分馏塔的设计

第40卷第7期辽宁化工Vol.40，No.72011年7月LiaoningChemicalIndustryJuly，2011收稿日期：2011-03-24作者简介：张宏利（1971-），男，辽宁葫芦岛人，1993年毕业于大连理工大学精细化工专业，研究方向：从事工程工艺技术的设计开发工作。E-mail：[e-mail]，电话：[phone]。分馏塔的设计张宏利，朱燕玲（中石油东北炼化工程有限公司葫芦岛设计院，辽宁葫芦岛125001）摘要：分馏塔设计中几个不常见的因素，如降额因子的选择、防冲挡板及冲溅挡板的设计、盲区选择等对分馏塔设计的成败起到非常重要的作用。文章将这几个因素对分馏塔设计的影响进行分析比较，提出了设计选择的原则和思路。关键词：分馏塔；降额设计；防冲挡板；冲溅挡板；盲区中图分类号：TQ050.2文献标识码：A文章编号：1004-0935（2011）07-0697-04板式分馏塔是石油化工企业常用的分离设备，目前已经形成了较为成熟的计算设计程序。但在标准程序之外，仍然有一些经验参数必须予以人为考虑。这些因素的好坏将直接影响分馏塔分离效率的高低及设备的造价。1降额因子板式分馏塔在某些应用条件下，实际处理能力低于用普遍公式计算出来的未经修正的处理能力。故需要在设计中引入“降额因子”概念。一般通过适当选用小于1的降额因子对处理能力进行修正。引入降额因子的原因通常有三种情况：分别是起泡性（起泡因子）、物理性质（系统因子）、和不确定性（安全因子）。降额设计可根据其中的一项或几项来考虑。降额设计可以对所有的变量与性能进行修正，在大多数情况下用于修正处理能力。它可以根据设计者的经验和主观判断，亦可以遵循某些公式化的程序。有些降额设计方法本身采用了物性参数的关联，就已经包括了系统因子。应当注意，使用不同的方法可能内含不同的系统因子。当考虑使用两种或两种以上的降额因子时，要求有经验的设计师对如何综合这些因子做出判断，以避免过分的降额。例如：有时要求降额量大于每一个因子，小于这些因子的乘积，而在有些情况下，只需要使用其中最保守的降额因子就可以满足要求。1.1起泡因子起泡因子是最常见的降额因子。板式塔和填料塔的水力学处理能力受泡沫的影响会降低，因为泡沫的存在会产生如下的影响：（1）在板式塔的气相空间和填料塔的填料空隙充满泡沫。（2）使板式塔的活动区和填料塔的填料床层产生过量雾沫夹带。（3）使进入降液管的液体体积膨胀。（4）使降液管内汽液分离效果变差。产生泡沫的原因可以总结为以下几点：（1）体系中存在表面活性物质。（2）传质过程中形成的泡沫具有一定的稳定性。（3）液体粘度较高，抑制了泡沫之间的液体流动，或干扰了泡沫从两相混合物中逸出。（4）由部分互溶组份组成的液体混合物，当接近临界温度时只存在一相，当偏离临界温度时会产生一个新相，其表现类似表面活性剂。（5）存在少量极细小的固体粉末或分子量很高的化合物。（6）由于界面上的离子交互作用，污染的盐溶液易形成泡沫，例如碳酸盐溶液。起泡因子常常会降低塔的处理量，影响一个或多个关键变量，如塔直径、塔板间距、降液管面积、降液管类型（直型或斜型）等等。泡沫类型及泡沫对分离能力的影响程度有很多情况，起泡因子通常取0.6~0.9，取决于起泡程度。在极少数情况下，起泡因子可以低到0.15~0.3。常见分馏系统起泡因子见表1。698辽宁化工2011年7月表1板式塔常见起泡因子系统起泡因子系统起泡因子油品吸收塔0.8~0.95脱丙烷塔0.9胺吸收塔0.73~0.8H2S汽提塔0.85~0.9胺再生塔0.85真空蒸馏塔0.85~1.0乙二醇吸收塔0.5~0.75原油分馏塔0.85~1.0CO2吸收塔0.85酸性水汽提塔0.5~0.7脱乙烷塔0.85~1.0糠醛精馏塔0.8~0.85脱甲烷塔0.8~1.0醇合成吸收塔0.5~0.71.2系统因子系统因子也可以用于对处理能力的修正，它常和分离物质的物性有关。当设计范围超出了经验关联式的物性数据的范围时，常使用系统因子。