间歇精馏的操作分析及设计[1]

RD
i ,
Γm
=
Di
D iX D i FX i
∑ ∑ ∑ Pm =
D T
i ,
Q m
=
D i (R + 1) ri Di
式中 R m — 平均回流比
Γm — 各组分或馏分的平均收率
P m — 平均生产能力, 以单位操作时间获得的产品量计, k g h
Q m — 平均能耗, 以单位馏出产品的相变耗能计, k ca l k g
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其它 43. 2 27. 5 40. 5
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1996 年 天 津 纺 织 工 学 院 学 报
实验序号
出馏出温度的变化情况.
图中水平线段AB、CD 和EF 是对
实际操作数据的理想处理, 实际操作
数据与这些线段略有偏差, 可能是由
操作中的压强波动所致. 图中线段
BC 和D E 表明, 馏出液由一个组分向
另一组分过渡时, 馏出温度呈连续变
化, 这种过渡是逐渐完成的, 此阶段 采出的是介于两组分之间的过渡馏
2 分析与讨论
间歇精馏是典型的非稳态传质过程, 釜中溶液组成及相关参数 (如釜温) 随过程变化. 对于
多元物系, 分离不同组分或馏分的操作压强、馏出温度 (即塔顶温度) 和所采用的回流比不相
同. 但是, 在较稳定的压强下分离某一组分或馏分时, 只要塔顶组成变化不大, 馏出温度也会比
较稳定 1 图 2 为轻烃间歇精馏的馏出曲线, 该曲线描述了在整个分离过程中随着馏出液的采
本轻烃分离实验装置采用了釜式再沸器、卧式冷凝器和装有 CY 型不锈钢丝网规整填料 的精馏塔. 操作流程见图 1.
轻烃原料批量加入釜式再沸器, 在釜中被加热至汽化; 气相经精馏 塔上升至冷凝器又被冷凝, 操作开始维持全回流. 气液两相在塔内接触 中进行传质, 并逐步建立起稳定的浓度梯度, 一旦此种平衡建立, 即可由 塔顶采出产品. 最初得到的是最轻的组分或馏分 (本例为 C4 馏分) , 然后 过渡至下一组分或馏分 (本例为 C5 馏分) , 依此顺序直至达到分离要求, 一个操作循环结束.
0 前 言
间歇精馏是常用的化工分离方法之一, 其工艺流程简单, 特别适应那些小批量的多元混合 物的分离. 近年来, 关于间歇精馏的研究受到国内外学者的普遍重视, 取得了较大的进展. 这些 研究主要集中在两方面: 一是关于间歇精馏计算方法的研究, 根据适当简化的模型导出了一些 新的计算方法, 由于间歇精馏过程本身的复杂性, 这些方法在工业应用上存在着一定的局限 性. 二是关于过程优化的研究, 从不同的优化目标出发, 提出了不同的优化方案和新的操作模 式, 计算机的应用推动了这方面的研究, 同时也对生产装置和操作人员提出了更高的要求.
证塔顶温度.
2. 增大回流比可以提高产品的组成和收率, 但要以降低生产能
力和增加能耗为代价, 适宜的回流比取决于经济权衡. 不同的优化目
标产生不同的结论, 本文认为, 以单位时间获得最大经济效益为优化 目标更加合理.
图 6 设备连接型式
3. 过渡馏分收集后一般需要再处理, 再处理的方式可以不同. 对于存在几种过渡馏分的情
图 2 轻烃间歇精馏馏出曲线
分. 馏出曲线的阶梯形状越规则, 表示组分或馏分切割得越清晰, 过程的分离效果就越好.
对于确定的物系而言, 影响间歇精馏馏出曲线形状的因素可分为两个方面: 一是操作方面
的因素, 如操作压强、回流比等; 二是装置方面的因素, 如塔的持液量、填料特性和冷凝液的回
流方式等.
