年处理量为2万吨丙烯-丙烷分离过程精馏塔设计--文献综述

北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OFCHEMICAL TECHNOLOGY（2012）届本科生毕业设计（理工类）文献综述题目：年处理量为2万吨丙烯-丙烷分离过程精馏塔设计学院：理工学院专业：应用化学学号： 0000000000 姓名： 000000 指导教师： 00000 教研室主任（负责人）： 000000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]丙烷脱氢制备丙烯技术是现在最常用的技术之一，比烃类蒸汽裂解技术能产生更多的丙烯。

但当使用丙烷脱氢制备丙烯技术制备丙烯时，总收率只有74%～86%,丙烷不能全部转化为丙烯，反应产物会是丙烷与丙烯的混合物[2]。

因此，研究丙烯与丙烷的分离技术至关重要。

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[3]。

本文就将对丙烯和丙烷的精馏塔设计进行相关的研究，以便今后能设计出更为高效安全的精馏塔。

一、精馏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，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。

该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。

其精馏塔如图所示。

原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，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，在塔顶获轻组分产品。

[4]二、精馏装置流程精馏就是通过多级蒸馏,式混合气、液两相经过多次混合接触和分离,并经行质量和热量的传递,是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]其流程如下:丙烯-丙烷混合气体经预热器加热到指定温度后送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。

在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。

操作时，连续的从再沸器取出部分液体气化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。

塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶或是自然回流作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品。

塔釜采用间接蒸汽和再沸器共热。

塔底产品经冷却后送入贮槽。

[6]三、板式精馏塔设计精馏塔是提供混合物气、液两相接触条件、实现传质过程的设备。

该设备可分为两类，一类是板式精馏塔，第二类是填料精馏塔。

本设计中我们主要讨论的是板式精馏塔。

板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种[7]。

1、泡罩塔泡罩塔是应用最早的板式塔，是Celler于1813年提出的，其主要构件是泡罩、升气管及降液管。

泡罩的种类很多，国内应用较多的是圆形泡罩。

泡罩塔的主要优点是：因升气管高出液层，不易发生漏液现象，操作弹性较大，液气比范围大，适用多种介质，操作稳定可靠，塔板不易堵塞，适于处理各种物料；但其结构复杂，造价高、安装维修不便，且因雾沫夹带现象较严重，限制了起诉的提高，现虽已为其他新型塔板代替，但鉴于其某些优点，仍有沿用。

[8]图 1 泡罩塔板2、浮阀塔浮阀塔广泛用于精馏、吸收和解吸等过程。

其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。

浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。

浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀，此型又分为F－1型（V－1型）、V－4型、十字架型、和A型，其中F－1型浮阀结构较简单、节省材料，制造方便，性能良好，故在化工及炼油生产中普遍应用，已列入部颁标准（JB－1118－81）。

其阀孔直径为39mm，重阀质量为33g，轻阀为25g。

一般多采用重阀，因其操作稳定性好。

[9]F-1型V-4型A型十字架型方形浮阀图2浮阀板本设计采用浮阀塔，浮阀塔具有以下特点：浮阀可以根据气速大小自由升降、关闭或开启，当气速变化时，开度大小可以自动调节，因此它的操作“弹性”大；浮阀塔气液两相接触充分，因此，塔板效率较高；浮阀塔因浮阀不断上下运动，阀孔不易被赃物或黏性物料堵塞，塔板的清洗也比较容易；浮阀塔与泡罩塔相比，结构较简单，制造容易，检修方便。

因此，制造费用较泡罩塔低一半以上。

四、精馏塔的常规工艺条件变化1、塔釜温度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，同时，使上升蒸气的速度增大，有利于提高传质效率。

