浅谈精馏塔的压差

浅谈精馏塔的压差

摘  要：

本文主要阐述精馏塔压差的形成原因、精馏塔操作中影响压差的一些因素和压差的高低对精馏塔操作的影响以及如何控制精馏塔的压差，使精馏塔保持稳定运行。

关键词：精馏塔、压差

前  言：

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，在化工生产应用中，精馏塔主要用于实现溶液组分高纯度的分离，以及产品的提纯，所以精馏塔的平稳操作不管是从产品质量控制上，还是生产装置的连续运行上以及经济效益上都有很重要的意义，而精馏塔压差的控制对精馏塔的平稳操作具有至关重要的作用和影响。

1、精馏塔压差的概述

精馏塔的压差是衡量塔内气体负荷大小的主要因素，也是判断精馏操作进料、出料是否均衡的重要标志之一。在进料、出料保持平衡，回流比不变的情况下，塔压差基本上是不变的。当正常的物料平衡遭到破坏，或塔内温度、压力改变时，都会造成塔内上升蒸汽流速的改变，塔板液封高度的改变，进而引起塔压差的变化。在化工生产的精馏操作中，精馏塔的长期稳定运行对一个工厂的效益至关重要。而在精馏塔的操作中，精馏塔压差的平稳操作对精馏塔的稳定运行有着非常重要的影响。

压差可以看成是一种塔的阻力，压差的大小可以看成是一个塔中产生的阻力有多少，即塔的压力降。所谓精馏塔的压差，就是平时所说的塔釜和塔顶的压力差。对板式塔来说，塔板压降主要是由三部分组成的，即干板压力降、液层压力降和克服液体表面张力的压力降。塔釜与塔顶的压力差是全塔每块塔板压力降的总和。所谓干板压力降，就把精馏塔内上升的气体（或蒸汽）通过没有液体存在的塔板时，所产生的压力降；当气体穿过每层塔板上的液体层时产生的压力降，叫做液层压力降；气体克服液体表面张力所产生的压力降，叫液体表面张力压力降。对于固定的塔来说，在正常操作中，塔压力降主要随上升气体的流速大小而变化，有经验表明，塔压力降与气体流速的平方成正比。

2、影响精馏塔压差的因素

影响精馏塔压差的因素是多方面的，总的来说分两方面，一个是塔自身的固有压差，另一个是生产操作时，气液分离时形成的压差。

2.1、对于塔自身的压差，主要从设计上来考虑，这方面的影响因素主要有塔的构造，塔盘的高低、大小、粗细、开空率等等。这些都是在塔进行设计时需要考虑进去的因素。所以这个压差在塔设计好后就已经决定了。

2.2、对于气液分离时形成的压差，从工艺操作上来讲，压差的变化主要是上升的蒸汽量或（和）下降的液相量的变化引起的，所以这两个量是影响塔压差的主要因素。而对这两个因素有影响的则有进料量、回流量塔底再沸器温度或进料温度等，这几项是最常见的，其它如原料组分变化，环境温度变化、回流温度变化、冷却水量、冷却水压力等的变化以及仪表故障、设备和管道的冻堵等，都可以引起塔压差的变化。

所以，塔压差的影响因素是多种多样的，分析压差变化的原因时应具体情况具体分析，找出了变化的原因后再施以相应的调整措施以将压差控制好。

2.3、压差的高低对精馏塔操作的影响

对于已设计好的精馏塔来说，在操作中，精馏塔压降主要是气相克服板上液层产生的压降。压降大，气液混合比较好，但容易造成液泛，加大了塔的能量消耗。压降小，气液混合不好，容易造成漏液，达不到分离效果。所以气速和塔板的液层厚度对压差的影响很关键，综合这两方面的因素，在化工操作中，压差的高低对精馏塔的操作主要有两个很常见的影响：即液泛和漏液。

2.3.1、对于液泛：主要原因是由于塔内上升蒸汽的速度过大，超过了最大允许气速所造成的下层塔板上的液体涌至上层塔板的现象。或者液体负荷太大，使溢流管内液面上升，以至上下塔板的液体连在一起，破坏了塔的正常操作的现象。以上两种现象都属于液泛，我们分别称之为夹带液泛和溢流液泛。

2.3.2、夹带液泛：过量液沫夹带到上层板气流夹带到上一层板的液沫，可使板上液层加厚，正常情况下，增加得并不明显。在一定液体流量之下，若气体流量增加到一定程度，液层的加厚便显著起来（板上液体量增多，气泡加多、加大）。气流通过加厚的液层所带出的液沫又进一步加多。这种过量液沫夹带使泡沫层顶与上一层板底的距离缩小，液沫夹带持续地有增无减，大液滴易直接喷射到上一层板，泡沫也可冒到上一层板，终至全塔被液体充满。