物理性质对处理能力的影响可以归结为：（1）当液体表面张力较低时，易于产生细小的液滴，会降低塔的喷射液泛处理能力。（2）当气相密度较高时，液体分离的驱动力较低，会限制塔的降液管处理能力。（3）通常，在高压、低温、真空、高液体流速、低液体流速、高粘度、低表面张力和双液相的情况下需使用系统因子。1.3安全因子安全因子用于弥补特定的关联式与基本数据的偏差。它反映了处理量、压降或效率计算值的不确定性。在有些情况下，由于存在测量误差等因素的影响。特定关联式的计算结果与数据可能吻合的不好，因此需要使用安全因子。使用安全因子的原因有很多，可以归纳为：（1）具体设计关联式的应用范围较小，准确性较低。（2）设计关联式所用的数据产生散射与偏差。（3）对系统性质没有充分的了解。（4）操作条件的不断变化。（5）机械设计变量对工艺性能的影响。（6）塔操作不稳定对系统的影响。（7）其他不确定因素。对安全因子的选择取决于投资费用和风险程度。为避免出现大的失败，对未经确证的系统或装置采用较子。对于浮阀塔板，大的安全因新设计通常区安全因子小于等于0.8；改造的安全因子通常取0.9。2防冲挡板防冲挡板沿降液管长度方向垂直于下层降液管的中心线上方，形成一个隔墙，对要进入降液管的带泡沫液体起到导向作用。它常用于各种类型的多降液管塔板，可以改善塔板性能。常见防冲挡板结构见图1。图1防冲挡板使用防冲档板的具体理由是：在出口堰附近，气体冲击会使液体冲出出口堰，特别是在较高的气速下，有些液体会越过降液管进入塔板的另一个区域，如果不使用防冲挡板将会导致塔板提前液泛。所以防冲挡板常在高液体流速的情况下使用。在锦西石化气体分馏装置扩能到20万t/a的设计中，考虑到投资及施工周期，设计中利旧了原丙烯塔。但是由于处理能力扩大，丙烯塔气速较高，液流较大，为防止高气速引起液体飞溅，在降液管上方设计了如图1所示的防冲挡板，取得了良好的效果。3冲溅挡板冲溅挡板作为保护挡板垂直安放在鼓泡区一侧的溢流堰上方，平行于溢流堰，与塔板和溢流堰都保持一定的间隙。结构形式如图2、3。这种挡板仅用于非常低的液体流速下，用于防止液体喷溅越过溢流堰，可以有效的保持塔板鼓泡区的液量，以避免塔板在喷溅状态被“吹干”。冲溅挡板有许多不同的类型，加罩型冲溅挡板与垂直冲溅挡板基本类似，只是加罩型冲溅挡板在鼓泡区一侧对着降液管的挡板是倾斜的，可以盖住整个降液管。由于这种类型的挡板会对液体流动产生阻力，所以仅限在较低的液体流速下使用。结构型式如图3。图2垂直冲溅挡板结构图第40卷第7期张宏利：分馏塔的设计699图3加罩型冲溅挡板结构图4塔板盲区在生产过程中塔的操作条件常发生变化，为了适应需要，可在塔板上设置盲区来降低最小操作点。例如，在远远低于设计流率的情况下，就需要对塔板进行堵孔；或者为了适应将来提高处理能力的需要，预先设置盲区；在确定塔径时，除了考虑负荷大小以外，还必须考虑是否需要设置盲区以及其他一些因素。设置盲区通常有以下4种方法。见图4~7。图4在入口和出口侧设置盲区图5在两侧设置盲区图6设置平行于液流的窄条形盲区设置盲区时，对方案的选择需要考虑很多因素，不能只根据哪种方案费用最低。图5是最理想的设置方式，这种方式在塔板两侧弓形区设置盲区，有效开孔区域呈矩形或接近于矩形，可以保证全部液体只通过有效区域。在为某炼厂设计的分馏塔时，由于考虑到装置在不久的将来上二期工程，处理能力将扩大1倍，从节约投资及改造工期方面考虑，分馏塔塔径按二期设计一步到位，但为满足一期生产，塔盘开孔率按一期流量设计，同时采用了如图5方式设置盲区。图7设置垂直于液流的窄条形盲区在设置盲区的选择时，有效流程长度作为关键变量应该得到考虑。如果其他方法会明显减少流程长度，尤其是流程长度减少到750mm以下时，应该考虑图5的堵孔方法。使用这种方法，开孔面积可以减少一半或一半以上。这是其他方法所不能达到的。其他方法要么会显著缩短流程长度，要么会减少有效区域上的开孔面积。