精馏塔的塔板效率确定

如果模拟过实际精馏塔,那一定对塔板效率有一定的了解。模拟计算过程中常用的塔板效率主要是默弗里效率和全塔效率这两种。这二者均是对实际分离效率的一种校正手段。理想情况下每一块塔板上的气液相都是以100%平衡状况离开的,也就是说达到了闪蒸平衡。实际情况则会由于塔内传质与传热的不均等情况总会导致一定的理想偏差,那这些偏差就不得不采用一些方法来进行表征,使其更加符合现场实际情况。

默弗里效率的表征办法是通过引入一个经验公式将塔板上的气液平衡进行人为的“干预”,干预的结果就是强制打破了在一定压力条件下塔板上的气液闪蒸平衡。其效率计算公式为:(离开当前塔板的气液相实际浓度 – 进入当前塔板的气液相浓度)/(离开当前塔板的气液相理想浓度 – 进入当前塔板的气液相浓度)× 100% 。显然,当离开当前塔板的气液相实际浓度与理想浓度一致时,则其效率即为100%。还有一点就是需要特别的注意,那就是由于默弗里效率人为的改变了气液平衡,因此在使用过程中对于塔顶、塔底、侧线采出等位置应当特别的小心,以避免使用默弗里效率后导致温度分布的异常。

全塔效率概念则简单明了:(理论板数 / 实际板数)× 100% 。So Great!全塔概念避免了使用默弗里效率所产生的各种问题,在不破坏理论计算基础的前提下直接通过“等效”的概念便解决了这一问题。这里有一点便是需要特别注意的,那就是所谓全塔效率并不是真的就是指“全塔”,应该把这一概念进一步的理解为“塔段效率”——尤其是像常压塔、主分馏塔之类的复杂塔而言。因为实际上塔的效率分布并不见得就是完全一致的,它跟塔内介质的粘度有着密切的关系。所以说我们可以分段去指定塔的效率分布,而这也将与实际匹配的更加吻合。

那这里就有个问题了,此二者的效率大小可以等效吗?在我个人的模拟经验中,对于组分较少且清晰的简单分馏塔而言,使用默弗里效率和全塔效率概念均能够与实际很好的匹配,也就是可以进行等效。但对于复杂的石油精馏塔而言全塔效率设置下的塔模型确实要比指定默弗里效率的塔模型更加的可靠和准确,因此在这种情况下个人还是非常建议使用全塔效率概念。

那么塔板效率该如何确定呢?个人以为也就是通过实际工业装置或实验室数据进行拟合匹配了。因为对于不同的体系、不同的塔板结构、甚至不同负荷等其塔的效率都会有所不同。例如对于吸收塔而言,其塔板效率一般都比较低,可能只有30%左右;解吸塔好点,可能在50%左右;精馏塔则变化范围较大,根据不同类型和作用,其效率会在30%到100%之间。前人根据对不同精馏塔的实际数据进行归纳总结后,目前主要有两个计算塔效率的经验公式:

  • Drickamer-Bradford 方法[1]

E = 0.17 – 0.616 × lgμ

其中,μ为进料液体的粘度,cP

  • O’connell 方法[2]

E = 49 × (μ × α) ^(-0.25)

其中,μ为塔顶、塔底算术平均温度下的进料液体粘度,cP;     α为轻、重关键组分的相对挥发度

如果未知该精馏塔的塔板效率便可以通过以上两式进行估算即可。此外,还有一种方法便是去参考同类装置的效率,这也是一种比较可靠的方法。下面即为目前炼化装置中各类常见塔的典型效率参考汇总表,这在做塔模拟计算时就可以进行参考了:

塔类型 典型的全塔效率,%
简单吸收塔/汽提塔 20-30
侧线蒸汽汽提塔 30
侧线再沸汽提塔 40
脱乙烷塔 65-75
脱丙烷塔 70-80
脱丁烷塔 85-90
汽油切割塔 70-75
乙烯精馏塔 95-100
丙烯精馏塔 95-100
碳四组分精馏塔 85-90
碳五组分精馏塔 85-90
胺液吸收塔 20
胺液解吸塔 45-55
常压塔
塔顶段 60-70
常一线采出 – 常二线采出 50-55
常二线采出 – 常三线采出 45-50
常三线采出 – 闪蒸段 30
汽提段 30
减压塔
LVGO 精馏段 2(等效塔板数)
HVGO 精馏段 2(等效塔板数)
HVGO采出 – 闪蒸段 2(等效塔板数)
汽提段 1(等效塔板数)
FCC主分馏塔
塔顶 – LCGO 70
LCGO采出 – HCGO采出 60
HCGO采出 – 急冷段 50
急冷段 30-35

上表所列效率也仅供参考使用,作为一个合理的初始效率估值是没有问题的,但实际情况下由于塔内件的不同等情况可能会略有不同,因此最可靠的方法还是与实际工业数据进行对比确定。

以上便是塔板效率确定的一般方法,希望本篇对您有所帮助。

参考文献:

[1]  Drickamer, Bradford. Trans Am Inst Chem Engrs.

[2]  O’Connell H E. Trans Am Inst Chem Engrs.

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