蒸馏塔分离中料位置优化的探讨

蒸馏塔分离中料位置优化的探讨

蒸馏塔的供应位置对蒸馏机的节能有重要影响。在过去的工程项目中，原来的设计通常使用现有装置的供应位置，而稀疏地优化详细而严格的供应位置。这是造成分离效果差、能耗居高不下,能量浪费的重要原因之一。对于任何蒸馏过程均应当进行进料位置的优化,以保证分离能耗降至最小,同时达到最佳的分离效果。1塔封分离纯度蒸馏塔的最佳进料板位置可以从以下3个方面进行定义:①相同分离要求及板数下,回流比最小或冷凝器、再沸器热负荷最小;②相同板数及回流比下,塔顶和塔釜产品的分离纯度最高;③相同分离要求和回流比下,所需塔板数最少。前2种定义可以使得一定板数的蒸馏塔达到最大的分离能力和最小的能量消耗;而后一种定义可以使达到一定分离要求时塔板数最少。无论采用哪种定义,其本质都是相同的。而在进行模拟计算时,必须根据不同的定义,观察不同的参数变化,从而求得正确的最佳进料板位置。2最佳进料板位置从二元蒸馏可知,在采用McCabe-Thiele图解方法求理论板数时,最佳进料板位置应当在跨过2条操作线交点的位置。如图1所示,进料板可以在a和b之间的任何位置,但是如果进料板不是在最佳位置,则完成相同的分离任务,需要更多的板数。图中虚线表示在第7块板进料时,所需的理论板数是9块。而实线表示在第5块最佳位置进料,所需理论板数仅8块即可。除了图解法求取最佳进料位置之外,也有应用蒸馏塔简化计算法求解计算的。塔的简化计算法大多采用Fenske方程求最小理论板数,Underwood法计算最小回流比,再从Gilliland图中查出实际所需理论板数。其中最佳进料位置计算较多采用以下2种方法。对泡点进料,可采用Kirkbride经验式:lognm=0.206log[qbqdxf,hxf,L(xb,Lxd,h)2](1)lognm=0.206log[qbqdxf,hxf,L(xb,Lxd,h)2](1)或直接采用Fenske方程:nm=log(xd,Lxd,hxf,hxf,L)/log(xf,Lxf,hxb,hxb,L)(2)nm=log(xd,Lxd,hxf,hxf,L)/log(xf,Lxf,hxb,hxb,L)(2)式中:n为精馏段理论板数;m为提馏段理论板数;x为摩尔分数;qd为塔顶采出量,kmol/h;qb为塔釜采出量,kmol/h;下标:f为进料,d为塔顶,b为塔釜,L为轻关键组分,h为重关键组分。随着计算机模拟的发展,手工二元蒸馏作图法已显得较为繁琐,需要花费大量的时间在作图上,且更重要的是实际过程大多是多元混合物的分离,已无法再采用二元作图法,故作图法已基本上不再使用;再者无论二元作图法还是简化计算法都是基于2个基本假设,即全塔处于恒分子流和恒定相对挥发度的理想状况。其计算结果和实际情况存在一定差别,而对某些蒸馏过程,该差别还相当大,已完全无法适应目前对准确定位最佳进料板位置的要求。如果说作图法和简化法在20世纪60—70年代还有使用者的话,从80年代开始,随着科技的进步、计算机的发展和过程模拟的普及,最佳进料位置的计算已经逐步为更加准确可靠的一些方法所替代,这些基于手算的方法已经很少使用了。3进料板位置的影响蒸馏过程中经常使用的一个参数是塔板上液相中的轻、重关键组分比例,即轻关键组分和重关键组分摩尔分数之比,塔内该比例应当愈向塔顶愈大。在靠近进料板上方出现轻、重关键组分比率减小或者在进料板下方出现轻、重关键组分比率增大,即在进料板上方出现关键组分比率最小值,而在进料板下方出现关键组分最大值的现象称为逆向蒸馏。