1、常减压装置及精馏常减压装置及精馏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
2、石油的分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
3、柴油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，所需要提供
5、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 精馏、吸收/解吸、萃
6、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，常用于溶剂回收和物料脱出轻组
7、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，传质效率越高！气液传质过程 相际传
8、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！相界面产生的方式 相界面产生的一般方式！ 液滴
9、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，并需要液体床层的支撑，因此这类传质机制需要开孔的平
10、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。 所添加的机械界面不能被液体润湿，导致导致传质
11、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项目相界面的产生特点气液流动方向单床层浓度梯度方向全塔浓度分布特点主要性能特点操作稳定性造价适用范围气泡体系耐腐蚀性
12、使用周期抗污能力操作压力板式塔消耗气体动能（液滴、气泡、气泡团）错流、逆流并流液相：水平方向（可能）气相：垂直方向级梯变化高效率高处理能力高压降（相对于填料）高低适用高长高填料塔人为提供机械界面（液膜为主，液滴、气泡）逆流液相：垂直方向气相：垂直方向连续变化高效率高处理能力低压降（相对于塔板）低（相对于塔板）高不适用低短低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
13、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 1、结构：、结构： 塔板：塔板：（tray，plate）板上有鼓泡元件，板上有鼓泡元件，提供汽液相接触提供汽液相接触 的场所。的场所。 降液管：降液管：（downcomer）将上层塔板流下的液体导入下层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
14、。塔板，本身无分离能力，但决定了塔的液相处理能力。 溢流堰溢流堰：（outlet weir）出口堰，保持塔板上的液层高度。出口堰，保持塔板上的液层高度。 入口堰：入口堰：（inlet weir）可以不设，作用密封、缓冲、分布。可以不设，作用密封、缓冲、分布。 受液盘：受液盘：（seal pan）接受降液管来的液体。接受降液管来的液体。 五、塔设备中的传质过程六、板式塔2 2、工作情况：、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。汽相由塔板下方出口堰，再经该层板的降液管流到下层塔板。汽相
15、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。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，超过的部分称作塔板上的液层厚度高于出口堰，超过的部分称作堰上液头高堰上液头高度度，并且塔板入口的液面要高于出口的液面，液面差称为，并且塔板入口的液面要高于出口的液面，液面差称为液面液面落差落差，用以克服塔板、鼓泡元件和塔壁的阻力。，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，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
16、上，但较细小的被带到上层塔板，这其中较大的还回落到塔板上，但较细小的被带到上层塔板，这部分液滴叫做部分液滴叫做雾沫夹带雾沫夹带（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，称作上，称作泄漏泄漏（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：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。这些阻力称为的阻力。这些阻力称为塔板压降塔板压降（Press
17、 Drop） 。降液管中的。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摩擦阻力，所以液层厚和流动摩擦阻力，所以降液管中的液面降液管中的液面要高于板上液面高。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，称为体不能正常下流，称为液泛液泛或或淹塔淹塔（Flooding） 。六、板式塔 录像片六、板式塔1 1、
