精馏过程及常减压装置教学教材

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1、常减压装置及精馏,09级认识实习教学内容 刘艳升,一、石油体系,石油(习惯上称为原油)是沸程极宽的复杂烃类混合物 石油体系不同于化工明确体系，其组成和组分是不断变化的。 低沸点有机化合物：是该沸点范围一切可能的烃类组分； 高沸点有机化合物：极为复杂，一切可能的C-H化合物、有机烃类、焦质、沥青质、杂环等。 石油体系不能采用现有的明确组分进行描述！,一、石油体系,要从石油提炼出多种多样的燃料、溶剂油、润滑油和其它石油化工产品，须将石油分割为不同沸程的馏分； 然后按照油品的使用要求，脱除这些馏分中的非理想组分，或者是经由化学转化形成所需要的组成，进而获得合格的石油产品。因此，炼油厂必须解决石油的分

2、割和各种石油馏分在加工过程中的分离问题。,一、石油体系,蒸馏分离技术是石油表征和石油加工过程最适宜的分离方法，也是一种最经济、最容易实现的分离手段。 石油表征：采用条件性的蒸馏实验来表征组成 实沸点蒸馏（TBP）：用于表征不同沸点原油的构成，藉此进行加工方案的制定和产品切割； 恩氏蒸馏（ASTM D86）：用于表征产品的馏分； 平衡汽化（EVP）：用于表征石油馏分的汽化特性； TBPD86EVP之间可以相互转换！,一、石油体系,炼油生产过程第一套加工装置就是蒸馏装置，即常减压蒸馏，将石油分割成一次加工产品和二次加工原料。 按所制定的石油加工方案，将石油分割成相应的直馏汽油、煤油、轻柴油或重柴油

3、馏分及各种润滑油馏分等，经过适当的精制和调配便成为合格的石油产品，也可以分割出二次加工过程原料，如重整原料、催化裂化原料、加氢裂化原料等，进一步提高轻质油的产率和产品质量。 常减压蒸馏决定着整个炼油过程的物料平衡，被誉为炼油加工的“龙头”。,二、常减压蒸馏,由于原油中含有盐、水、污泥等，会造成设备腐蚀、引起后续催化剂中毒、堵塞管线和设备，因此原油在进行常减压蒸馏之前，须进行脱盐、脱水预处理。原油电脱盐； 由于原油中含有的重质馏分油在高温时易于发生分解反应，产生焦炭、焦质等固相物质而堵塞设备，原油蒸馏采用一次加热汽化工艺。,二、常减压蒸馏,沸点在350以前的馏分的分离，采用常压操作； 沸点在35

4、0640之间的馏分油采用深度减压操作。 由于原油产品分离要求不高，因此在单一塔中可同时生产多个不同馏分段的产品。因此，原油蒸馏过程一般由初馏塔、常压塔和减压塔构成。,原油电脱盐,三、分离过程,化学工程 化学反应工程：决定最终产品的组分； 化学分离工程：不能改变产品的组分，但为反应过程进行， 原料的预处理：适应反应条件的要求 中间产物的提纯：适应反应条件的要求 最终产品的分离：决定产品的构成 因此，分离过程的应用数量远远多于反应过程！,三、分离过程,分离过程的热力学特性 分离的逆过程是混合，是一个热力学熵减小的过程。是一个反自发过程。因此，分离过程的实现需要外界提供热力学功。 分离要求越高，所需

5、要提供的热力学功越大！ 在炼油和石油化学加工过程中，由于分离过程应用数量巨大，因此能耗巨大！ 据95年统计，茂名分公司炼油厂塔设备的应用数量为167座，而反应器的应用数量不超过10套。,三、分离过程,分离过程的分类 非均相体系的分离 均相体系的分离 非均相体系的分离是一种两相或多相分离的过程，这类过程通常机械力场、过滤、筛分等设备进行，因此通常称为机械分离。 均相体系的分离一般需要外界添加第二相（吸收、萃取）和/或体系自身产生第二相（精馏），使得相际发生传质过程，最后采用机械分离的方法使两相分开而实现。 均相体系的分离是分离过程的主体，应用更为广泛，采用的分离设备组为塔设备。,三、分离过程,精