2.3.3、溢流液泛：即降液管内液体倒流回上层板。由于塔板对上升的气流有阻力，下层板上方的压力比上层板上方的压力大，降液管内泡沫液高度所相当的静压头能够克服这一压力差时，液体才能往下流。 当液体流量不变而气体流量加大，下层板与上层板间的压力差亦随着增加，降液管内的液面随之升高。若气体流量加大到使得降液管内的液体升高到堰顶，管内的液体便不仅不能往下流，反面开始倒流回上层板，板上便开始积液，加上操作时不断有液体从塔外送入，最后会使全塔充满液体，进而形成  液泛。

由此可见，当塔内发生液泛时，阻力、液面将发生很大的波动。同时破坏了塔内的精馏过程，产品纯度往往达不到要求，并且波动很大，无法维持正常生产。在操作中应尽力避免液泛的发生，并及时进行处理。

2.3.4、对于液体泄漏：塔板上的液体从上升气体通道倒流入下层塔板的现象叫泄漏。在精馏操作中，如上升气体所具有的能量不足以穿过塔板上的液层，甚至低于液层所具有的位能，这时就会托不住液体而产生泄漏。空塔速度越低，泄漏越严重。其结果是使一部分液体在塔板上没有和上升气体接触就流到下层塔板，不应留在液体中的低沸点组分没有蒸出去，致使塔板效率下降。因此，塔板的适宜操作的最低空塔速度是由液体泄漏量所限制的，正常操作中要求塔板的泄漏量不得大于塔板上液体量的10%。泄漏量的大小，亦是评价塔板性能的特性之一。筛板、浮阀塔板和舌形塔板在塔内上升气速度小的情况下都比较容易产生泄漏。

从以上论述可以看出，精馏塔的压差都有一定的控制范围，压差太大太小都会使精馏塔的操作变得异常困难。

3、如何控制精馏塔的压差

由于精馏塔的压差一方面是设计好后本身固有的压差即干板压力降，另一方面是操作时形成的压差即液层压力降和克服液体表面张力的压力降，所以对于精馏塔压差的控制也主要从这两方面着手。

3.1、对于干板压降主要从塔本身的设计上来着手，根据操作上的限制条件经过科学计算论证后再进行改造。比如生产负荷要求增加，可在工艺计算后，增大开孔或开孔率，解决大负荷高气速下压降过大的问题，或者更换压降小的塔板或按照工艺条件直接改填料塔。这些都要经过严格的计算后才能确定。

3.2而对于操作中压差的变化，在生产中，精馏塔的压差主要是气体向上流动通过所有塔板或填料层，以及穿过上面的液层，需要克服阻力而产生的能量损失而产生的。所以当进料负荷、回流、进料组成、冷却水用量等因素发生变化引起塔压变化时，塔压差也就会跟着变化，此时控制塔压的调节机构就会自动动作，使塔压差恢复正常。比如，当冷却水用量不足引起塔压升高时，若不加大冷却水的用量，而采用加大塔顶采出量来恢复正常塔压，就可能使重组分带到精馏段，造成塔顶产品质量不合格。又如，釜温过低引起塔压降低，若不提高釜温，而单靠减少塔顶采出来恢复正常塔压，将造成釜液中轻组分大量增加。当釜温突然升高，引起塔压上升时，重要的是恢复塔釜的正常温度，而不是靠增加冷却水量和加大塔顶采出量来降低塔压差，否则将容易液泛，破坏塔的正常操作。在操作中若负荷未变时压降增大，就要引起注意，压降过大会导致液泛，传质传热破坏，此时要调整回流量，调整的目的就是不使塔板液相量过大，同时要加大塔顶或侧线采出量，减轻塔内负荷，必要时先将处理量即进塔负荷降下来以将塔恢复到正常操作。

所以对精馏塔压差的控制，我们要看它受什么限制，因为操作涉及到产品的质量控制、生产负荷等诸多必需保证的要素，所以要有侧重性。若是简单控制就容易了，哪个因素造成压差高将那个因素控制好就行。像回流量大造成压力高，你可以减少回流量或降低回流温度都可以。但这样只注重某一方面的控制或多或少会影响产品质量与收率，所以要我们要在多个限制条件中找到一个平衡点，满足各个方面的要求，换句话说经验非常重要。

4、结论：

综上所述，对于精馏塔来说，压差是衡量精馏塔性能的一个重要参数。在保证产品质量需要的热负荷下，压差越小越好，分离效果也就越好，处理能力也就越高。所以在塔设备一定的情况下，我们要根据压差变化的具体原因进行相应的调整操作，使压差控制在允许的范围之内。精馏塔压差的控制对精馏塔的工作效率、产品质量以及长期稳定运行都起着重要的影响，所以我们在精馏操作中，要重视压差控制并且要控制好压差，使生产装置又好又稳定地运行。

