精馏塔

精馏塔（Rectifier   tower）它是用来完成精馏操作和分离液体混合物中不同组分的主要设备。它通过将混合物加热至沸点，然后在不同高度的塔板上进行蒸馏，实现组分的分离。蒸馏塔在化工过程中起着重要的作用，并应用于石油工业、化工、工业生产等领域。

精馏塔由几部分组成，包括进料装置、塔体、分离器、冷凝器和回流装置等。蒸馏塔的组成和设计根据不同的应用和材料特性而不同，但其基本原理是通过不同的沸点来分离混合物。

板式蒸馏塔自1813年问世以来得到了广泛的应用。直到20世纪70年代，板式塔的研究和应用处于领先地位。20世纪70年代以后，填料塔的研究取得了很大进展。20世纪80年代，专家学者通过对流体力学的研究，确定了液体介质在精馏塔内的运动规律和流动特性，并将其应用于塔的开发和结构优化。21世纪，精馏技术在化学工业中的应用起着决定性的作用。通过长期的研究和分析，人们逐渐对精馏技术有了更深入的了解，其中流体力学与液体的传质和过程中的强化有了更完善和科学的理论模型，并已成功应用于大型精馏装置。

蒸馏塔有多种结构形式，常见的有板式蒸馏塔和填料蒸馏塔。板式蒸馏塔由一系列水平板隔开液体混合物从塔顶进入塔内，在塔板上形成液体层，然后被蒸汽冲击并逐步分离。板式塔有多种类型，如泡罩塔板和筛板。板式塔结构简单，成本低、适应性强、放大容易，但效率低、压降高、持液量大填。填料蒸馏塔利用填料增加塔内表面积，促进液体和蒸汽的接触，从而实现分离。填料精馏塔有多种填料，如散堆填料、规整填料等。填料塔的效率高、压降小、持液量小，但某些填料价格昂贵且对初始分布敏感，需要在一定高度安装收集分布器装置，因此中高压操作的传质性能较差。

蒸馏塔是一种分离液体混合物的设备，其工作原理是基于液体沸点的差异。在精馏塔中，混合物被加热蒸发掉其中的液体成分，然后蒸汽被冷却冷凝，最终得到高纯度的液体。在这个过程中，液体组分的沸点决定了它们蒸发和冷凝的时间。沸点较低的组分将首先蒸发，而沸点较高的组分将保留在液体中。

组成

精馏塔由铅塔和镉塔组成。

铅塔：铅塔主要用于脱除低沸点杂质，主要分离物质为铅和锌。

镉塔：镉塔主要用于去除高沸点杂质，主要分离物质为镉和锌。

构造

精馏塔由塔本体、燃烧室、镉塔还包括一个大型冷凝器。借助于斜槽和进料管精馏塔和熔化炉、熔炼炉的纯锌槽与冷凝器相连，形成一个密封的精馏系统。下面引用工厂中粗锌的精炼过程来说明。

塔本体：塔体由多个托盘重叠安装而成。它通常分为两部分，即燃烧室中的蒸发段和燃烧室上方的回流段。

1.蒸发段

蒸发段是蒸馏塔的下部，主要用来加热蒸发原液，使之转化为气体。在蒸发部分，通常布置加热器和塔盘以将原液加热至沸点并蒸发。

2.回流段

回流段是蒸馏塔的上部，主要用于将蒸发的气体冷却冷凝成液体，以便回流到蒸发段重新蒸发。在回流段中，通常设置冷凝器和塔盘，以便蒸发的气体可以冷却并冷凝成液体，然后回流到蒸发段。

回流段通常不需要外部加热，但需要保持一定的温度，以保证回流液的流动性。因此，回流段通常设有保温空间以保持合适的温度。同时，回流段的设计还需要考虑流体的流动和分配，以确保回流液能够均匀地分配到蒸发段进行再蒸发。