前已述及, 在间歇精馏过程中, 当馏出组分交替时, 总会存在一定量的过渡馏分, 它是相邻
C4
43
115
0. 43
0. 35
6. 24
17. 8
2 C5
45
92
0. 14
0. 37
5. 04
13. 6
C6
67
102
0. 1
0. 55
5. 76
10. 3
C4
31. 5
114
0. 28
0. 45
6. 78
15
3 C5
37
89
0. 12
0. 4
4. 56
11. 4
C6
69
103
0. 1
0. 55
3 设计应注意的几个问题
1. 合理确定馏出各组分或馏分的操作压强, 使相邻组分或馏分
的馏出温度有明显差别, 以便准确及时地判定过渡段的出现, 减小操
作难度. 操作压强应使塔顶冷凝温度不过低, 塔釜汽化温度不过高,
以维持冷凝器和再沸器都具有较大的传热推动力, 避免对冷源或热
源的苛刻要求. 当塔顶温度和塔釜温度协调有困难时, 一般应优先保
来, 关于优化间歇精馏回流比的研究已成为国内外学者关注的热门. 间歇精馏中所得到的各组
分或馏分的收率、生产能力和能耗指标都不相同. 本文建立了回流比和若干经济指标的平均
值, 继而探讨了它们之间的关系, 对综合评价回流比在整个间歇精馏过程中的影响是有意义
∫ ∫ 的. 严格的平均值应取各参数在全过程的积分中值, 如平均回流比 R ′m = R dD dD. 本文为
组分的混合物, 一般不能作为产品. 如欲从多元溶液中分离出 n 个组分的产品, 就会出现 n- 1
个过渡馏分. 过渡馏分的存在, 使产品量减少、收率下降, 对操作是不利的, 这是间歇精馏难以
克服的缺陷. 严格地说, 过度馏分只能尽量减少, 不可能完全消除 1 当过渡馏分出现时, 适当增
大回流比, 可以缩短过渡段, 但要以延长操作周期和增加能耗为代价. 另外, 改善回流方式, 尽
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汤恩旗等: 间歇精馏的操作分析及设计 第 4 期
1 实验流程与数据
精馏装置的主要设备是精馏塔、再沸器和冷凝器. 典型的间歇精馏工艺流程和操作方法可 由以下轻烃分离过程来描述.
间歇精馏的操作分析及设计
汤恩旗 梁文才 徐世昌
(天津纺织工学院材料科学系 天津 300160) (天津大学油气中心 天津 300072)
摘要: 通过对轻烃间歇精馏实验数据的分析, 研究了间歇精馏操作参数和设备结构对分离效果的影 响, 提出了间歇精馏操作与设计方面的建议. 关键词: 间歇精馏, 过渡馏分, 回流比
1 2 3
表 3 馏出液质量及收率
操作周期
馏出液质量 D i(kg)
T (h) 32
C4
C5
C6
900 1730 2290
25
720 1599 2566
19
620 1源自文库88 1874
馏出液收率 Γi(% )
C4
C5
C6
71, 4 91. 2 83. 6
44. 7 77. 9 78. 9
46. 1 68. 8 69. 4
可能地减小冷凝器和回流管线的存料量, 对缩短过渡段是十分有效的, 应在装置设计中引起足
够重视.
回流比是间歇精馏中可以独立改变的操作参数, 它对产品的质量、产量和操作成本有着至
关重要的影响. 一般地说, 从多元溶液中分离各组分或馏分所采用的回流比是不相同的; 在采
出同一组分或馏分时, 亦可采用恒回流比、变回流比或恒—变组合等不同的操作方式. 近些年
ri— 汽化潜热, K ca l k g
其它符号意义同表 1～ 表 3.