18、泡罩塔板、泡罩塔板最早出现的塔板类型最早出现的塔板类型优点：无泄漏、效率高、设计经验成熟优点：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，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。压降高，有逐渐被筛板和浮阀塔板取代的趋势。六、板式塔2 2、筛孔塔板、筛孔塔板在美国主要使用筛在美国主要使用筛板，我国也用得板，我国也用得越来越多。越来越多。优点：结构简单、优点：结构简单、造价低，压降低，造价低，压降低，非专利塔板非专利塔板缺点：操作弹性小缺点：操作弹性小六、板式塔3 3、浮阀塔板、浮阀塔板在我国目前应用最为广泛，特别是在我国目
19、前应用最为广泛，特别是F-1F-1型圆阀。型圆阀。特点：操作弹性大、效率高特点：操作弹性大、效率高六、板式塔 分类：分类： （1 1）圆形浮阀塔板：圆形浮阀塔板：F-1型是由石油大学沈复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；油七厂、独山子炼厂等； （2）条形浮阀塔板：）条形浮阀塔板：SV系列由石油大学精馏工系列由石油大学精馏工程研究室开发，程研究室开发，与圆阀相比，条阀不旋转，不易脱与圆阀相比，条阀不旋转，不易脱落，流
20、体不易返混。落，流体不易返混。 六、板式塔4、舌形塔板（、舌形塔板（ligulate tray）、浮舌塔板：）、浮舌塔板： 六、板式塔受液盘受液盘六、板式塔mmWmmWCF908011080 填料塔内装有一定高度的填料，填料堆放在填料塔内装有一定高度的填料，填料堆放在支撑板支撑板上，液体由塔顶加入，由上，液体由塔顶加入，由液体分布器液体分布器均匀分散到均匀分散到填料层填料层表面，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
21、入填料层，沿填料填料支撑板（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隔一定的填料层高就要设一个液体再分布器液体再分布器。为防止气。为防止气体将填料吹走，填料层上设体将填料吹走，填料层上设填料压板填料压板。七、填料塔一、填料塔的结构和工作情况一、填料塔的结构和工作情况1 1、比表面积：单位体积的填料所具有的表面积、比表面积：单位体积的填料所具有的表面积2 2、空隙率：单位体积填料所具有
22、的空隙体积、空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积3 3、填料因子：、填料因子： 干填料因子：干填料因子： 湿填料因子：液体喷淋条件下湿填料因子：液体喷淋条件下4 4、单位体积内的填料数目：、单位体积内的填料数目：过多：尺寸小，比表面积增加，空隙率减小，气流阻力过多：尺寸小，比表面积增加，空隙率减小，气流阻力增加；过少，尺寸大，空隙率大，塔壁气体容易短路。增加；过少，尺寸大，空隙率大，塔壁气体容易短路。3/七、填料塔七、填料塔1 1、个体填料：、个体填料：乱堆填料：塑料填料一般采用干装，防止浮在水面上。乱堆填料：塑料填料一般采用干装，防止浮在水面上。 陶瓷填料一般采用湿装，防止破碎。陶瓷填料一般
23、采用湿装，防止破碎。整砌填料：填料较大，降低气流阻力，装填人工费用大。整砌填料：填料较大，降低气流阻力，装填人工费用大。2 2、规整填料：压降低、费用高、规整填料：压降低、费用高七、填料塔1 1、填料支撑板：、填料支撑板：2 2、液体分布器（气体分布器）：、液体分布器（气体分布器）：3 3、液体再分布器：、液体再分布器：4 4、除雾沫装置：、除雾沫装置：5 5、填料压板：、填料压板：七、填料塔1 1、塔径较大时宜采用板式塔，效率高，易检修；、塔径较大时宜采用板式塔，效率高，易检修；2 2、所需理论板数比较多或传质单元数比较多时宜、所需理论板数比较多或传质单元数比较多时宜采用板式塔，填料塔要增加
24、液体再分布器；采用板式塔，填料塔要增加液体再分布器；3 3、若需将热量从塔内移出时，宜采用板式塔，可、若需将热量从塔内移出时，宜采用板式塔，可在塔板上安设冷却管；在塔板上安设冷却管；4 4、板式塔适用于比较小的液量，填料塔要求一定、板式塔适用于比较小的液量，填料塔要求一定的喷淋密度；的喷淋密度；八、板式塔与填料塔的比较5 5、板式塔适用于处理有悬浮物的液体原料，填料塔、板式塔适用于处理有悬浮物的液体原料，填料塔易被悬浮物堵塞；易被悬浮物堵塞；6 6、板式塔便于侧线出料；、板式塔便于侧线出料；7 7、填料塔适于处理有腐蚀、易发泡的物料；、填料塔适于处理有腐蚀、易发泡的物料；8 8、填料塔的压降比较小，适用于减压塔。、填料塔的压降比较小，适用于减压塔。9 9、填料塔内物料的停留时间短，对间歇蒸馏及热敏、填料塔内物料的停留时间短，对间歇蒸馏及热敏性物料的蒸馏有利。性物料的蒸馏有利。七、板式塔与填料塔的比较
