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文献综述

前言

丙烯是三大合成材料的基本原料,在化工生产中扮演着重要的角色。主要用于生产丙烯腈、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等[1]。用以生产多种重要有机化工原料、生成合成树脂、合成橡胶及多种精细化学品。其对环境有害，建议用焚烧法处理。丙烷易燃，常用作烧烤、便携式炉灶和机动车的燃料。有单纯性窒息及麻醉作用，10%浓度以下的丙烷，会引起轻度头晕；接触高浓度丙烷会使人出现麻醉、意识丧失等状态；极高浓度时可致人窒息。

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、石油化工等工业中具有广泛的应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成成分的分离过程是同时进行传质传热的过程[2]。

一、研究有关背景

1、简述

精馏过程在能量剂的驱动下，气、液两相多次直接接触和分离，因液相混合物中各组分由液相向气相转移，而难挥发组分则由气相向液相转移，从而实现原料中各组分的分离。该过程是同时进行的传质、传热的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的存储、输送、传热、分离、控制等的设备和仪表。由这些设备和仪表等构成精馏过程的生产系统，即所要设计的精馏装置。

2、原理

利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分(重组分)却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，该过程被称为精馏。

精馏过程中，传热、传质过程同时进行。原料从塔中适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提馏段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。在精馏段,气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气相中不断地增浓，在塔顶获得轻组分产品[3]。

3、发展前景

未来精馏塔控制与节能优化的研究可以着眼于以下方向：继续精馏塔控制算法与优化策略的研究，提出更多更有效且易于实现的方法；开发研究完整、适用的控制与优化约束监督级，保证精馏塔先进控制与优化系统的长期有效运行；进一步研究精馏塔机理，根据实际装置的具体特点设计有针对性的控制系统、控制算法以及优化策略[4]。

二、研究内容

1、性状及功能

丙烯用于制丙烯腈、环氧丙烷、丙酮等。用以生产多种重要有机化工原料、生成合成树脂、合成橡胶及多种精细化学品等。

丙烷常用作烧烤、便携式炉灶和机动车的燃料。丙烷通常被用来驱动火车，公交车，叉车和出租车，也被用来充当休旅车和露营时取暖和做饭的燃料。

丙烯和丙烷的物性如下表：

2、工艺流程

精馏就是通过多级蒸馏，使混合气液两相经多次混合接触和分离，并进行质量和热量的传递，使混合物中的组分达到高程度的分离，进而得到高纯度的产品。

[5]

流程如下：

丙稀和丙烷的混合液经进料管由精馏塔中的进料板处流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当的液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸汽凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸汽多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。[6]

3、精馏塔的常规工艺条件变化

在操作压力不变的情况下，提高塔釜温度，则使塔内液相中易挥发的组份减少，上升蒸汽的速度增大，从而提高传质效率。若由塔顶得到产品，则塔釜排出难挥发物中易挥发组份减少；若塔釜排出物为产品，则可提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组份中夹带的难挥发组份增多，故损失增大。在平衡操作中，釜温突然升高，当来不及调整相应的压力和温度时，必然导致塔釜液被蒸干，压力升高。这时，塔内重组份容易被蒸到塔顶，使塔顶产品不合格[7]。

在操作温度一定的情况下，提加压可提高塔的生产力，使操作稳定，但在塔釜产品中易挥发组份的含量则会增加。精馏操作中常常规定了操作压力的调节范围。当由于外界因素而使操作压力受到影响时，塔的正常操作就会被破坏。

当进料温度低于加料板上的温度时，加入的物料全部进入提馏段，使提馏负荷增加，塔釜消耗蒸汽量增加，塔顶难挥发组份降低。饱和蒸汽进料，则进料温度高于加料板上的温度，加入的物料全部进入精馏段，提馏段的负荷减少，精馏段的负荷增加，会使塔顶产品质量降低。

加料量的变化直接影响到蒸汽量，蒸汽量增大会产生夹带、液泛。加料量过低，塔的平衡操作不好维持，蒸汽速度减小，塔板容易漏液，使精馏效率降低。在低负荷操作时，可适当增大回流比，使塔在负荷下限之上操作，以维持塔的操作正常稳定。

加料组份的变化直接影响到产品质量。重组份的浓度增高会使精馏段负荷增加，分离效果不好。若从塔釜得到产品，则塔顶损失增加。若加料组份中易挥发组份浓度增加，会使提馏段的负荷增加，夹带的易挥发组份增多造成塔釜产品质量不合格。

若重组份浓度增高，加料口往下移，反之则上移。操作温度、回流量和操作

压力都须相应地调整，才能保证精馏操作的稳定性[8]。

三、工艺分析

1、塔型的选择

精馏塔的分离能力或分离出的产品纯度，与原料体系的性质、操作条件及塔的性能有关。实现精馏过程的气、液传质设备，主要有板式塔和填料塔两大类。

相比较而言，在塔效率上，板式塔效率稳定；在液气比方面，板式塔适应范围较大；在安装维修方面，板式塔较容易进行；在造价上，板式塔更经济；且板式塔质量较轻，故选择板式塔。

2、板型的选择

板式塔大致分为两类：

第一类为有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板等；

第二类为无降液管的塔板，如穿流式筛板、穿流式波纹板等。

工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。

3、操作压力

精馏操作可在常压、加压或减压下进行，操作压力的大小由经济上的合理性和物料的性质决定。提压操作可减少气相体积流量，增加塔的生产能力，但也使物系的相对挥发度降低，不利分离。回流比增加或塔高增加，会使再沸器所用的热源品位增加，导致操作费用与设备费用的增加。对于丙烯—丙烷物系来说，加压操作是有利的。在冷凝器中可以使用品位较低的冷剂，再沸器可以使用品位较低廉价的热源，这样既降低了能耗又减少了成本。

4、进料状态

不同的进料状态对塔的热流量、塔径和所需的塔板数都有一定的影响，通常进料热状态由前一工序原料的热状态决定。若进料为过冷液体，则可将原料预热至泡点，以饱和液态进料。此时精馏段和提馏段的气相流率接近，两段的塔径可以相同，便于设计、制造及操作。

5、回流比

回流比是精馏塔的重要参数，对总成本的影响有利有弊。根据物系的相对挥发度、进料状态及组成，可以算出达分离要求时所需的最小回流比。回流比为最小回流比的1.2-2.0倍。

6、加热剂和再沸器的选择