氢原子百科 
精馏塔（rectification tower）是用于完成精馏[注1]操作的主体设备，用于分离液体混合物中的不同组分。它通过将混合物加热至沸点，然后在不同高度设置的塔板上进行蒸馏，实现了组分的分离。[6]精馏塔在化工工艺中起到了至关重要的作用，应用于石油、化工、工业生产等领域[2]。精馏塔由多个部件组成，包括进料装置、塔体、分离器、冷凝器和回流器等。[7]精馏塔的组成和设计根据不同的应用和物质特性而有所不同，但其基本原理是通过不同的沸点来实现混合物的分离。[3]
板式精馏塔自1813年问世以来，一直受到广泛应用。直到20世纪70年代前，板式塔的研究及应用都处于领先地位。70年代后，填料塔的研究取得了较大进展。[8]20世纪80年代，专家学者通过对流体力学的研究，确定了精馏塔内部液体介质的活动规律以及流动特点，并应用于塔器的发展以及结构优化中。[9]到了21世纪，精馏技术在化工行业领域的应用占有着举足轻重的地位。通过长期研究与分析，人们对精馏技术逐渐拥有了更加深刻的认识,其中的流体力学，与液传质和过程中的强化等都具备了更加完善科学的理论模型，并且已经成功应用于大型精馏装置中。[10]
精馏塔的结构形式有多种，常见的有板式精馏塔和填料式精馏塔。板式精馏塔是利用一系列水平板进行分离的，液体混合物从塔顶进入塔内，在板上形成液体层，然后受到蒸汽的冲击，逐级分离。[11]板式塔中包含着泡罩塔板和筛孔塔板等多种类型。板式塔的结构较为简单，造价较低、适应性强、易于放大，但效率较低、压降高、持液量大填。填料式精馏塔则是利用填料来增加塔内的表面积，促进液体和蒸汽的接触，从而实现分离。填料式精馏塔的填料种类也很多，如散堆填料、规整填料等。[12][13]填料塔的效率高、压降小、持液量小，然而有些填料价格较高，且对初始分布敏感，隔一定高度需要安装收集分布器装置，中高压操作的传质性能较差。[13][14]
发展简史
十九世纪初，炼油工业发展迅速，精馏塔设备的应用也逐渐广泛。在1813年，CELLIER第一次提出了泡罩塔板。[8]板式塔具备的结构相对简单， 同时在造价方面也较低, 很适合用于加压与多侧线采出的工艺过程。1904年炼油工业出现了早期的填料塔，1912年穿流塔也开始出现于炼油工业中。1914年，随着拉西环（Raschig Rings）的问世，[4]第一代乱堆填料的诞生了，然而实际效果却并不理想，人们开始意识到汽液分布性能对填料塔操作的重要性。1920年泡罩塔板开始运用于炼油工业生产当中，代表塔设备开始进入现代化发展。[15]
20世纪50年代，Koch 公司员工 Nutter 提出了关于浮阀塔板的概念，并以这一概念为基础研发了浮阀塔板。后来美国Glitsch公司推出的V1型浮阀，以及V2～V4等几种圆形浮阀。20世纪60年代英国Hydronyl公司及西德MAN公司共同研制了锥形浮阀，日本日曹工程从英国引入了该种浮阀的专利，用于石油化工及精细化工等的精馏和吸收设备。[16]浮阀塔板的廉价与高效，使得它替代泡罩塔板，成为精馏塔的主要配件之一并沿用至今。1952年，由美国多家大型石油和化学公司 共同发起并集资建立了一个联合工厂规模的精馏试验基地——FRI，对蒸馏塔应用基础以及生产相关问题进行了研究，为精馏塔设计水平的提高作出了重大的贡献。[4]同时，美国化学工程师协会（AIChE）联合了一些大学的研究者，对塔板效率进行了多年的研究，提出一套塔板效率的计算方法。[17]虽然实验结果没有达到预期目标，但是其提供的AIChE塔板效率理论和预测方法成为最经典的板效率估算方法。[4]
20世纪70年代开始，填料塔分离工程技术进入了一个崭新阶段。填料塔的放大问题得到了解决，并且在大型减压设备上的运用也逐渐广泛。[18]目前，全球的炼油和石油化学工业正朝着精细化和大型化的方向发展。在多方面技术积累的支持下，塔设备的运行效率和能耗越来越重要，消除瓶颈并进行潜力挖掘和改造，以降低加工成本，提高经济效益。成为当前的热门发展方向。[4]
工作原理
精馏塔是一种用于分离液体混合物的设备，其工作原理基于液体的沸点差异。在精馏塔中，混合物被加热，使其中的液体成分蒸发，然后蒸气被冷却并凝结，最终得到纯度高的液体。[19]这个过程中，液体成分的沸点决定了它们被蒸发和凝结的时间。沸点较低的成分会先蒸发，沸点较高的成分则会留在液体中。[20]
