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[有机专区] 针对精馏塔塔阻的一些看法(精馏从业人员必读)

[有机专区] 针对精馏塔塔阻的一些看法(精馏从业人员必读)

塔板塔—精馏塔体中,以金属塔板形式作为精馏媒介的精馏塔的形式。
       填料塔—精馏塔体中,以金属或耐腐材料填充作为精馏媒介的精馏塔的形式。
实际大生产中,精馏的目的是将两种或两种以上的物质,通过汽化沸点差,在一定的汽化走程中形成相对的单质物质的生产过程的形式。同等精馏效率的塔板或填料,沸点差越大,汽化走程相对越短,也就是我们常说的精馏塔越矮或越短,反之,沸点差越小,分离走程越长,塔节就越高。在这里,我们详细讨论一下塔体高和低所带给精馏的一些不被人重视却又实际影响精馏效果的一个因数—塔阻。
     所谓塔阻,就是指物料在加热段到气相出口行程中克服力的总和。一个精馏塔,塔阻越大,势必热能耗越高,因为其消耗热能产生突破的难易程度决定的。众所周知,一个空筒子,里面没有任何的阻挡物,那么它的阻力是最小的。精馏时候,塔体中必然是有填料或者塔板作为筒子的填充物,由下往上,被精馏物必须突破整个塔体的填料或者塔板,最终以气态形式夹带着热能从塔顶气相管道出来,这个过程势必形成一定的阻力,这个阻力我们称之为塔阻。而塔阻的大小,不是单纯的底端加热,顶端出汽化物时候的压力差,这是空塔塔阻,而空塔塔阻所有等高度的填料塔和塔板塔差异很小,这个不需要详细论述。我们需要研究的是塔体带物料的时候,也就是中等负荷连续进料、连续出料所形成压力差的大小,也就是实际大生产时候的塔的阻力,这个才是塔阻的关键。
到这里,作为学科知识的朋友或许想搞明白塔阻的真正含义,而作为实际生产使用者来说,塔阻有什么作用和意义,感觉没必要了解,这就大错特错了。下面我会说到塔阻对于实际大生产的关键意义。
      实际大生产中,我们操作者或者管理者,在精馏的时候会发现,生产负荷越大塔顶和塔底的压力差会越大。只专注塔顶物料纯净度的操作只需要关注塔顶温度就可以了。而对于塔底出料的操作者来说,生产负荷越大,塔底物质的纯净度为了得到保证,比较负荷小的时候温度有所增高,这就是塔阻导致的沸点差的变化。如果一味地将操作温度指标控制在一个温度点上,负荷增大,塔底物质肯定达不到合格,这就是塔阻带给我们认知的结果,在连续两塔三塔操作中,这个问题必须要较高的认知度。
塔板塔的生产塔阻来自每一块板上存有的液体的高度,其塔阻是几十块塔板液层高度的总和带来的阻力。一般情况,每块板上的液层高度是1.5-2CM,几十块板的总和液层高度是1米左右,那么一米液柱(以水来计)的压力大概是0.01MPA,也就是说,正常生产的时候塔底和塔顶的压力差应该在0.01-0.018MPA左右,这就是塔板塔的塔阻。该塔生产时候低于这个压力差,效果应该是下降,其表现为负荷过小,塔板有空塔的现象。高于这个压力差,效果也将下降,其表现为负荷过大,塔板满板现象。一般情况,塔板塔的生产负荷是设计负荷的正负30%的操作弹性,过大过小都将影响精馏效果。
       而填料塔的生产阻力不是它自身所决定的,它的结构不同于塔板塔。也就是说,填料塔自身没有液层的分布,精馏时候形成的塔阻主要来自连续进料连续回流时候液体向下气体往上,气液交换时候产生的动态阻力。为了达到最佳的精馏效果,塔内的阻力必然需要形成在一定的范围,也就导致了填料塔必须要很大的回流比才能够达到较好的精馏效果的原因。根据实测,填料塔的塔顶塔底压力差在0.008-0.015之间。同等塔径,填料塔的通气率高于塔板塔,塔阻略微小于塔板塔,因此物料在塔体内停留的时间低于塔板塔,用较大的回流去强制气液交换是填料塔生产的一个根本原因。不难看出,其弊端的能耗,势必大于塔板塔。为了克服液体在塔内停留时间短,于是增加塔体的高度,因此填料塔一般都有较大的高度。而填料塔过大的进料量和过小的回流比,都将直接影响塔体的精馏效率。