按轻烃操作数据确定的各平均值及其相互关系见图 3～ 图 51
图 3 回流比对收率的影响 图 4 回流比对生产能力的影响 图 5 回流比对能耗的影响
综合地考查间歇精馏的全过程, 当平均回流比 Rm 增大时, 产生的有利结果是产品平均收 率 Γm 增加; 不利的是获得单位质量产品所需的时间加长, 清耗的能量增多 1 这与对单个组分 或馏分的分析是一致的.
天津纺织工学院学报 第 15 卷第 4 期 (1996) JOU RNAL O F T IAN J IN IN ST ITU T E O F V o l. 15 N o. 4 (1996) T EXT IL E SC IEN CE AND T ECHNOLO GY SUM N o. 51
The opera ting ana lysis and design on ba tch d istilla tion
Tang Enq i L iang W enca i Xu Sh ichang (D ep t. of m a teria ls Sci. )
Abstract: In th is p ap er, the influence of d ist illa t ion op era t ing p a ram eter and equ ip 2 m en t st ructu re to sep a ra t ing effect ha s been stud ied by ana ly sing the exp erim en ta l da ta in ligh t- hyd roca rbon ba tch d ist illa t ion1Som e suggest ion s fo r ba tch d ist illa t ion op era t ion and design have been p ropo sed. keywords: ba tch d ist illa t ion, in terim fract ion, reflux ra t io
实馏 验分 序名 号称
塔顶温度 t1
(℃)
塔釜温度 t2
(℃)
塔顶压强 P
(M Pa)
采出速率 D
(m 3 h)
回流速率 L
(m 3 h)
回流比
R
C4
48. 5
120
0. 47
0. 3
5. 4
18
1 C5
58
106
0. 2
0. 2
4. 8
24
C6
68. 5
102
0. 1
0. 45
7. 8
17. 3
3. 96
7. 2
实验原料及馏出产品的有关指标分别见表 2 和表 3.
实验序号
1 2 3
表 2 轻烃原料液量及组成
原料液量 F (kg)
9900 9070 9680
C4 12. 1 16. 8 13. 2
质量分率 x i(% )
C5 18. 2 21. 6 19. 8
C6 26. 3 34. 1 26. 5
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汤恩旗等: 间歇精馏的操作分析及设计 第 4 期
使用简便, 建立各参数加和形式的平均值如下:
∑∑ ∑∑ R m =
4. 塔中存液对间歇精馏建立气液平衡或再平衡起了拖滞作用, 它会延长操作时间和过渡 段, 当操作结束时, 还会稀释再沸器中的重组分. 填料塔的持液量比板式塔小得多, 因此更适于 间歇精馏. 间歇精馏中, 塔内的气相负荷和液相负荷都会改变, 要求填料具有一定的操作弹性. 目前我国生产的波纹规整填料具有操作弹性大、自分布好、传质效率高、压降小等多项优越性 能, 用在间歇精馏的装置中, 取得满意的使用效果.
轻烃的主要成分是 C4～ C8 烷烃, 可由原油稳定或油气冷冻加工中 得到. 不同地区, 不同途径, 甚至不同时期所获得轻烃的组成差别很大. 本实验操作的目的是, 由轻烃中分离出 C4、C5 和 C6 三种馏分, 并获得有 关的操作参数.
实验操作的工艺参数见表 1.
图 1 轻烃间歇精馏流程 表 1 轻烃间歇精馏操作工艺参数
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1996 年 天 津 纺 织 工 学 院 学 报
况, 从分离的角度出发, 应将它们分别收集, 分别进行再处理. 混合在一起进行再处理将会增加 分离难度.
本文作者利用间歇精馏的方法进行了轻烃的分离实验, 基本目的是模索操作规律和考查 分离效果. 根据实验结果, 本文讨论了影响间歇精馏操作质量和分离效果的因素; 并从工程设 计的角度出发, 对操作参数的确定原则以及装置的结构等一般性问题提出了意见或建议.
收稿日期: 1996- 04- 02; 汤恩旗, 男, 44 岁, 讲师 1