组成
精馏塔组成包括铅塔和镉塔。[5]
铅塔：铅塔主要用于脱除低沸点杂质，主要分离物质是铅和锌。[5]
镉塔：镉塔主要用于脱除高沸点杂质，主要分离物质是镉和锌。[5]
构造
精馏塔由塔本体、燃烧室、换热室和下延部构成，而镉塔还包括大冷凝器。借助溜槽和加料管，精馏塔与熔化炉、熔析炉纯锌槽和冷凝器相连，形成一个密封的精馏系统。下面引用某厂粗锌精炼的过程来说明。[5]
| 1一熔化炉 | 2一精炼炉 | 3一回流塔保温套 | 4一连接槽 (溜槽) | 5一铅塔冷凝器 | 6一储锌池 | 7一流锌槽(流槽) |
| 8一换热室 | 9一烟气出口 | 10一煤气进口 | 11一空气进口 | 12一下延部 | 13一蒸发盘 | 14一燃烧室 |
| 15一铅塔加料器 | 16一流管(加料管) | 17一回流盘 | 18一塔加料器 | 19一锅塔小冷凝器 | 20一塔大冷凝器 | 21一精锌出口 |
| 22一纯锌槽 | 23一余锌出口 | - | - | - | - | - |
塔本体
塔本体由多个塔盘重叠安装而成。它通常分为两部分，即在燃烧室内的蒸发段和燃烧室以上的回流段。[5]
1.蒸发段
蒸发段是精馏塔内的下部分，主要用于将原料液体加热蒸发，使其转化为气体。在蒸发段内，通常会设置加热器和塔盘，以便将原料液体加热至沸点并将其蒸发。[5][21]
2.回流段
回流段是精馏塔内的上部分，主要用于将蒸发后的气体冷却凝结成液体，以便回流到蒸发段进行再次蒸发。在回流段内，通常会设置冷凝器和塔盘，以便将蒸发后的气体冷却凝结成液体，并将其回流到蒸发段。[22]
回流段通常不需要外加热，但需要保持一定的温度以保证回流液体的流动性。因此，回流段通常会设置保温空间，以便保持适当的温度。同时，回流段的设计也需要考虑流体的流动和分布情况，以保证回流液体能够均匀地分布到蒸发段进行再次蒸发。[22]
塔盘结构
锌精馏塔通常由50~60个塔盘叠成，塔盘普遍采用粘土结合碳化硅材质，具有高导热、高体积密度高强度、低气孔率等特性。[23]目前，工厂主要大型化塔盘和通用型塔盘。大型化塔盘是一种特殊设计的塔盘，其尺寸较大，通常用于处理大量的原料。这种塔盘具有更高的处理能力和更好的分离效果，适用于处理需求较高的工艺。通用型塔盘是一种常规设计的塔盘，尺寸较小，适用于一般的分离操作。这种塔盘具有较低的成本和较简单的结构，适用于一般的工艺需求。塔盘结构如下表所示。[5]
| 塔盘型号 | 外形尺寸（长×款×高×厚）/mm | 盘上气孔面积/m2 | 采用厂家 | |
|---|---|---|---|---|
| 大型塔盘 | 蒸发盘 | 1372x762x190x38 | 0.193 | 葫芦岛锌厂 |
| 回流盘 | 1372x762x190x38 | 0.1135 | ||
| 蒸发盘 | 1260x620x190x38 | 0.1114 | 韶关冶炼厂 | |
| 回流盘 | 1260x620x190x38 | 0.0779 | ||
| 通用塔盘 | 蒸发盘 | 990x457x165x38 | 0.077 | - |
| 回流盘 | 990x457x165x38 | 0.0458 | ||
塔盘有多种型号，以蒸发盘和回流盘为主。国内通用的型号共有13种，以下表为例。[24]
| 型号 | 称号 | 外形尺寸(长x宽x高x厚)/mm | 盘气孔尺寸 | 单重/kg | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 新号 | 原号 | 长×宽/mm | 面积/m² | |||
| TP-1 | T101 | 底盘 | 990x457x195x38 | 102x153 | 0.0156 | 97 |
| TP-2 | T108 | 蒸发盘 | 990x457x168x38 | 305x241 | 0.0735 | 74 |
| TP-3 | T108a | 蒸发盘 | 990x457x168x38 | 419x241 | 0.101 | 67 |
