空隙下流。

（2）组成：塔体、填料、液体分布装置、填料压板、填料支撑装置、液体再分布器装置、喷林装置、等。

其中液体分布器：为填料层提高足够数量并分布适当的喷淋点，保证液体均匀分布。

液体再分布器：将流经上一层填料的液体经液体收集器收集后再重新分配，使整个高度的填料层内部都得到液体的均匀分布。

（分布器分为孔流型、溢流型和喷淋型）
槽式液体分布器
盘式气液分布器
填料种类：鲍尔环，阶梯环，环矩鞍等常用散装填料。

散装填料最适合应用场合：
①换热；
②液膜控制的吸收。

阶梯环环矩鞍
鲍尔环
填料支承安装在填料层底部，主要有以下几个作用：
（1）阻止填料穿过填料支承而掉下来；
（2）支承操作状况下填料床层的重量；
（3）具有足够的自由面积以使气液两相自由通过。

填料压紧和限位装置安装在填料层顶部，用于阻止填料的流化和松动，前者为直接压在填料之上的填料压圈或压板，后者为固定于塔壁的填料限位圈。

规整填料一般不会发生流化，但在大塔中，分块组装的填料会移动，因此也必需安装由平行扁钢构造的填料限制圈。

用于小塔径的填料支承分块式填料支承整体式填料支承
用于散装填料的气液分流式填料支承用于散装填料的填料压圈
普通丝网除雾器
普通丝网除雾器大多为平铺丝网除雾器(如下a~h图所示)，具有结构简单、造价低廉的特点。

缺点是操作弹性较小、允许气速低、易产生二次夹带，造成分离效率较低。

a b
c d
e f
g h
丝网除雾器
集油箱：其主要作用是收集该段填料的液体供抽出
填料塔：具有结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，适应性较好。

对板式塔和填料塔应用的选择：
根据生产工艺条件，系统的物性、操作条件、操作方式，以及技术经济性能。

一般考虑如下：
A.对于腐蚀性物质，通常选用填料塔。

因为填料可选用耐腐蚀性能好的非金属材料，比塔板便于处理。

B.对于易起泡物系，选用填料塔更适合。

因填料对泡沫有限制和破碎作用，而板式塔容易产生雾沫夹带，甚至造成淹塔。

C.对于处理易聚合或含有固体颗粒的物料，易采用板式塔。

不易堵塞。

D.对于处理过敏性物系，宜采用填料塔。

因填料塔的持液量比板式塔少，物料在塔内停留时间短。

E.对于在分离过程中有明显吸热或放热效应的物系，宜采用板式塔。

因便于在塔板上安装加热或冷却装置。

F.对于有多个进料及侧线抽出的塔器，宜采用板式塔。

因填料塔结构复杂。

G.对于高粘性物料的分离，宜采用填料塔。

因在板式塔中传质效率低。

H.对于处理量或负荷波动大的场合，板式塔优于填料塔。

因填料塔会造成液体分布不均或泛液。

I.填料塔比板式塔重，造价高。

塔器的日常检查：
A.操作条件：查看压力表、温度计、流量计；检查设备操作记录。

B.物料变化：查看物料分析记录。

C.防腐保温：
D.设备及连接处：检查有无裂纹、泄漏、腐蚀
其它相关设备还有贮罐、管线、泵等辅助设备。

精馏装置除精馏塔、再沸器、冷凝器（包括冷却器）以外还有贮罐、管线、泵等辅助设备。

贮罐分为原料液贮罐、产品贮罐、中间缓冲罐、回流罐、气液分离罐等。

这些设备主要工艺指标是容积或者是工艺要求物流在贮罐的停留时间同时考虑一定的填充系数来决定容积的大小。

此外还应根据其操作条件选择贮罐的结构形式。

管线主要是根据物流的流量及性质，选定安全适宜的流速，确定输送管道的内径，再根据物料的性质确定管材，此外根据装置的平立面布置及相对位置确定所需的管线长度以及管线上的阀门、管件、仪表、单元设备等。

泵依据输送物料流经的管线、阀门、管件、单元设备及压力的变化计算输送物料所需的能量，以确定泵的扬程，根据输送物料的流量和性质来选择合适的泵。

（四）压力容器
1.定义：从广义上讲，凡是承受流体压力的密闭容器，都称为压力容器。

2.术语：
最高工作压力:
指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。

设计压力:
指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度的压力（即标注在铭牌上的容器设计压力），其值不得小于容器使用时的最高工作压力。

设计温度:。