精馏操作技术
化工生产中所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物,而且大部分是均相物系。为进一步加工和使用,常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。精馏是分离均相液体混合物的重要方法之一,属于气液相间的相际传质过程。在化工生产中,尤其在石油化工、有机化工、高分子化工、精细化工、医药、食品等领域更是广泛应用。
第一节 精馏塔的结构及应用
图3-1 板式塔结构 1-塔体;2-塔板; 3-溢流堰;4-受液盘; 5-降液管 |

完成精馏的塔设备称为精馏塔。塔设备为气液两相提供充分的接触时间、面积和空间,以达到理想的分离效果。根据塔内气液接触部件的结构型式,可将塔设备分为两大类:板式塔和填料塔。
板式塔:塔内沿塔高装有若干层塔板,相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触,进行传热和传质,属于逐级接触式塔设备。本章重点介绍板式塔。
填料塔:塔内装有填料,气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质,属于连续接触式塔设备。
二、板式塔的结构类型及性能评价
(一)板式塔的结构
板式塔结构如图3-1所示。它是由圆柱形壳体、塔板、气体和液体进、出口等部件组成的。操作时,塔内液体依靠重力作用,自上而下流经各层塔板,并在每层塔板上保持一定的液层,最后由塔底排出。气体则在压力差的推动下,自下而上穿过各层塔板上的液层,在液层中气液两相密切而充分的接触,进行传质传热,最后由塔顶排出。在塔中,使两相呈逆流流动,以提供最大的传质推动力。
塔板是板式塔的核心构件,其功能是提供气、液两相保持充分接触的场所,使之能在良好的条件下进行传质和传热过程。
(二)塔板的类型
塔板有错、逆流两种,见表3-1。
表3-1 塔板的分类
分类 |
结构 |
特点 |
应用 |
错流 塔板 |
塔板间设有降液管。液体横向流过塔板,气体经过塔板上的孔道上升,在塔板上气、液两相呈错流接触, 如图3-2(a)所示。 |
适当安排降液管位置和溢流堰高度,可以控制板上液层厚度,从而获得较高的传质效率。但是降液管约占塔板面积的20%,影响了塔的生产能力,而且,液体横过塔板时要克服各种阻力,引起液面落差,液面落差大时,能引起板上气体分布不均匀,降低分离效率。 |
应用广泛。 |
逆流 塔板 |
塔板间无降液管,气、液同时由板上孔道逆向穿流而过,如图3-2(b)所示 |
结构简单、板面利用充分,无液面落差,气体分布均匀,但需要较高的气速才能维持板上液层,操作弹性小,效率低, |
应用不及错流塔板广泛。 |
图3-2 塔板分类
本章只介绍错流塔板。按照塔板上气液接触元件不同,可分为多种型式,见表3-2。
表3-2 塔板的类型
分类 |
结构 |
特点 |
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泡罩塔板 |
每层塔板上开有圆形孔,孔上焊有若干短管作为升气管。升气管高出液面,故板上液体不会从中漏下。升气管上盖有泡罩,泡罩分圆形和条形两种,多数选用圆形泡罩,其尺寸一般为Φ80 mm,100 mm,150mm三种直径,其下部周边开有许多齿缝,如图3-3 |
优点:低气速下操作不会发生严重漏液现象,有较好的操作弹性;塔板不易堵塞,对于各种物料的适应性强。 缺点:塔板结构复杂,金属耗量大,造价高;板上液层厚,气体流径曲折,塔板压降大,生产能力及板效率低。 近年来已很少应用。 |
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筛板 |
在塔板上开有许多均匀分布的筛孔,其结构如图3-4,筛孔在塔板上作正三角形排列,孔径一般为3~8mm,孔心距与孔径之比常在2.5~4.0范围内。板上设置溢流堰,以使板上维持一定深度的液层 |
优点:结构简单,金属耗量小,造价低廉;气体压降小,板上液面落差也较小,其生产能力及板效率较高。 缺点:操作弹性范围较窄,小孔筛板容易堵塞,不宜处理易结焦、粘度大的物料。 近年来对大孔(直径10mm以上)筛板的研究和应用有所进展。 |
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浮阀塔板 |
阀片可随气速变化而升降。阀片上装有限位的三条腿,插入阀孔后将阀腿底脚旋转90°,限制操作时阀片在板上升起的最大高度,使阀片不被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片。浮阀的类型很多,常用的有F1型、V-4型及T型等,如图3-5所示 |
优点:结构简单,制造方便,造价低。塔板的开孔面积大,生产能力大。操作弹性大。塔板效率高。 缺点:不易处理易结焦、粘度大的物料;操作中有时会发生阀片脱落或卡死等现象,使塔板效率和操作弹性下降。 应用广泛。 |
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喷射型结板 |
舌形 塔板 |
在塔板上开出许多舌型孔,向塔板液流出口处张开,张角20°左右。舌片与板面成一定的角度,按一定规律排布,塔板出口不设溢流堰,降液管面积也比一般塔板大些,如图3-6所示 |
优点:开孔率较大,故可采用较大空速,生产能力大;传质效率高;塔板压降小。 缺点:操作弹性小;板上液流易将气泡带到下层塔板,使板效率下降。 |
浮舌 塔板 |
将固定舌片用可上下浮动的舌片替代,结构如图3-7。 |
生产能力大,操作弹性大,压降小。 |
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斜孔 塔板 |
在塔板上冲有一定形状的斜孔,斜孔开口方向与液流方向垂直,相邻两排斜孔的开口方向相反,如图3-8所示。 |
生产能力比浮阀塔大30%左右,结构简单,加工制造方便,是一种性能优良的塔板。 |
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网孔 塔板 |
在塔板上冲压出许多网状定向切口,网孔的开口方向与塔板水平夹角约为30°,有效张口高度为2~5mm,如图3-9所示。 |
具有处理能力大、压力降低、塔板效率高等优点,特别适用于大型化生产。 |
工业上常用的几种塔板的性能比较见表3-3。
表3-3 常见塔板的性能比较
塔板类型 |
相对生产能力 |
相对塔板效率 |
操作弹性 |
压力降 |
结构 |
成本 |
泡罩塔板 筛板 浮阀塔板 舌形塔板 斜孔塔板 |
1.0 1.2~1.4 1.2~1.3 1.3~1.5 1.5~1.8 |
1.0 1.1 1.1~1.2 1.1 1.1 |
中 低 大 小 中 |
高 低 中 低 低 |
复杂 简单 一般 简单 简单 |
1.0 0.4~0.5 0.7~0.8 0.5~0.6 0.5~0.6 |
图3-3 泡罩塔板 图3-4 筛板
1-升气管;2-泡罩;3-塔板
F1型 V-4型 T型
图3-5 浮阀型式
1-浮阀片;2-凸缘;3-浮阀“腿”;4-塔板上的孔
图3-6 舌形塔板 图3-7 浮舌塔板 图3-9 网孔塔板
(a)斜孔结构(b)塔板布置
图3-8 斜孔塔板