| TP-4 | T109 | 蒸发盘 | 990x457x168x38 | 533x241 | 0.128 | 68 |
| TP-5 | T110 | 导气盘 | 990x457x165x38 | 864x241 | 0.289 | 46 |
| TP-6 | T111 | 大檐盘 | 990X457x165x38 | 361x126 | 0.0458 | 97 |
| TP-7 | T103 | 加料盘 | 990x457x165x38 | 361x127 | 0.0458 | 93 |
| TP-8 | T102 | 回流盘 | 990x457x165x38 | 361x127 | 0.0458 | 77 |
| TP-9 | T112 | 出气盘 | 990x457X267x38 | 361x127 | 0.0458 | 103 |
| TP-10 | T104 | 液封盘 | 990x457x141x38 | 361x127 | 0.0458 | 70 |
| TP-11 | T105 | 反扣盘 | 990x457x140x38 | 361x127 | 0.0458 | 56 |
| TP-12 | T104a | 液封盘 | 990x457x165x38 | 361x127 | 0.0458 | 70 |
| TP-13 | T107 | 液封盘 | 990x457x165x38 | 361x127 | 0.0458 | 76 |
蒸发盘
蒸发盘的W型设计使得金属溶体存于靠盘壁的沟槽内，可以增大金属熔体与盘壁的接触面积，从而促进热量传递和金属蒸发的发生。盘中间向上凸起形成金属薄层的设计有两个作用：一是减少盘内金属的存量，使得金属蒸发更加集中在盘中间，提高蒸发速率；二是扩大金属蒸发表面，增加蒸发的效果。[24][25]
| 1一溢流口 | 2一气孔 | 3一沟槽 | 4一盘底 |
回流盘
回流盘的U型设计有助于增加液体金属和蒸气之间的接触面积，提高反应效率。当液体金属从气孔进入盘内时，由于盘内的导流格棱的存在，液体金属被迫沿着盘面上的“S”形路径流动。在液体金属流动的过程中，溢流口的存在可以确保盘内的液体金属保持在一定的液位范围内。当液体金属的液位超过溢流口的高度时，多余的液体金属会通过溢流口排出，从而保持液位的稳定。[5][26]
| 1一气孔 | 2一导流格棱 | 3一盘底 | 4一溢流口 |
塔盘中除了蒸发盘和回流盘外还有底盘、导气盘、大檐盘、加料盘、出气盘、反扣盘、液封盘、顶盘等辅助塔盘。[27]
燃烧室和换热室
燃烧室和换热室的结构如下图所示。[5]蒸发段围绕塔组合，采用耐火砖砌筑成长方形空间，形成燃烧室。燃烧室底部的左右边墙设有多个烟气出口，出口面积由前至后逐渐减小，这样的设计可以避免燃烧点因抽力作用而后移，从而提高了塔盘温度分布的均匀程度。[26][28]
| 1一一层空气分孔 | 2一二层空气分孔 | 3一二层煤气分孔 | 4一三层空气分孔 |
| 5一烟气道分孔 | 6一燃烧室空间 | 7一塔体 | 8一煤气入口 |
换热室的主要作用是预热煤气和空气，并排除废气。换热室主要由双孔空心砖构成，煤气和空气通过空心砖与砖外的废气进行热交换，然后分别进入煤气和空气总道，进入燃烧室。在换热室内设置交错排列的隔板，使废气呈“S”形流动，延长了热交换时间，提高了煤气和空气的预热温度。换热室的后侧和左右两侧设有多层清扫口，便于清除堵塞部位。[26][21]
冷凝器
冷凝器是一种用于冷凝和收集金属蒸气的设备，是由碳化硅质（SiC）耐火材料砌筑成方体形容器。主要功能是通过壁面与外界进行换热，将金属蒸气冷凝成液体，然后收集和贮存。冷凝器的底部设有一个锌液封闭的贮槽，用于收集冷凝后的金属液体。为了保持冷凝器的热效率，外围还设有活动保温窗，可以减少热量的散失。
| 1一防爆烟囱 | 2一活动护墙 | 3一锌蒸汽入口 | 4一空气夹层 | 5一加涂层的碳化硅器壁 |
| 6一锌液贮槽 | S1一上位第一测试点 | S2一上位第二测试点 | Z1一中位第一测试点 | Z2一中位第二测试点 |
| X1一下位第一测试点 | X2一下位第二测试点 | - | - | - |