如果以该比值和塔板数作图,称为分离因子图,当出现逆向蒸馏时,该图关键组分比率曲线在进料板上方或下方会出现极小或极大值,如图2所示。图2(a)是进料板位置正常时的图形,可以看出在进料板上、下方,曲线平滑过渡;图2(b)是进料板位置过低,引起进料板上方出现逆向蒸馏,也即经过提馏段的分离,轻组分已经占了较大的比例,但是进入精馏段后,轻组分的比例在一定区间内非但不升,反而呈现下降趋势,直至经过该区间后,轻组分比例才又恢复上升。无疑,轻组分比例出现反复和波动,浪费了一部分塔板,造成了分离效率的降低。图2(c)是进料板位置过高,引起进料板下方出现逆向蒸馏。也即如果从塔顶向塔釜看组成的变化,重组分的比例应当逐渐上升,轻组分应当降低,然而经过精馏段的分离,重组分已经占了较大的比例,但是进入提馏段后,轻组分的比例在一定区间内反而上升,直至经过该区间后,轻组分比例才又恢复下降。同样,这一反复和波动,也引起了分离效率的降低。逆向蒸馏一方面造成分离效率的降低,另一方面引起能耗的增加,是必须避免的。4未达分离要求的条件下,塔封板、塔板数对分离纯度的影响逆向蒸馏是多组分蒸馏的特殊现象,对于二元蒸馏不存在该现象。产生逆向蒸馏主要有以下3种原因:①回流比接近最小回流比;②进料中关键组分浓度较小;③进料位置不是最佳进料板。实际过程中,前2个因素发生的几率较小,而最后1个原因往往是最常见和最重要的。进料位置过高,会引起进料板下方有明显的逆向蒸馏;而进料位置过低,会引起进料板上方出现明显的逆向蒸馏;因此在塔设计中一定要注意有无逆向蒸馏问题,也一定要检验进料板位置是否正确。以往在蒸馏塔的设计中往往存在一些错误概念,如塔顶采出未达分离要求,则增加精馏段板数;塔釜物料未达分离要求,则增加提馏段板数。实际上,上述措施并不一定奏效,有时还适得其反。正确的作法是,若未达分离要求,首先须分析进料位置是否为最佳进料板数,若非最佳进料位置,则需要调整进料板,使之达到最佳进料位置;若已达最佳进料位置,则需综合考虑以下因素:①回流比和板数的关系;②分析塔顶、塔釜采出量是否合适;③考虑塔的操作压力有无调整的余地。回流比的增加可使物料分离得更好,但操作费用也相应增加;板数的增加,也会使分离纯度提高,但须增加设备费用。两者必须认真加以权衡。随着能源价格的日益上升,增加塔板数、减小回流比是目前蒸馏过程工业应用的发展趋势。以丙烯精馏塔为例,由于要制取99.6%纯度的高纯度丙烯,且丙烯和丙烷之间的分离十分困难。板数多、能耗大成为其主要特点。其实际塔板数就经历了从早期的100块左右增加到目前的256块左右;回流比从超过20降低到12左右的发展历程。塔顶、塔釜的采出量需要根据分离要求得到,同时又受到冷凝器和再沸器能力的制约。对于新设计,可以根据工艺要求,设计出相匹配的冷凝器和再沸器。而对于已有的装置,经常会遇到分离要求和冷凝器和/或再沸器能力不匹配的情况。此时为保证产品质量往往不得不牺牲塔顶或塔釜的分离要求,也即牺牲某些组分的回收率来满足产品质量。塔操作压力对分离有着重要的影响,一般来说,降低压力对蒸馏操作有利,故应在尽可能低的压力下操作。对于吸收过程压力影响则正好相反,压力升高有利于吸收的进行。当上述3点均无调整的可能性时,再考虑增加塔板数。此时精馏段和提馏段板数一定要按照比例增加,而不是单纯增加精馏段或提馏段的板数,以保持进料始终处于最佳进料位置。5塔板夹点的分离蒸馏过程也会出现夹点现象。从二元蒸馏图可知,当操作线逼近平衡线时,在二线之间的阶梯将变得越来越小,当操作线和平衡线相交时,即为最小回流比状况,需要无穷多理论板才能完成指定的分离要求,该交点即称为蒸馏夹点。