塔盘

锌蒸馏塔通常由50~60块塔板组成，塔板一般由与碳化硅结合的粘土制成，碳化硅具有高导热性、高堆积密度和高强度、低气孔率等特性。目前工厂主要以大型托盘和通用托盘为主。大型塔盘是一种特殊设计的大尺寸塔盘，通常用于处理大量原料。这种塔板具有更高的处理能力和更好的分离效果，适用于处理要求高的过程。通用塔盘是一种常规设计的塔盘，体积小，适用于一般分离操作。这种托盘成本低结构简单，适用于一般工艺要求。托盘结构如下表所示。

蒸发盘：蒸发皿的W形设计使金属熔体储存在靠近锅壁的凹槽内，可以增加金属熔体与锅壁的接触面积，从而促进传热和金属蒸发。盘的中间向上凸起以形成薄金属层的设计具有两个功能：一是减少托盘中金属的存量，使金属蒸发更集中在托盘中部，提高蒸发速率；二是扩大金属的蒸发表面，提高蒸发效果。

回流盘：回流盘的U形设计有助于增加液态金属与蒸汽的接触面积，提高反应效率。当液态金属从气孔进入圆盘时，由于圆盘中导向肋的存在，液态金属被迫跟随圆盘的表面“”形路径流动。在液态金属流动的过程中，溢流口的存在可以保证锅内的液态金属保持在一定的液位范围内。当液态金属液位超过溢流口的高度时，多余的液态金属将通过溢流口排出，从而保持液位的稳定。除蒸发塔盘和回流塔盘外，塔盘内还有一个底盘、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。

燃烧室和换热室：燃烧室和热交换室的结构如下图所示。蒸发段装配在塔的周围，用耐火砖建造了一个矩形空间以形成燃烧室。燃烧室底部的左右侧壁设有多个烟气出口，出口面积从前到后逐渐减小这种设计可以防止燃烧点因抽吸力而后移，从而提高托盘上温度分布的均匀性。热交换室的主要功能是预热气体和空气，并去除废气。热交换室主要由双孔空心砖组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主管道和燃烧室。在热交换室内设置交错的挡板以使废气出现“”形状流动，延长热交换时间，提高燃气和空气的预热温度。热交换室的背面和左右两侧设有多层清洗口，便于清除堵塞部件。

冷凝器：冷凝器是用于冷凝和收集金属蒸汽的装置，由碳化硅制成（iC）耐火材料被制成方形容器。它的主要作用是通过墙体与外界进行热交换，将金属蒸汽凝结成液体，然后将其收集和储存起来。冷凝器底部设有锌液密闭储罐，用于收集冷凝的金属液。为了保持冷凝器的热效率，外围还有一个可移动的隔热窗，可以减少热量损失。

熔化炉：每个铅塔都配有熔炼炉，熔炼炉用耐火砖建造。熔化炉主要用于熔化粗锌锭和加热液态粗锌。熔炉有两种反射式直接加热和封闭式间接加热。

加料器：进料器由碳化硅制成，内部有锌密封可分为铅塔馈线和镉塔馈线，如下图所示。进料器的一端通过进料管与进料盘相连，另一端通过溜槽接收来自熔炉或铅塔冷凝器的锌液。其作用是防止空气进入塔内造成氧化锌堵塞和事故。

板式塔

板式塔由一系列平行放置的水平板组成，每个板都有一定数量的孔和泡沫堆积层。混合物通过塔顶的喷淋均匀分布在板上，然后通过孔进入下一个板。在塔中，混合物与板上上升的蒸汽或液体接触，发生蒸馏和分离。

板式蒸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。在塔中，混合物中的挥发性组分将随着蒸汽上升而蒸发，并通过板上的孔进入上板，而非挥发性组分将保持在液相中并逐渐向下流动。通过连续蒸馏和液相流动，不同的组分逐渐分离，最终收集在不同的板上。虽然效率低于填料塔、通量较小、高压降和大持液量。板式蒸馏塔结构简单、造价低、适应性强易放大的特点仍被广泛应用。板式塔按塔板结构特点可分为筛板塔、泡罩塔、浮阀塔和喷射塔等。