      通过比对,我们大致上分清楚了填料塔和塔板塔之间的阻力关系。这里总结一下,同等塔直径、同等高度的两种塔型,填料塔的阻力应该低于塔板塔,理论上是,实际大生产也是一样。于是在很多企业在塔型认知上得出结论:因为填料塔的塔阻小,塔底的加热温度低于塔板塔,在加温上,在能耗上,填料塔优于塔板塔。填料塔有无数块理论塔板数,而塔板塔只有有限的塔板数,分离效果填料塔优于塔板塔。在制作上,填料塔简易,塔板塔复杂,成本上又优于塔板塔。这样的结论,从表面上看是没有错的,但这是一般层面上的理解,只是个表观现象,我有文章《精馏中填料塔和塔板塔优缺点比较》详细说明两者之间的利弊关系,这里我不重复,主要谈谈阻力对于分离的理解。
       精馏,是将两种或两种以上物质通过沸点差进行分离的形式。我们都知道一个现象,压力是改变沸点的一个关键因素,因此改变压力,可以改变分离温度。高沸点物质,我们使用真空的形式来改变沸点达到低温汽化精馏分离。而常压分离中,塔阻所形成的压力却是改变分离物质沸点的一个关键因素。如果精馏两组分物质沸点差不大,或很小,塔阻大,在增加轻组分沸点的同时更大地增加了重组分的沸点,也就是说塔阻微妙地加大了两者之间的沸点差。而轻组分是走向塔顶塔压最小的点,重组分是走向塔压最大的点,这个差异来说对于靠沸点差来分离的两相物质来说,塔阻的大是明显有利于分离的。所以,对于难分离的物质来说,塔板塔是更利于分离的。同时,塔板塔可以根据实际情况,设计出塔阻更大地S型塔板(或者提高每板液层高度),实际应用效果非常理想。填料塔没有办法做到固定的高塔阻,只有增加塔的高度来做到好的精馏效率,一方面是增加精馏段,另一方面是产生了高塔阻便于了分离。在真空精馏中,由于沸点差缩小,塔阻在某些时候的确是会提高了塔底加热温度,而对于精馏效果而言仍然比较明显,只是看我们在选择的时候侧重点的定位罢了。
      阻力大不一定是坏事,有时候我们巧妙利用阻力,做到难分离物质的最低塔的高度,从而降低设备制造成本。而对于能耗这一长时间需要付出的成本来说,塔板塔的节能性完全优于填料塔。在这个科技突飞猛进的市场大潮中,我们认知的多少直接影响我们生产成本的控制,最终达到最合理的附加值。淘汰不合理的低效率、高能耗的填料塔,是我从事精馏行业到现在一直努力的方向!


                                                   江苏宜兴欧特蒙    邹刚  
                                                     2015-10-10
一洲精馏科技
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精馏中填料塔和塔板塔优缺点比较     
       精馏行业的从业者,对于填料塔的认识可能远远高于塔板塔,填料塔的高理论塔板数、高分离精度以及制作的简单被众多蒸馏行业普遍使用,也因此得到大规模的推广和应用。而对于塔板塔的认识和应用就相对欠缺,希望我的文章能够多少给予耐心读完的朋友一点认识和启发。
本人有幸结识原南京塔器研究所所长、高级研究员许开天前辈,对于许前辈的研究成果得以全方位的学习和应用,收益颇丰,以下本人粗浅地谈谈在实际应用中设备选型的优劣对比,以供对塔设备选型的使用单位做个参考。
    朋友们或许知道也并听说过塔板塔的大致情况,但是可能很多朋友不知道塔板塔中塔板的结构有许多种,而更让许多朋友不解的是,既然有填料塔的存在,为什么还需要研究塔板塔!而塔板塔的存在,有什么必然的意义呢?以下对比是用填料塔的常规填料和塔板塔W型板型进行比对,只谈共通之处。