6、馏、吸收/解吸、萃取过程是工业中最常用的过程均相体系的分离技术。这些技术的技术基础均为热力学相平衡。 精馏：利用组分间沸点（蒸气压）的差异实现的分离技术，气、液体系； 当原料为气相时，通过加压、冷凝，产生组成更重的液相； 当原料为液相时，通过加热汽化，产生组成更轻的气相 有时，为了强化气液相平衡，体系中也加入溶剂，即萃取蒸馏。,三、分离过程,精馏、吸收/解吸、萃取过程是工业中最常用的过程均相体系的分离技术。这些技术的基础均为热力学相平衡，都属于相际传质过程。 吸收：利用气相组分在溶剂中溶解度的差异，实现的分离技术，气、液体系；加入液相溶剂，适于低温、高压操作； 解吸：吸收过程的逆过程，常用于溶

7、剂回收和物料脱出轻组分。适于高温、低压操作。体系内常常通入惰性气（与溶剂溶解度极低）进行，有时也采用加热的方式。 萃取：利用液相体系组分在溶剂中溶解度的差异，实现的分离技术，液、液体系；加入液相溶剂。,三、分离过程,相际传质过程受传质系数和相界面积的控制。 其中体系不同，传质系数不同！ 相际面积由传质设备中的两相分散过程来提供。传质设备通常为塔设备。,气液传质过程,对于给定体系在分离任务确定的条件下，传质速率与分离设备以及设备内部动量传递相关。 气液传质设备的作用： 在两相连续流动操作的条件下，为相际传质过程提供气液相界面积！ 相界面积越大，传质速率越高在相同停留（气液接触）时间下，传质效率越

8、高！,气液传质过程,相际传质过程的基础是汽液相平衡。 相平衡最大传质能力为y*x,气液传质过程,效率的概念 连续操作停留时间有限、传质不能达到相平衡； 能够达到相平衡唯一的方法是 设备直径 处理量0 实际塔达不到相平衡。 产生了效率问题！,气液传质过程,通过数学上都可以证明：均匀分布较非均匀分布效果更佳。,气液传质过程,由以上简单分析可知 停留时间 随着加工量增加而降低； 在同样加工能力下，随操作压力而增加； 相界面积 气液均匀分布产生的气液相界面积最大； 气液相界面积随着分散数目而增加； 按照传质速率方程可知 随着装置处理量，传质通量降低，效率降低 传质设备均匀分布，效率提高！,相界面产生的

9、方式,相界面产生的一般方式！ 液滴 气泡 液膜 特殊考虑？（气液密度差10103倍） 气柱？ 小直径的气柱，被液体剪切成气泡 大直径的气柱，被液体冲击而分散而产生液滴和气泡 气膜？ 液体与机械表面具有更强的粘附能力！,相界面产生的方式,相界面产生的方式,液滴和气泡方式： 气液直接接触、相互分散的方式。 分散结果是液滴，还是气泡，取决于液气体积比： 高液气比气泡，液体连续，气体分散； 低液气比液滴，气体连续，液体分散； 无论产生液滴，还是气泡，都需要消耗克服表面能而消耗能量！ 由该类方式可以构造出板式塔。,相界面产生的方式,为了产生液滴、气泡类的相界面积，气相须以相对高的速度与液体接触，并需要液

10、体床层的支撑，因此这类传质机制需要开孔的平板支撑，因而称为板式塔。 为了产生更高的气速与液体分散，支撑板上的开孔面积必须远远小于支撑板面积。因而气体通过支撑板需要消耗较大的动能。,相界面产生的方式,液膜的产生方式 要产生液膜，必须添加液体可润湿的固体支撑界面填料，固体支撑界面大小决定了相界面的大小； 为了达到更高的固体支撑界面，常常添加多层并行设置的机械界面，并形成连续的气相通道。 此时气体是连续相，液体是分散相；因此实际操作需要依靠自然重力的作用，将液体分布到这些固体支撑界面上，并作流动。因此这类传质机理的两相分散无需消耗能量。 这类传质机制的气体动能消耗仅仅是气体通过流动通道的粘滞阻力。

11、所添加的机械界面不能被液体润湿，导致导致传质相界面损失！ 这类传质机理称为填料塔,相界面产生的方式,相际传质过程的步骤,相分散 相分散是两相混合，产生相界面的过程，决定着传质过程的压降 相际传质 在相界面发生气液传质 传质速率、传质时间、相界面大小决定了传质效果 有限气液接触时间和有限相界面不能达到气液平衡操作，传质过程受传质动力学限制； 相分离 气液两相分离是传质过程最关键的步骤。决定着传质过程的处理能力，相分离不完全 气体中夹带液体雾沫夹带； 液体中夹带气体气体夹带； 降低传质的效果！,相际传质过程的步骤,板式塔与填料塔的对比,板式塔与填料塔的对比,板式塔与填料塔的对比,四、塔设备,塔设备