如果由塔顶得到产品，则塔釜排出难挥发物中易挥发组份减少，减少损失。

如果塔釜排出物为产品，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，从而增大损失。

在平衡操作中，釜温突然升高，来不及调整相应的压力和温度时，必然导致塔釜液被蒸空，压力升高。

这时，塔内气、液相组成变化很大，重组份容易被蒸到塔顶，使塔顶产品不合格[10]。

2、操作压力在操作温度一定的情况下，提高操作压力，可以提高塔的生产能力，使操作稳定，但在塔釜产品中易挥发组份含量增加。

在精馏操作中，常常规定了操作压力的调节范围。

当受到外界因素的影响而使操作压力受到破坏时，塔的正常操作就会完全破坏。

3、加料温度3.1 冷液进料，且进料温度低于可加料板上的温度，则加入的物料全部进入提馏段，使提馏负荷增加，塔釜消耗蒸气量增加，塔顶难挥发组份降低。

3.2 饱和蒸气进料，则进料温度高于加料板上的温度，所进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。

4、加料量及组份的变化加料量的变化直接影响蒸气量的改变，后者的增大会产生夹带，甚至液泛。

加料量过低，塔的平衡操作不好维持，蒸气速度减小，塔板容易漏液，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。

重组份浓度增高使精馏段负荷增加，分离效果不好，结果重组份被带到塔顶，造成塔顶质量不合格。

若从塔釜得到产品，则塔顶损失增加。

如果加料组份中易挥发组份浓度增加，使提馏段的负荷增加，可能因分离不好而造成塔釜产品质量不合格，其中夹带的易挥发组份增多。

加料中重组份浓度增高时，加料口往下移，反之，则向上移。

同时，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。

在精馏操作中，提高回流比，可以提高产品的质量，但回流比过大，塔内的内循环量增加，增加能耗。

回流比减少时，塔内气液接触不好，使平衡受到破坏，因而传质效率下降。

同时，操作压力下降，难挥发组份易被带到塔顶，导致产品质量不合格[11]。

五、精馏塔操作过程中的异常情况[12]1、塔板能力精馏段塔板降液管输送不过来溢流液亦即塔上部开始液泛，这种现象称为降液管阻塞或液体液泛。

其产生的原因在于液体阻滞在降液管内而使塔板上液位升高，塔板间雾洙夹带过量而使塔板效率降低，此现象称为过量雾洙夹带或蒸气液泛，其原因是相对于较大的气量而塔板上鼓泡区过小。

2、塔板结垢沉积物在塔板上的累积是个重要问题，塔板上的污垢会使塔过早地发生液泛，也会降低板效率。

塔板结垢的直观现象：(1)回流比不高时就发生液泛；(2)塔盘问的压力降增大；(3)加大回流比后，对塔底温度、流量或再沸器负荷不产生任何影响，如果把回流比提高到20％～30％而塔的热平衡和物料平衡没有明显变化，那么塔顶一定是被液体完全充满。

回流的塔量通过塔顶的气相管路又直接流回到回流罐。

3、提升管中的团状流动提升管中的团状流动是精馏塔运行不稳定的问题，可能是由于垂直管线中不平稳的汽液混合流引起的。

回流罐被高架于冷凝器的上方，由冷凝器排出的物流是汽液两相混合物，冷凝器与回流罐之问的那段管线被称为提升管。

如果提升管中的流速太低将导致两相分离，同时生成一段液柱，对蒸馏塔产生一个背压，这段液柱间歇地被推出提升管后，背压也就减弱，接着提升管又渐渐地被液体充满，这类团状流动会引起塔压周期性脉动变化。

引起精馏塔的不正常因素还有塔板被冲垮，冷凝器腐蚀，冷凝器堵塞，不凝气影响冷凝器等。

六、精馏塔的研究方向精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多的过程动态[13]。

作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。

但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普遍存在[14]。

精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。

因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。

瑞士的Suizer公司于20世纪80年代末期将热泵技术用于乙苯．苯乙烯等精馏过程，节能效率为70%。

[15]所以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。

结论精馏塔是石油、化学加工工业（CPI）中使用量最大、能耗最高、应用面积广的分离单元操作设备。

从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。

精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油，化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高要求。

当前填料塔技术已经基本可以满足不远未来的需求，板式塔技术依然是未来发展的主流。

现有新型板式塔技术的发展主要是传统简单技术的深化和传统简单技术的复杂化，前者可以很好的满足现有生产局面对塔内件的要求，而后者将发展成未来板式塔的主流。

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