    首先,讨论分离范围。试问待蒸馏的物料是有悬浮颗粒物的,或者是比较脏的物料,填料塔能够蒸馏吗?短时间可以,长时间必然堵塞填料层(提馏段),最终导致的结果是需要繁重的煮塔或者是拆洗填料,中断生产不说,投入的人力物力是无法估算的,想必许多企业的朋友几乎都遇到过如此麻烦的结果。而塔板塔,每块塔板是焊接而成,有足够的通气率,气体的冲刷使得脏物质不容易在某处集聚而致使产生堵塔,大大地增加生产的可持续性。即使是未分离干净的酒糟类的大颗粒物质,也从未形成塔板塔的堵塔现象。而塔板塔可以根据实际的应用,选型抗钙镁离子沉淀的板型,使得在无机盐的水料中分离有机物料得到可能。
    其二,使用可靠性角度。试问化工物料都是有一定的酸碱性,在相对高腐蚀物料的蒸馏中,填料塔即使使用316L的不锈钢规整填料,使用依然年限不长。因为规整填料是不锈钢丝网的,为了填料的通气率,不锈钢丝网必然做的很细(大约0.1-0.2mm),编制成网后折叠成填料结构。在使用中,越是细小的越是容易腐蚀,也就是不具备腐蚀余量。而塔板塔,定制的时候可以选用2-3mm的薄板焊接而成,边缘连接的是4mm以上的托圈,材料可以是316L,那么耐腐蚀的能力大大高于填料。因此,塔板塔在使用中的可靠性远远优于填料塔。
    其三,能耗角度。在使用过填料塔的用户都知道,填料塔在生产的时候,为了达到高的产品纯净度,在现有的塔的基础上,都是很大的回流比。回流比的概念就是回流泵打上去回流的量和采出之间的比值,一般1:1,或2:1,甚至有的会是4:1,。也就是回流进去的大大高于采出的量,这样采出的物料才能够得到相对的纯净度。为什么那么大的回流比呢?这个跟填料塔的分离机理有关,这里不详细阐述了。而塔板塔的回流比一般控制在0.5:1或0.3:1,最高也达不到1:1。从这个角度理解,回流进去的物料越多,也就是意味着冷态液体在塔内吸收热量汽化量越大,能耗就越高。从而,我们在实际的应用中多次测算,同样蒸馏出一吨合格产品,塔板塔使用的热能耗大约是填料塔的80%左右,长年累月,塔板塔的经济性不言而喻。
    其四,分离精度角度。填料塔的组成是填料段加分布器,这样分成若干段。为了防止气体在填料层分布的不均匀或减少壁流(这个在所有的填料塔中都真实存在),所以每隔开3米左右填料段必须安装一个分布器,而分布器的上下个400-500mm,均是空段这样使得有效分离段只有实际塔高的80%,为了达到较高分离效率,所以填料塔的高度往往都是25米以上。而同等效率的踏板塔,高度21米足够。(当然,塔效是没有可比性的,填料效果有好有坏,塔板的效果也有好有坏,这里只作平衡对比。)而塔板塔不具备空段,塔板塔没有壁流,因为塔板都是每一块四周焊接在塔体上的。如果,两种塔高度一样,回流比一样,塔板塔的分离精度将完全胜过填料塔。
    其五,可操作性对比。填料塔的填料层不具备一定的滞液性,所以一旦停止回流,顶温迅速攀升,控制顶温也就是控制精馏段的温度是调整回流来控制,而塔底加热蒸汽的波动,直接影响整体塔温的波动,这个在操作使用过填料塔的朋友深有感触。换句话说对于填料塔的操作,外围的影响因数越小越好,反之则很难控制整塔的稳定性,使得出料得不到很好地保障。而塔板塔由于每一块塔板上都有滞留液体(斜孔踏板塔除外),加热温度的轻微波动几乎不影响整塔的温度变化,回流改变一点,顶温基本上变化不大。这些给设定工艺的时候对于外围影响因数要求不是很高。在开、停车的时候,由于塔板塔每板上有滞液的特点,再开车生产很快就能够出合格产品,而填料塔需要一个漫长的回流过程。在自动化应用上,实际操作塔板塔由于自身的稳定性,更能够很快投入全自动操作。即使不投用自动化,对于踏板塔的操作,有的企业生产两到三个塔只使用一个操作员工,可想而知该塔操作的稳定和便捷性。