熔化炉
加料器
加料器由碳化硅烧制而成，内有锌封，分为铅塔加料器和镉塔加料器两种，如下图所示。[5]加料器一端通过加料管与加料盘连接，另一端通过流槽接受来自熔化炉或铅塔冷凝器的锌液。其作用是防止空气进入塔内而造成氧化锌堵塞，发生事故。[27]
| 1一小方井（敞开口） | 2一盖板 | 3一锌封口 | 4一流管 |
| 1一小方井（敞开口） | 2一盖板 | 3一锌封砖 | 4一密封槽 | 5一流管接口 |
按组合方式分类
三塔型：由两座铅塔和一座镉塔组成，可以同时处理铅和镉的精馏。[5][30]
四塔型：由三座铅塔和一座镉塔组成，可以同时处理铅和镉，并且其中一座铅塔（B＃）专门用于处理B号锌，以提高生产效率和产品质量。[31][5]
七塔型：是一种较为复杂的精馏塔生产组合，由五座铅塔和两座镉塔组成。这种组合适用于大规模的工业生产，可以同时处理多种金属的精馏。它的优势在于可以更细致地分离和提纯不同金属，但也需要更高的设备投资和操作成本。[32]
板式塔
板式塔由一系列平行放置的水平板组成，每个板上都有一定数量的孔和泡沫堆积层。混合物通过塔顶喷淋器均匀地分布在板上，然后通过孔进入下一层板。在塔内，混合物在板上与上升的蒸汽或液体相接触，发生蒸馏和分离。[33]
板式精馏塔的工作原理是利用不同组分的挥发性差异来实现分离。在塔内，混合物中的易挥发组分会随着蒸汽上升而蒸发，通过板上的孔进入上层板，而不易挥发组分则会留在液相中，逐渐向下流动。通过连续的蒸馏和液相流动，不同组分逐渐分离，最终在不同的板上收集。[34]
尽管与填料塔相比，效率较低、通量较小、压力降较高和持液量较大。板式精馏塔凭借结构简单、造价低、适应性强和易于放大等特点仍受到广泛应用。[34]
泡罩塔
泡罩塔由一个垂直的筒体和内部的泡罩组成，有圆形和槽型两类。塔内有多层水平板。泡罩上有许多小孔，用来分散气体和液体，并促进它们之间的接触和传质。泡罩塔盘的作用原理是气体由泡罩内的升气管进入，经泡帽与升气管间的环形截面及回转通道由齿缝流出，在塔盘上形成鼓泡进行气液传质。在泡罩层内，气体和液体之间发生物理或化学反应，如吸收、反应、脱除等，从而达到气液分离和传质的目的。[36]经过泡罩层的处理，气体从塔顶排出，液体则从塔底排出。的泡罩种类、泡罩间距、进出口位置等参数可以根据具体的工艺要求进行设计和优化，以达到最佳的分离效果。[37]
泡罩塔最大的优点是易于操作，泡罩塔的操作相对简单，操作弹性大，操作人员容易掌握。泡罩塔的设计和结构可以有效避免液体的泄漏现象，且操作稳定性较高，可以保持较稳定的工艺条件。缺点是泡罩塔的板层结构相对复杂，需要较高的制造工艺和金属耗量，造价较高。泡罩塔的塔板压降较大，会导致能耗增加。泡罩塔中气体流径曲折，导致气体分布不均匀，影响传质效果和板效率。[37][38]
为了克服传统泡罩塔板的缺点，后来人们发明了一些新型的泡罩塔板如条型泡罩塔板、单流式(Uniflux tray，S型塔板)泡罩塔板、旋转泡罩塔板、伞型泡罩塔板、槽式泡塔板、带溢流管泡置、长泡罩、泡罩垂直筛板等。它们各有其特点，能适应不同的生产需求。[38]
筛板塔
筛板塔由一个垂直的筒体和内部的筛板组成，筛板上有许多小孔，用来分散气体和液体，并促进它们之间的接触和传质。筛板塔的填料可以是各种形状和材料的小颗粒，如球形、环形、骨架式、泡沫塑料等。[39]
筛板塔的工作原理是将气体从塔底进入，经过筛板层，与从塔顶喷淋的液体进行接触和传质。在筛板层内，气体和液体之间发生物理或化学反应，如吸收、反应、脱除等，从而达到气液分离和传质的目的。经过筛板层的处理，气体从塔顶排出，液体则从塔底排出。[39]
筛板塔具有结构简单、金属耗量小、造价低廉等优点，且生产能力和板效率比泡罩塔板高。缺点是操作弹性范围较窄，小孔筛板容易堵塞。[37]
为克服筛板塔的上述缺点，出现了大量改进型塔板。筛板塔的改进通常从改善塔板上的液体流动状况、气液接触状态、减少雾沫夹带等方面进行，如多降液管塔板(MD 塔板、DJ系列塔板)、导向筛板、新型垂直筛板以及复合筛板等。[40]
浮阀塔
