如何初步设计一个精馏塔?

对于分馏塔的计算,一般是按照理论的平衡级完成的。一个分馏塔可以看做一系列具有两种进料和两种产品物流的平衡闪蒸。较高温度的蒸汽从下一级进入闪蒸,而较低温度的液流则自上一级而来。在此级塔板上发生热与质的传递。因此,离去的汽液物流是在同一温度和压力下的泡点液体和露点蒸汽。

在建立分馏塔模型之前,需要明确以下五点概念:

1. 分馏是根据相对挥发度α的不同而分离组分的;

2. 相对挥发度低,则分离难度大,此时需要更高的回流比或更多的塔板数;

3. 产品纯度越高,需要的塔板数越多,而不是更高的回流比;

4. 在一定产品分离精度的要求下,存在一个回流比与塔板数的最佳折中方案;

5. 在塔的设计过程中,除了稳态设计最佳外,还必须兼顾动态控制方案。

现在,我们以设计一个脱丙烷塔为例开始。假定该脱丙烷塔的进料组成流量分别为C1 0.0kmol/h、C2 0.26kmol/h、C3 26.9kmol/h、iC4 12.28kmol/h、nC4 12.29kmol/h、iC5 1.02kmol/h、nC5 1.02kmol/h、C6 0.23kmol/h,即总进料量为54kmol/h。目标要求C3塔顶回收率为98%,且塔顶产品中iC4含量不大于1%。

接下来我们开始对本案例进行初步设计。

一般对于塔的产品控制主要有以下两种方案:

1)规定塔顶或塔底物流中某一组分的回收率;

2)任意 产品中某一组分的含量。

通过以上两点,便可以完成对塔的物料平衡。在多组分的混合物中,一般有两个关键分离组分,一个是轻关键组分,它被定义为在塔底产品中有显著量的最轻组分;另一个是重关键组分,它是塔顶产品中有显著量的最重组分。当在初次手算时,为达到物料平衡的目的,通过假定所有轻于轻关键组分的组分都在塔顶采出,而所有重于重关键组分的组分同塔底产品一起被采出。根据定义,关键组分将分布在各产品物流之间。

现在,我们根据本案例中的进料情况,估算各产品的组分,完成物料平衡计算。

对于轻关键组分C3:

塔顶馏出量为  26.9 × 98% = 26.362 kmol/h

塔底馏出量为  26.9 – 26.362 = 0.538 kmol/h

对于C2:

塔顶馏出量为 0.26kmol/h(100%进入塔顶产品)

由于产品要求1%的iC4在塔顶产品中,因此C2及C3将占塔顶组成的99%。

因此,塔顶总馏出量为  (26.362 + 0.26)/ 0.99 = 26.891 kmol/h

则塔顶产品中iC4的馏出量为  26.891 – (26.362 + 0.26)= 0.269 kmol/h

塔底产品中iC4的馏出量为  12.28 – 0.269 = 12.011 kmol/h

由此,我们可以完成对脱丙烷塔的物料平衡:

在实际操作中,比轻关键组分还轻的和比重关键组分还重的并不能完全的被分离,在此为了手算的目的将其简化,这对问题的处理非常有用。待建立严格模型后我们可以对比一下二者的计算结果。

接下来我们开始确定该脱丙烷塔的设计条件。

  1. 操作压力

对于分馏问题,在进行任何设计计算之前,必须首先要确定塔的操作压力。对于操作压力大小的确定主要考虑因素之一便是回流冷凝器可利用的冷却介质。塔顶产品是处在泡点条件下的液体产品或在露点条件下的气体产品。那么泡点(或露点)的压力就是由所要求分离的组分和冷却介质的温度所确定的。

一般常用的冷却介质由空气、水和制冷剂。空气冷却通常是最为经济的冷却方法。实际上,热交换设计将工艺过程温度限制在与夏天环境的温差不小于20℃的范围。此温度在中国大多数地区转成工艺过程温度为40℃到60℃。冷却水的典型工艺温度为30℃到35℃。若工艺过程的温度要求低于35℃,则必须采用制冷剂才能达到希望的冷凝温度,这从投资和操作费用的角度来看是最为昂贵的冷却方法。

本方案中,我们希望采用冷却水进行冷却,则此时塔顶回流罐的温度大约为

30 + 20 = 50℃。

由于我们此前已经确定了塔顶的组成,因此可以很方便求得当冷凝温度为50℃时的泡点压力为1742kPa。

如果忽略塔压降情况,估算塔底的温度为1742kPa下的泡点温度,即101.7℃。

  1. 确定最小塔板数

对于大多数多组分系统,最小塔板数(包括冷凝器及再沸器)可有Fenske公式计算获得:

其中SF为分离系数,定量测定了分离难度,其定义为:

该公式规定了塔设计的技术规格。

对于本脱丙烷塔其分离系数为  ( 26.362 / 0.538 )×( 12.011 / 0.269 ) = 2188

接下来需要考虑平均相对挥发度ɑ(avg)的确定。

ɑ(avg)是分离过程关键组分的塔内平均相对挥发度,最为普遍采用的是塔顶和塔底的算术平均:

而相对挥发度ɑ又是以两组分在给定的温度与压力下平衡K值的比来计算的:

现在问题又回到了K值求解上。对于K值我们可以使用技术手册或BWRS、Chao-Seader、Grayson-Streed、Peng-Robinson等热力学方法求解。在此我们使用BWRS计算即可。

我们已经在前面获得了塔顶和塔底的泡点温度或压力,因此对于塔顶的相对挥发度为 0.983 / 0.658 = 1.494;塔底的相对挥发度为 1.930 / 1.111 = 1.737。

由此可知平均相对挥发度为  (1.494 + 1.737 ) / 2 = 1.616

此时便可求得最小塔板数为  log(2188) / log(1.616) = 16 块塔板数。

  1. 确定最小回流比

Underwood方法是计算最小回流比最为广泛的方法,该方法假定了挥发度和摩尔溢流量不变。第一步是用试差法计算 θ:

一旦 θ 确定,则最小回流比为:

试差求解 θ 即可由上式确定最小回流比。需要注意的是,θ 的解会处在两个关键组分的相对挥发度之间,而各组分的相对挥发度在塔内均有一定的变化。

对于最小回流比的确定我们也可以尝试直接使用Symmetry的严格精馏塔模型计算。假设脱丙烷塔进料为泡点状态,由于塔的操作压力为1742kPa,考虑到压降,则进料压力要略高点,设为1800kPa。

以下是Symmetry根据以上手算条件的计算结果,可以看到其物料平衡等计算结果与手算值基本一致,两者间最大的区别便在于上文所提到的轻重组分不会完美分离:

到此,我们已经完全可以使用流程模拟软件进行进一步的设计和核算工作了。在核算或者说优化的过程中,我们一般会思考到以下问题:

  • 如何确认最佳进料位置?
  • 如何使用严格精馏塔确定最少理论塔板数?
  • 使用严格精馏塔确定最小回流比是多少?
  • 进料状态是否最佳?
  • 塔的最小操作费用如何确定?
  • 又该如何确定它的板效率?

实际上,这些更具体的问题并不能从一个局部进行单一的求解,需要全局考虑,或是整个分馏系统,或是以全厂为界。对这些问题的解决我会在以后的文章中逐一讨论。

希望本篇对您有所帮助。

发表评论