关于精馏塔的压差
    一、首先必须知道精馏塔的压力降（即压差）如何形成的？精馏塔的压力降包括三个方面：干板压降，即板上无液层只有上升蒸汽时塔板压降，是本身性质决定的，操作中无法改变的；液层压力降，即上升气体穿过板上液层时产生的压力降，塔内液相负荷对其影响，操作中进料、回流是影响因素；克服液体表面张力形成的压力降，主要和板上物料组成有关。只要在日常操作中，针对以上三方面压力降的形成查找原因，就可以控制精馏塔的压差。
    二、蒸汽压力波动对精馏操作的影响
    精馏塔在低负荷或外界影响小的情况下，用回流比调节灵敏板温度基本能控制好产品的质量。但是在高负荷运行情况下，公用系统的蒸汽压力经常波动，而且变化幅度也较大，使塔釜再沸器热量传递很不均匀，造成精馏塔气-液不平衡，使灵敏板温度变化幅度加大，影响产品质量，
    1、当外界蒸汽压力突然升高，塔釜难挥发组分蒸发量增加，灵敏板温度上升，必须采取加大回流量来控制灵敏板温度，保证塔顶产品质量；但在实际操作中蒸发量过大，则会造成液沫夹带，结果造成气液两相之间传质效果降低，严重影响产品的质量；严重时还会产生液泛现象；另外蒸汽压力变化是没有规律的，通过回流量控制灵敏板温度有滞后现象，至使产品中难挥发物含量增加，或使易挥发物带入后系统，影响后序产品质量。
    2、当外界蒸汽压力突然下降，塔釜难挥发组分蒸发量减少，灵敏板温度下降，若不及时减少回流量，那么灵敏板温度会大幅度下降，易挥发组分很容易带入塔釜，造成后序产品质量下降；另一方面，为了保证灵敏板温度，回流量下降过快，使回流比降低，影响分离效果；同样，蒸发量太小，上升蒸气速度降低，塔内将产生漏液现象，严重影响分离效果。
    三、调节蒸汽流量，控制灵敏板温度
鉴于蒸汽压力波动所出现的操作问题，我们决定将蒸汽流量定值变成可调节值，根据蒸汽压力变化情况，手动将蒸汽进料量进行调节，确保塔釜蒸发量相对稳定，来保证灵敏板温度，通过精心操作，及时调整蒸汽进料量及回流量，确保精馏塔进出料平衡，控制好灵敏板温度，从而保证产品质量，避免了液泛现象；
通过调节、控制，虽然有一定效果但仍存在许多问题。
    1、在操作过程中表现出比较被动，操作频繁，增加了劳动强度。
    2、需要特殊操作技能高，但每个操作人员水平不同，调节幅度不一，难以避免出现灵敏板温度瞬间大幅度波动，使整个塔的温度、进出料量分布曲线变化频率及幅度较大，容易造成产品纯度质量问题。
    3、蒸汽流量与回流量同时进行调节灵敏板温度，很难分清主次，操作不档，很容易破坏精馏正常进行和汽-液平衡，导致整个操作恶化。
    4、给蒸汽进料量、回流量等工艺指标的制定、执行带来较大困难。
    四、蒸汽流量的自动控制，确保汽-液平衡
    在精馏塔的连续操作过程中应做到物料平衡、气-液平衡和热量平衡，这3个平衡互相影响，互相制约。蒸汽压力突然变化时，将直接影响塔釜难挥发组分的蒸发量，使当时塔内热量存在不平衡，导致气-液不平衡，为此如何将塔釜热量根据蒸汽进料量自动调节达到相对稳定，从而保证塔内热量平衡是问题的关键。在生产过程中，各精馏塔设备已确定，塔釜蒸发量与气体流速成正比关系，而流速与塔压差也成正比关系，所以控制好塔顶、塔釜压力就能保证一定的蒸发量，而在操作中，塔顶压力可通过塔顶压力调节系统进行稳定调节或大部分为常压塔，为此，稳定塔釜压力就特别重要。于是在蒸汽进料量不变情况下，我们对蒸汽压力变化情况与塔釜压力的变化进行对比，发现两者成正比关系，而且滞后时间极小，。于是将蒸汽进料量与塔釜压力进行串级操作，将塔釜压力信号传递给蒸汽流量调节阀，蒸汽流量调节阀根据塔釜压力进行自动调节，通过蒸汽进料量自动增大或减少，确保塔釜压力稳定，从而保证了精馏操作不受外界蒸汽波动的影响。

压差——一个有待认识的精馏塔被控变量

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