浮阀塔由一个垂直的筒体和内部的浮阀组成。浮阀塔的工作原理是将气体从塔底进入，经过浮阀层，与从塔顶喷淋的液体进行接触和传质。浮阀层上有许多浮阀，浮阀的作用是在气体上升过程中，通过浮力的作用，将液体阻挡在浮阀层上，使气体经过浮阀层时与液体进行接触和传质。经过浮阀层的处理，气体从塔顶排出，液体则从塔底排出。[41]由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节，因而能在较宽的气体负荷下保持稳定操作，同时气体以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带少，具有良好的操作弹性和较高的塔板效率，在工业中得到了较为广泛地应用。[42][43]
浮阀塔结合了泡罩塔和筛板塔的优势，在工业生产中得到广泛应用。但是随着塔器技术的不断进步，浮阀塔的一些缺点也暴露出来。浮阀塔阀盖上方无鼓泡区，其上方气液接触状况较差，造成塔板传质效率降低；塔板上液面梯度较大，气体在液体流动方向上分布不均匀；从阀孔出来的气体向四周吹出，导致塔板上液体返混程度较大；在操作中，浮阀和阀孔易被磨损，浮阀易脱落。因此，国内外对浮阀塔进行了大量的研究，发明了许多新型浮阀塔。如环形浮阀、ADV微型浮阀塔板、高效锥形浮阀塔板、导向圆浮阀等。[42][44]
| 1—塔壳体 | 2—塔板 | 3—溢流堰 | 4—受液盘 | 5—降液板 |
浮阀塔板的主要构件是浮阀。下图为F1型浮阀的结构示意图。浮阀塔的种类较多，主要有F1型、V-4型及T型等。[45][42]
喷射塔
喷射型塔的主要结构是塔体和喷嘴。塔体通常采用不锈钢、碳钢等材料制成，具有良好的耐腐蚀性能。喷嘴是喷射型塔的核心部件。与传统塔板相比，喷射型塔板能够使气液两相并流，增大气体负荷,强化两相的接触，喷射塔板的特点是拥有良好的传质效率。[46]
工作原理是利用高速喷射的液体或气体，产生强烈的涡流和湍流，将气体或液体分离、净化、浓缩等。喷嘴的喷射速度和喷射角度对分离效果有很大的影响。在喷射型塔中，气体或液体从底部进入，经过喷嘴后，被分离出来的物质从塔顶排出，未被分离的物质则从底部排出。[47]
舌型塔板作为最早出现的喷射塔，拥有良好的性能和较低的造价。后来又衍生除了浮动舌型塔板，结合了浮阀板和舌型板的优势，弹性大、效率高、操作稳定，并且塔板压降低，处理能力强。[48][46]
固定式喷射塔中，网孔塔板具有传质效率高、压降低、生产能力高等特点，特别适用于减压塔。[48]
填料塔
填料塔通过填充物料的形式提供了大量的表面积，从而增加了物质之间的接触面积，促进了传质过程的进行。[37]
填料塔的基本结构由塔体、填料层和进出料口组成。塔体通常由金属或非金属材料制成，具有一定的强度和耐腐蚀性能。填料层则是填料塔的核心部分，它能够提供大量的表面积，以便物质之间进行有效的传质。填料的选择取决于具体的应用需求，常见的填料包括金属填料、塑料填料和陶瓷填料等。进出料口则用于将待处理物料引入塔体，并将处理后的物料从塔体中排出。[49]
填料塔的工作原理基于物质的传质过程。当物料进入填料塔后，通过填料层的作用，物料的表面积得到了极大的增加。这样一来，物料之间的接触面积也随之增加，从而促进了物质之间的传质。在填料塔中，物质可以通过物理吸附、化学反应、蒸发和冷凝等方式进行传质。通过调节填料塔的操作条件，如温度、压力和流速等，可以实现对物质的分离和纯化。[37][50]
| 1—除沫装置 | 2—液体分布器 | 3—填料压板 | 4—填料 | 5—塔壳 | 6—液体再分布装置 | 7—填料支承板 |
填料又可分为散装填料和规整填料，[35]是填料塔的核心部件，它能够增加气液接触面积，促进气液混合，提高传质效率。常见的填料有以下几种：
环形填料：环形填料是一种圆环形的填料，通常由陶瓷、金属或塑料制成。环形填料的优点是表面积大，气液接触充分，传质效率高，且不易堵塞。包括拉西环、鲍尔环、阶梯环等。[49]
球形填料：球形填料通常由金属或塑料制成，球形填料表面光滑，气液接触均匀，传质效率高，但是球形填料比较容易堵塞。包括多面球形填料、TRI球形填料等。[50]