另外，适当设置一些挡板可以防止液体进入盲区。这些挡板在不妨碍上层塔板支撑件的条件下越高越好。尽管如此，在盲区上仍然会接受到泄露下来的和溅落的液体，设计时应该注意使这些液体能便利排出，并有选择的进入下层塔板的降液管内。当盲区面积较小，流程较长时，应考虑采用图4的方式设置盲区。入口侧和出口侧均设置盲区要比只在其中一侧设置盲区的方式好，特别是当所需的盲区面积较大时，这样可以避免汽体在塔板上由一侧向另一侧流动。图6、7所示的盲区设置方式适用于流程较长、窄条区域不太宽的情况。有试验证明：在直径2400mm，流程长度为1520mm的分馏塔中，采用如图6的堵孔方式，堵孔窄条宽度为140mm，将塔板开孔率由14%堵孔到8%，并与正常8%开孔率的塔板进行比较，结果说明他们之间并无明显差别。但是，当700辽宁化工2011年7月窄条宽度大于150mm，当塔板上的流程长度低于1520mm时，会影响塔板性能，特别是塔板效率。通常根据塔板分块的方位决定选用图6或图7的方式，堵孔窄条应平行于分块塔板的长度方向，这样做安装简单，也比较经济。当堵孔面积超过开孔面积一半或开孔面积必须减少到有效面积5%以下时，通常不推荐采用图6或图7的安装方式。锦西石化气体分馏改扩建时，利用原丙烯塔做为脱丙烷塔，由于丙烯塔塔径较粗，为稳定操作，对丙烯塔做了如图6方式的堵孔设计，经生产验证，操作比较稳定。5结论（1）降额因子是一项主观性较强的经验数值。设计中引入降额因子可以增加适当的保险系数，但同时增加了设备的投资，故在数值选择时要进行参数优化与投资权衡。（2）防冲、冲溅挡板的设计可以提高分馏塔的分离效率，有利于提高分馏塔的处理能力，特别是在分馏塔改造中经常应用。（3）对于未来有可能扩大再生产的项目，分馏塔设计中预先设置盲区有利于降低设备日后改造的投资。DiscussiononDesignofFractionatingTowerZHANGHong-li，ZHUYan-ling（PetroChinaNortheastRefining&ChemicalEngineeringCo.,Ltd.,LiaoningHuludao125001,China)Abstract:Severalunusualfactorssuchaschoiceofderatingfactors,designofimpingementbaffleandswashbaffle,selectionoftheblindspotandsoon,playaveryimportantroleindesignofthefractionatingtower.Inthispaper,influenceofaboveseveralfactorsondesignofdistillationcolumnwereanalyzedandcompared,andprinciplesandideasofthedesignwereproposed.Keywords:Fractionatingtower；Deratingdesign;Impingementbaffle;Swashbaffle;Blindspot（上接第689页）参考文献：[1]杨小文,杜英豪.国外污泥干化技术进展[J].给水排水,2002（02）.[2]郭淑琴,孙孝然.几种国外城市污水处理厂污泥干化技术及设备介绍[J].给水排水,2004（06）.[3]吕小磊,高欣欣,步启军.污泥干化技术[J].商场现代化,2005（20）.[4]王　,柯尊忠,田秀敏.城市污泥干化技术研究[J].机电产品开发与创新,2003（02）.[5]王钊.北京污水处理厂污泥干化处理工艺选择的探讨[J].市政技术,2004（06）.[6]黄凌军,杜红,鲁承虎,黄国民.欧洲污泥干化焚烧处理技术的应用与发展趋势[J].给水排水,2003（11）：26-29.[7]何品晶,顾国维,邵立明,李国建.上海城市污水厂污泥处理与利用系统分析[J].长江流域资源与环境,2002（03）.[