12、是均相体系分离过程常用的设备，具有以下特性： 结构简单； 易于实现多级操作了，实现高纯分离； 塔体常常为圆形（无应力集中问题）； 便于工程实现。 塔设备主要有板式塔和填料塔两大类。,五、塔设备中的传质过程,塔设备：在流动的条件下为传质过程实现提供气液相界面积a！ a的大小主要受塔类型和气液负荷大小的限制： 板式塔a有很大变化； 填料塔a变化较小！ 高效塔设备的设计需要控制塔内的返混，维持高的传质效率！ 塔设备的开发、选型和设计的核心问题是维持塔设备指标的平衡（传质效率、处理能力和压降等）,五、塔设备中的传质过程,五、塔设备中的传质过程,1、结构： 塔板：（tray，plate）板上有鼓泡元件，

13、提供汽液相接触 的场所。 降液管：（downcomer）将上层塔板流下的液体导入下层 塔板，本身无分离能力，但决定了塔的液相处理能力。 溢流堰：（outlet weir）出口堰，保持塔板上的液层高度。 入口堰：（inlet weir）可以不设，作用密封、缓冲、分布。 受液盘：（seal pan）接受降液管来的液体。,五、塔设备中的传质过程,六、板式塔,2、工作情况： 液体由上层塔板的降液管流下，进入塔板，然后横向流至出口堰，再经该层板的降液管流到下层塔板。汽相由塔板下方上升，穿过鼓泡元件（如：筛孔、阀孔）以鼓泡方式或喷射方式与塔板上流动的液体接触。 塔板上的液层厚度高于出口堰，超过的部分称作堰

14、上液头高度，并且塔板入口的液面要高于出口的液面，液面差称为液面落差，用以克服塔板、鼓泡元件和塔壁的阻力。 塔板上的气泡通过液层后在表面迸裂时会夹带出一部分液滴，其中较大的还回落到塔板上，但较细小的被带到上层塔板，这部分液滴叫做雾沫夹带（Entrainment）。,六、板式塔,因为塔板上有液层，所以有液体会从鼓泡元件漏到下层塔板上，称作泄漏（Weep）。 气体由下层塔板进入上层板时要克服一定阻力，可认为包括：通过板的阻力，通过板上液层的阻力，穿破液层时克服表面张力的阻力。这些阻力称为塔板压降（Press Drop） 。降液管中的液体是从低压区进入高压区，除了克服塔板压降外，还包括板上液层厚和流动

15、摩擦阻力，所以降液管中的液面要高于板上液面高。 当降液管中的液面超过上层板时（板间距堰高），或板上的雾沫夹带过大以致于板上的液体几乎全被夹带到上层板时，液体不能正常下流，称为液泛或淹塔（Flooding） 。,六、板式塔,录像片,六、板式塔,1、泡罩塔板 最早出现的塔板类型 优点：无泄漏、效率高、设计经验成熟 缺点：造价高（相当于筛板的两倍），结构复杂，压降高，有逐渐被筛板和浮阀塔板取代的趋势。,六、板式塔,2、筛孔塔板 在美国主要使用筛板，我国也用得越来越多。 优点：结构简单、造价低，压降低，非专利塔板 缺点：操作弹性小,六、板式塔,3、浮阀塔板 在我国目前应用最为广泛，特别是F-1型圆阀。

16、 特点：操作弹性大、效率高,六、板式塔,分类： （1）圆形浮阀塔板：F-1型是由石油大学沈复教授和北京设计院等单位推广，最早在抚顺石油二厂试车成功，随后在全国范围内推广应用，大连石油七厂、独山子炼厂等； （2）条形浮阀塔板：SV系列由石油大学精馏工程研究室开发，与圆阀相比，条阀不旋转，不易脱落，流体不易返混。,六、板式塔,4、舌形塔板（ligulate tray）、浮舌塔板：,六、板式塔,受液盘,六、板式塔,填料塔内装有一定高度的填料，填料堆放在支撑板上，液体由塔顶加入，由液体分布器均匀分散到填料层表面，液体在填料表面形成液膜，这层润湿的表面就成为气液接触的传质表面。气体混合物从塔底通入，经过填料支撑板（也起气体分布作用）进入填料层，沿填料空隙上升，气液两相呈逆流连续接触，这与板式塔内逐级接触有所不同。因为液体有沿着塔壁流动的倾向，每隔一定的填料层高就要设一个液体再分布器。为防止气体将填料吹走，填料层上设填料压板。,七、填料塔,一、填料塔的结构和工作情况,1、比表面积：单位体积的填料所具有的表面积 2、空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积 3、填料