鞍形填料：也被称为鞍形环填料或鞍形环状填料。由金属或塑料制成，具有特殊的鞍形结构，形状类似于马鞍。特点是表面积大、通透性好、气液接触充分、传质效率高。其鞍形结构能够增加填料的表面积，提高气液接触效果，并且具有良好的液体分布性能。[49]
网状填料：网状填料通常由金属或塑料制成，网状填料的优点是结构松散，通透性好，不易堵塞，但是气液接触面积相对较小，传质效率相对较低。[51]
波纹填料：波纹填料通常由塑料或金属制成，波纹填料的表面有许多波浪形状，能够增加气液接触面积，促进气液混合，传质效率高，但是波纹填料比较容易堵塞。包括丝网波纹等。[52]
板式塔和填料塔的比较选型
| 项目 | 填料塔 | 板式塔 |
|---|---|---|
| 压降 | 小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规整填料压降小 | 较大 |
| 空塔气速 | 小尺寸填料气速较小，而大尺寸填料及规整填料则气速可较大 | 较大 |
| 塔效率 | 传统填料效率较低，而新型乱堆及规整填料效率较高 | 较稳定、效率较高 |
| 液气比 | 对液体量有一定要求 | 适用范围较宽 |
| 持液量 | 较小 | 较大 |
| 安装与检修 | 较难 | 较容易 |
| 材料 | 金属及非金属均可 | 一般用金属材料 |
| 造价 | 新型填料投资较大 | 大直径时造价较低 |
塔盘组合
塔盘组合是精馏塔中的关键部分，它的安装和组合需要注意以下几点：
紧密堆叠：塔盘要紧密地一块叠着一块，以形成一个密封的整体。这可以通过确保塔盘的尺寸和形状的准确性来实现。180度转向：相邻两块塔盘的开口都要转向180度安装，这样可以使气孔交错布置，形成“之”字形或S形通道。这种布置使得锌液和锌蒸气沿着通道下流或上升，以实现更有效地接触。提高接触效率：通过“之”字形通道的设计，锌液在下流过程中有充分的机会受热蒸发，而上升气流中的高沸点金属蒸气有充分的机会冷凝。这样可以提高蒸气与液体的接触效率，进而提高反应的效率和选择性。控制气流速度：为了保证产品质量，组合时要使塔内气流速度不超过10m/s。这可以通过合理设计塔盘的孔径和通道尺寸来实现。
正确的塔盘组合可以提高精馏塔的效率和稳定性，确保产品质量的同时，还能够实现更有效的气液接触[55][5]
操作压力
精馏塔顶部的压力决定了塔顶的温度和液相组成。通常情况下，压力越低，温度也越低；压力越高，温度也越高，从而提高了分离效果。然而，过低的塔顶压力可能导致塔底压力过高，增加了塔底的能耗和操作难度。过高的塔底压力可能导致塔顶压力过低，减少了塔顶的分离效果。[56]
在实际操作中，可以通过调节塔顶和塔底的压力来改变精馏塔的分离效果和操作条件。但是，操作压力的调节需要综合考虑塔内的热平衡和物质平衡，以及设备的承受能力。[57][2]
回流比
回流比是指在精馏塔中，回流液与进料液之间的比例关系。对分离效果和操作条件有着重要的影响。[58][2]
回流比的选择主要受以下几个因素的影响：
分离效果：适当的回流比可以提高精馏塔的分离效果。较高的回流比可以增加塔板上液相的浓度，从而提高分离效果。但是过高的回流比可能导致过度的液相回流，降低了塔板上的汽液负荷，影响分离效果。[59]能耗：回流比的选择也与塔底压力有关。较高的回流比可以提高塔底压力，减少能耗。但是过高的回流比会增加回流液的流量，增加了塔底的能耗。[59]塔板效率：回流比对塔板效率有着重要的影响。适当的回流比可以提高塔板效率，增加分离效果。过高或过低的回流比都会降低塔板效率。[60]操作难度：回流比的选择还受到操作难度的影响。较高的回流比会增加回流液的流量，对设备的承受能力和操作条件提出了更高的要求。[61]
进料量
进料量的变化会直接影响塔釜热源、塔顶冷凝器及回流量，从而影响塔的操作稳定性。进料量过大或过小都会导致塔的操作不稳定，影响精馏效果。[58]
通常情况下，为了保证塔的操作稳定性，进料量应该保持恒定。只有在必要的情况下，如生产需求或设备故障等原因，才可以调整进料量。在调整进料量时，应该谨慎操作，逐步调整，避免对塔的操作稳定性产生影响。塔的最优操作负荷在70%~80%之间。负荷太低会导致塔的平衡不易建立，分离效果不好；负荷太高会对塔的操作稳定性产生影响，且对于突发状况不易操作。因此，在实际操作中，应该根据物料的性质和分离要求来确定最佳的操作负荷，以保证塔的操作稳定性和分离效果。[57][58][2]
