白皮书:精馏塔设计程序

成功的蒸馏放大项目有什么共同之处?项目经理必须理解并确定项目成功的五个关键设计元素。随着产量的增加，成本、化学相互作用和设备需要以非线性方式改变。合格的工程师应考虑以下关键步骤:

• 气液平衡
• 列操作目标
• 操作压力
• R/Dmin、Nmin和进料阶段估计
• 圆柱的直径和高度

介绍蒸馏塔设计:

蒸馏用于根据原料混合物的相对沸点分离组分。一个简单的连续的色谱柱可以将两种组分分离成两种产品流。在多分量系统中，要分离的两个主要分量被指定为轻键和重键。轻键是顶部产品流中挥发性更强、纯度更高的组分，重键是底部产品流中挥发性更低、纯度更高的组分。

气液平衡

所有色谱柱设计的出发点是准确确定要分离的关键组分的相对挥发度。使用质量和能量平衡模拟程序，如Aspen Hysys®，用户必须通过选择适当的流体包和饲料中存在的组件来建立模拟的基础。活动系数，由程序估计或由用户提供，用于关联非理想组件交互。

列操作目标

列设计的第一步是指定列的操作目标。这些指标由主要产品组成和从废物、回收或次要副产品流中对产品的最佳回收来定义。这些规格应该是根据顶部流中的重杂质和底部流中的轻杂质来确定的。

操作压力

一旦规定了顶流和底流成分，可在各种压力下测定顶流露点和底流沸点。由于塔顶蒸汽必须冷凝，底部液体必须再沸，因此应选择允许可用公用设施之间存在可接受温差的工作压力。

用于冷凝的冷却塔水通常在90华氏度(夏季最恶劣的温度)供应，并在120华氏度回流，以避免冷凝器结垢。可用城市水、河水或冷冻水来提供较低的冷却剂温度。蒸汽、热油或电加热器都是用于再沸的典型设备。蒸汽供应压力决定了可用的加热温度，范围为30 psig蒸汽在250°f和更高的压力蒸汽高达500°f。热油或电加热器通常用于提供400度以上的温度范围。

如果可能，最好采用常压或压力操作，以避免需要真空系统。然而，另一个考虑因素是组件的热敏性，这可能需要较低的压力操作，以避免污垢、产品变色或分解。通常，相对波动性在较低的压力下也会得到改善。

R/Dmin、Nmin和进料阶段估算

利用模拟程序，基于全回流操作的快捷程序允许确定最小回流比(R/Dmin)和最小理想分离段数(Nmin)。使用实际回流比为最小回流比的1.2倍，将允许估计最佳级数和适当的进料级。

严格模拟给定进料速率和成分的蒸馏，现在可以通过指定以下条件来完成:顶部和底部产品成分、级数、进料级和顶部和底部压力。(通过柱的压降最初估计为每级0.1 psi。)

应使用此模拟的参数情况来验证估计的级数和进给位置。从塔的汽提和精馏段中添加和减去级。这样做，直到所需的回流比约为最小回流比的1.2倍，或者公用事业使用量和阶段数之间的权衡对于特定的色谱柱来说是最佳的。当使用更多的总级时，所需的再沸器负荷将减少，直到返回量减少，如图1a所示。随着进料阶段的变化，将有图1b所示的最低再沸器负荷要求。

蒸馏再沸器负荷图

圆柱的直径和高度

此时，蒸馏过程已经确定，塔的直径和高度还有待确定。从模拟程序中选择的设计案例提供了塔的每个阶段的内部液体和蒸汽流动及其物理性质。选择柱径以提供可接受的表面蒸汽速度，或“Fs因子”。这定义为蒸汽速度(ft/sec)乘以蒸汽密度的平方根(lb/ft3)，液体负载定义为体积流速(gal/min)除以柱的横截面积(ft2)。塔内构件可以选择作为塔板或填料。盘形柱必须避免水浸、渗水和降液管堵塞。填料塔必须避免浸水，尽量减少表面湿润和分布不均。表1提供了各种托盘的典型参数值范围。

表1:蒸馏的托盘值范围

托盘间距通常为一个柱直径（或最大2.0英尺）。因此，一个需要10个理想级、效率为50%的大直径塔需要20个实际塔板，间距为2英尺。

包装选择包括各种类型的随意倾倒包装或结构包装。表2提供了各种类型的倾倒包装的典型参数值范围。

表2:精馏塔工作台填料

HETP是“等效于理论板的高度”，或为分离提供理想阶段的填料高度。一个大直径的塔需要10个理想的级段，需要30英尺1英寸的鞍座填料，加上液体分布的空间。当需要更理想的阶段时，填料应被分成不超过10个理想阶段的部分，中间再分配蒸汽和液体。

小直径色谱柱必须使用更小的填料尺寸，由此产生的HETP明显更小，通常小于色谱柱直径。规整填料也提供更小的HETP值和更小的压降。

塔的实际高度应包括一个集水池容积，根据底部托盘的内部液体流动情况，在50%水平下提供大约2-3分钟的滞留时间。此外，应在每个蒸汽或液体分布点和顶部塔盘上方提供两个塔径(或最大2英尺)的蒸汽空间。

工具书类

• 化学和工艺设备：选择和设计，第二版，James Cooper等人，2005年。
• 蒸馏设计，亨利·基斯特等人，1992。
• Hysys®操作指南，2005

作者:特里·托利弗博士，体育

托利弗博士在过程控制、模拟、操作、故障排除和优化方面拥有40多年的经验。他拥有密苏里理工大学化学工程学士、硕士和博士学位。他自1974年以来一直担任PE，是Solutia/Monsanto的退休高级研究员。托利弗博士发表了几篇关于蒸馏塔设计和控制的论文。他被公认为该领域杰出的专业人士。