当夹点蒸馏发生时,这些板几乎不起什么分离作用,此外当所分离的组分为非理想体系时,平衡关系曲线出现非常规的现象,如极性物质的分离中,也易于出现蒸馏夹点。塔设计中,出现夹点不仅浪费塔板数,还会导致塔的设计板数过多。在夹点附近操作是十分危险的,故塔设计工况必须远离夹点。在实际生产中,发生夹点的一个征兆是连续很多塔板的温差均变得很小或者相关塔板的温度几乎不变化,尤其是在进料板附近的塔板上。这一征兆也往往预示着液泛、干板等情况极有可能出现。出现夹点蒸馏,可以通过增加回流比和再沸气体量来予以补救,但会引起能耗的增加。若冷凝器和再沸器能力已达其处理量的极限,无法再进一步提高时,则只能通过降低塔的进料量以避开夹点。6不一定准确可靠前已述及,任何简化方法所得到的最佳进料板位置都不一定准确可靠。欲准确判断最佳进料板位置必须在塔的严格逐板计算法的基础上才能实现。本文结合计算机模拟计算,介绍3种使用较多的方法。6.1生成分离因子图分离因子图是塔内液相轻、重关键组分摩尔分数之比对塔板数的关系曲线,通常采用半对数坐标作图。该图主要用于快速确定进料板位置是否正确。图2所示的3幅图即为典型的分离因子图。通过曲线形状可以方便、快速地确定有无逆相蒸馏出现和是否最佳进料位置。当前的商品化化工过程模拟软件,一般都有生成分离因子图的功能。只要选中该功能并指定轻、重关键组分,进行严格法塔模拟计算后,即自动产生该图形。极大地方便了用户对进料位置是否适当进行快速判断。然而分离因子图往往比较粗糙,对最佳进料板位置的判断并非十分准确,视所分离体系的不同,会有几块板到十几块板的误差,故若须准确判断,还要采用其他方法。6.2最佳进料位置的确定采用灵敏度分析来判断最佳进料板位置是最为准确可靠的方法。兹通过实际案例的分析来说明如何进行最佳进料位置的分析。设有一泡点物料,流量100kmol/h;压力1.65MPa;摩尔分数为乙烷0.01,丙烷0.79,丁烷0.12,戊烷0.08。分离要求:塔顶物料丁烷浓度、塔釜物料丙烷浓度均小于0.001;塔顶压力1.57MPa。设计该蒸馏塔,并求最佳进料位置。该案例塔板数、进料位置和回流比均未提供,可以通过简化法来确定。采用PROⅡ软件的简化法进行模拟,当取实际回流比和最小回流比的比值为1.2时,可以得到理论塔板数为38块,回流比1.3,最佳进料板位置为第13块板。这些数据即可以作为严格计算法的一套初值。接下来就是作塔的逐板计算并在收敛的基础上再进行灵敏度分析。灵敏度分析中,塔的设计规定为顶、底物料的分离要求,以进料位置为变量,从第10块变化到27块,分别求出回流比、冷凝器和再沸器负荷,用来进行比较。并将灵敏度分析得到的进料板数与回流比的关系曲线给出在图3并取其中4块板的结果列于表1。可以看出,该曲线有一最低点,当进料为第21块板时为最佳进料位置。而由简化法算出的13块板的回流比和能耗要比21块板时大得多。若以13块板的热负荷为基准,则通过灵敏度分析求得的最佳进料板条件下,可以算出冷凝器热负荷减少11.3%,再沸器热负荷降低10.83%,显然节能幅度是十分可观的。简化法和严格法计算的最佳进料位置竟相差达8块多,按照严格法计算,在最佳进料位置时,冷凝器和再沸器的能耗分别节省10%左右。如此巨大的差别说明简化法在某些蒸馏塔的计算中准确性不够,必须以严格逐板计算为准。6.3优化目标函数大多商业化模拟软件都配备了优化器模块,故可以采用优化器进行进料位置的优化。优化器的优化变量是进料板位置,优化的目标函数则根据塔的工艺规定不同