进料组成
精馏塔的进料组成可以根据具体的应用和需要进行调整。一般来说，精馏塔的进料组成是指进入塔的混合物中各组分的含量。进料组成的确定需要考虑到分离的目标和要求，以及物料的性质和特点。进料组分中若轻组份增加，相当于增加了提馏段压力，造成塔釜轻组分含量增加，对于塔最直观的体现是塔压升高，并增加塔顶冷凝器的负荷；若进料组分中重组分增加，则相反。[62]
塔釜热源
塔釜热源的变化会对塔的操作稳定性和分离效果产生直接影响。塔釜热源的变化主要是通过调整塔底泵或热虹吸原理来实现的。[58]塔釜温度是塔进行塔分离的重要指标之一。如果塔釜温度低于控制指标，会导致塔釜轻组分挥发不完全，造成轻组分超标；如果塔釜温度高于控制指标，会导致重组分挥发过多，分离效果不理想。[63]塔釜热源的变化会直接影响塔内上升蒸汽的速率。如果塔釜热源增大，会增大塔内蒸汽上升速率；反之，如果塔釜热源减小，会减小塔内蒸汽上升速率。蒸汽速率的变化会影响塔的传质传热过程，进而影响分离效果。在调整塔釜热源时，需要平稳地进行上升或下降，并与回流的调整同时进行。如果调整不平稳或不及时，会破坏传质传热过程，严重情况下甚至会造成冲塔现象，影响塔的操作稳定性和分离效果。[58]
应用领域
石油炼制
在石油加工中，精馏是最常见的操作之一。原油是一种复杂的混合物，包含了多种不同沸点的碳氢化合物。通过将原油加热至高温，然后将其引入精馏塔，不同沸点的组分会在塔内冷却凝结，形成液体或气体。这样，可以将原油分解成不同沸点范围内的馏分，如汽油、柴油、煤油等。[64][65]
化学工程
精馏塔在化学工程中用于分离和提纯各种化学品和化工产品。例如，精馏塔可以用于分离溶剂、醇类、酸类、酮类、醚类等有机物。例如萃取精馏，利用萃取剂来增强分离效果。萃取剂通常是一种具有高沸点和选择性的溶剂，可以与混合物中的某些组分发生化学反应，使其沸点升高或降低，从而实现更好的分离效果。[66][67]
食品酒精
精馏塔在酿酒和酒精生产中起着关键作用。它用于将发酵液中的酒精分离和提纯，以获得高纯度的酒精产品。[68]
天然气处理
精细化工
环境保护
精馏技术可以用于废水处理中的蒸发浓缩过程。通过将废水加热并蒸发，可以将水分从废水中分离出来，从而实现废水的浓缩和减少体积。这有助于减少废水的排放量，降低对环境的污染。精馏技术也可以用于废气处理中的吸附脱附过程。通过将废气中的有害气体吸附到吸附剂上，并通过加热脱附，可以将有害气体从废气中分离出来，从而实现废气的净化和减少排放。[71]
节能减排
精馏塔的能耗一直是一个重要的问题。未来的发展趋势将致力于减少能耗，提高能源利用效率，以实现节能减排。例如，采用先进的热集成技术、新型的填料和塔板设计等，以降低能耗和提高分离效率。[72]
多功能化设计
传统的精馏塔主要用于分离和提纯单一的组分或化合物。未来的发展趋势将更加注重多功能化设计，使精馏塔能够同时处理多个组分或化合物，提高生产效率和资源利用率。[73]
绿色化和可持续发展
自动化和智能化
随着自动化和智能化技术的发展，精馏塔的运行和控制将更加自动化和智能化。通过采用先进的传感器、控制系统和数据分析技术，实现对精馏塔的实时监测、优化和控制，提高生产效率和产品质量。[75]
新材料和新技术
新材料和新技术的应用将进一步推动精馏塔的发展。例如，采用新型填料材料、膜分离技术、离子液体等，以提高分离效率和降低能耗[76]
标准规范
JB 4710-1992规定了钢制塔式容器（以下简称塔器）的设计、制造检验与验收的要求。以下列举其中的几条。[77]
当塔器各部位或受压元件所承受的液柱静压力达到 5%设计压力时，则应取设计压力和液柱静压力之和进行该部位或元件的设计计算。塔器上装有安全泄放装置时，应按GB150附录B的相应规定确定塔器的设计压力对最大工作压力小于0.1MPa的内压塔器设计压力取0.1MPa。真空塔器按承受外压设计,当装有安全控制装置(如真空泄放阀)时,设计压力取1.25倍的最大内外压力差，或0.1MPa两者中的较小值；当没有安全控制装置时取0.1MPa。[77]