    其六,双塔或多塔连续精馏应用中的区别。有A/B/C三种混合物,其中沸点差为A<B<C,且都大于15度,不共沸,那么使用塔板塔完全可以双塔出99%以上的A和B,剩余C物质和高沸混合物。塔板塔的特点是每一块板上的物料浓度是不一样的也是相对是稳定的,分离界面很明显,塔釜内的物质控制得相对稳定,在操作过程中就很容易就能够稳定出合格产品。在不考虑外围影响因数的基础上,填料塔也可以做到分离,但是,由于大回流比的因数,导致回流进塔的轻组分物质和汽化上来的较重组分的物质界面不清晰,很容易上下波动(A物料直接跑到BC物料中),直接影响到塔釜内物料的不稳定。再加上蒸汽压力的波动啊,机泵的可靠稳定等外围影响因数必然存在,单塔操作姑且可以人为能够控制好,但是一旦波动,多塔就没办法保证后续产品的合格了。 有的企业,将物料直接在30立方蒸馏釜中,分段用高填料塔进行分离,逐步取出A,B,C,事实上这的确是个办法。但是,分离效率太低,一釜料蒸馏个三天三夜是很正常的事情,出料的时候很快,主要是两相物质交替段需要切掉很大一部分回到原料槽中,且产品的质量保障程度不大。假如使用直径800、600 的双塔分离,24小时足够完全分离,大大地增加了产能,保证了产品的质量。同等产能的话,设备投入省了很大一笔。
    第七,设备投入成本比较。在同等塔径1000mm、同等高度20米,填料塔和塔板塔的外筒几乎是一样的,成本区别是填料层、分布器、格栅和塔板的比较。我们都知道,普通的304不锈钢规整丝网填料现在的市场价格是6000-8000每个立方,填料花费的价格应该在6-7万,分布器不小于4个,每个2500-3000,加格栅的价格,应该内部材料在8-9万左右。而现在304薄板2-4mm价格应该在17000元/吨,里面的薄板两吨顶了天了,安装半工半料的价格的话,里面安装到好7-8万元。因此,在制作成本上,塔板塔成本并不比填料塔高。而填料塔为了达到较高的分离效率,一般设计上都比塔板塔要高,那么填料的使用将更大,外筒的投入也将更大。因而,塔板塔的投入应用经济性也应该很明显了。
    原先,不锈钢在3-4万一吨的时候,塔板塔的投入成本是较填料塔略高的。由于我前面谈到了填料塔的回流比较塔板塔的大,那么汽化循环量应该是填料塔大,迫使冷凝量也应该是大于塔板塔,冷凝器在面积上又必须大于塔板塔的使用,增加了投资成本。

    说到这里,我把我理解和掌握的塔板塔的优势基本表明,然而一个事物的存在不可能只有优势而没有劣势,这个就需要我们使用者去定夺适合自己使用的方向了。唯一的不足,是塔板塔较填料塔在系统阻力上有所增加。这个是设备分离方式不同所造成的必然结果,在常压蒸馏和带压蒸馏中,塔板塔所产生的阻力基本是没有任何影响的,但是在负压蒸馏中,特别是高真空分离中,阻力会加大分离的难度,也会略微增加能耗的损失。塔板塔中有一款板型是低阻力的,叫斜孔板塔板。该板型分离效果很好,制作成本相对不高。而它的缺点是和填料塔几乎一样,操作稳定性不及其他塔板,停车后塔板上无滞留液体,停车开车时间相对久一些,一般只在客户要求低成本上应用。而关于塔板塔的板型有哪些,这里我大致说一下新型通用的塔板型号:WD-型塔板,NWD-型塔板,SD-型塔板,SDJ-型塔板,JJ-型塔板,还有组合型的塔板等等。这些都是许开天前辈在原有的泡罩塔板等比较单一的板型上发展出来的新型高效塔板。许老先生一直是从事蒸馏塔的研究,主攻技术强项为塔器中的板型的研究,共获得20多项塔板发明以及实用新型专利,并根据实际应用书写并出版多本蒸馏专著,特别是酒精蒸馏类的书籍一直被行业内视为参照模本。

    粗略地已经说了很多,想必各位看客也很少有能够详细品味我所提出的诸多观点。从学以致用上,我感谢许开天前辈带给我的知识大餐,自己也相对毫无保留地贡献自己的理解。我仅仅是抛砖引玉,说个皮毛,更希望各位专家朋友多提宝贵批评意见,也可以共同探讨更深层次的分离问题。
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阻力大不一定是坏事,有时候我们巧妙利用阻力,这样想来,物理也很有用处
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