在任何情况下，元件金属的表面温度不得超过钢材的允许使用温度。[77]在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度。对于 0℃以下的金属温度，则设计温度不得高于元件金属可能达到的最低金属温度。[77]设计时应考虑以下载荷：设计压力；液柱静压力；塔器自重(包括内件和填料等)以及正常操作条件下或试验状态下内装物料的重力载荷；附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；风载荷和地震载荷。必要时，尚应考虑以下载荷的影响：连接管道和其他部件引起的作用力；由于热膨胀量不同而引起的作用力；压力和温度变化的影响；塔器在运输或吊装时承受的作用力。[77]塔器制成后必须作压力试验，试验要求和项目应在图样上注明。压力试验一般采用液压试验,试验液体按GB150中的第 10.9.4.1条的要求对适合进行压试验的塔器,如塔体内不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的塔器，可以采用气压试验,作气压试验的塔器必须满足GB150第10.8.2.1条和第10.9.5条的要求。[77]受压元件用钢的选用原则标准热处理状态及许用应力等均GB150第2“料”附录A“材料的补充规定”附录C“低压力”和附录“高性能”的规定。[77]
山东正太海昆精馏科技有限公司
山东正太海昆精馏科技有限公司由烟台正太压力容器制造有限公司与山东海昆化工技术有限公司于2017年共同组建，总部位于烟台市福山区（设备加工基地），同时公司在山东淄博市高新区设有工程设计中心、工艺验证实验室、中试基地及分析检测中心。公司以天津大学为技术支撑，并依托国内知名精馏专家、国家精馏中心特聘专家、天津大学博士生导师白鹏教授及其领导的专业团队，同时结合海昆公司专业的工艺设计能力与正太压力容器先进的设备加工能力，在精馏分离领域上不断开发新工艺、新设备。[78]
无锡鹏茂化工装备有限公司
公司成立于2010年，地处无锡南郊，主要提供精馏塔、乙醇精馏塔、蒸馏塔、刮板蒸发器、多效蒸发器、离心式刮板薄膜蒸发器、短程蒸馏、干燥机、刮片机、反应釜、反应锅、发酵罐、提取罐、换热器、冷凝器、浓缩罐、提取罐、化工储罐、填料塔等产品。[79]
山东中盛药化设备有限公司
山东中盛药化设备有限公司位于山东省烟台市，是一家致力于气体/液体分离提纯(精馏、吸收、萃取、膜分离等)、余热余压余气节能再利用技术开发及应用的科技型企业，拥有国内为数不多的能独立完成工艺及配套工程自行设计、制造、安装、调试及技术咨询的专业性团队。在医药、环保、生物、化工、食品、材料、石油、煤化工、科研等领域为不同类型的企业及高校提供更加专业的技术支持、项目运行及工程安装等多样化服务。[80]
江苏湖大化工科技有限公司
参考资料 81
- 精馏塔 — 术语在线
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- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
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- 参考 14
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- 参考 70
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- 参考 72
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- 参考 74
- 参考 75
- 参考 76
- 全国标准信息公共服务平台 — 钢制塔式容器
- 山东正太海昆先进的设备 — 公司简介
- 无锡鹏茂化工装备有限公司 — 公司简介
- 山东中盛药化设备有限公司 — 公司简介
- 江苏湖大化工科技有限公司 — 公司简介
注释
- 精馏是利用混合物中各组分挥发度不同而将各组分加以分离的一种分离过程