泡罩塔

泡罩塔由立式圆筒和内部气泡组成，分为圆形和槽形两种。塔内有许多层水平板。泡罩上有许多小孔，用来分散气体和液体，促进它们之间的接触和传质。泡罩塔盘的作用原理是气体从泡罩内的提升管进入，通过环形截面和泡罩与提升管之间的旋转通道从齿隙流出，在塔盘上形成气泡进行气液传质。在气泡层中，气体和液体之间发生物理或化学反应，例如吸收、反应、去除，从而达到气液分离和传质的目的。经过泡罩层处理后，气体从塔顶排出，液体从塔底排出。的泡罩种类、泡罩间距、入口和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。

泡罩塔最大的优点是易于操作泡罩塔的操作相对简单灵活，操作人员易于掌握。鼓泡塔的设计和结构可有效避免液体泄漏，操作稳定性高，可保持稳定的工艺条件。缺点是鼓泡塔的塔板结构相对复杂，对制造工艺和金属消耗要求较高，成本较高。鼓泡塔塔板压降大，会导致能耗增加。鼓泡塔内气体流动路径曲折，导致气体分布不均匀，影响传质效果和塔板效率。

为了克服传统泡罩塔板的缺点，人们后来发明了一些新的泡罩塔板，如条形泡罩塔板、单流式(Uniflux tray, haped tray)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。它们各有特点，能适应不同的生产需求。

筛板塔

筛板塔由垂直圆筒和内筛板组成，筛板上有许多小孔，以分散气液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，如球体、环形、骨架式、泡沫塑料等。

筛板塔的工作原理是气体从塔底进入，经过筛板层，与塔顶喷出的液体接触传质。在筛板层中，气体和液体之间发生物理或化学反应，如吸收、反应、去除，从而达到气液分离和传质的目的。筛板层处理后，气体从塔顶排出，液体从塔底排出。筛板塔结构简单、金属耗量小、成本低等优点，生产能力和塔板效率高于泡罩塔板。缺点是操作弹性范围窄，小孔筛板容易堵塞。

为了克服筛板塔的上述缺点，出现了大量的改进塔板。筛板塔的改进通常从改善塔板上的液体流动开始、气液接触状态、减少夹带和其他方面，例如多下导管塔盘(MD 托盘、DJ系列塔板)导向筛板、新型垂直筛板和复合筛板等。

浮阀塔

浮阀塔由一个立式圆筒和一个内部浮阀组成。浮阀塔的工作原理是气体从塔底进入，经过浮阀层，与塔顶喷出的液体接触传质。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使浮阀层上的液体停止，使气体通过浮阀层时与液体接触并传递质量。浮阀层处理后，气体从塔顶排出，液体从塔底排出。由于浮阀塔板的气体流通面积可随气体负荷的变化而自动调节，因此可在较宽的气体负荷下保持稳定操作，同时气体水平吹出，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，在工业上得到广泛应用。

浮阀塔结合了鼓泡塔和筛板塔的优点，在工业生产中得到广泛应用。但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，上方气液接触条件差，导致塔板传质效率下降；塔板上的液位梯度较大，气体在液体流动方向上分布不均匀；从阀孔出来的气体被吹向四周，这导致塔板上有很大程度的液体返混；在运行中，浮阀和阀孔容易磨损，浮阀容易脱落。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。

喷射塔

喷射塔的主要结构是塔体和喷嘴。塔通常由不锈钢制成、碳钢等材料，具有良好的耐腐蚀性。喷嘴是喷射塔的核心部件。与传统塔板相比，喷射塔板可使气液平行流动，增加气体负荷，强化两相接触喷射塔盘的特征在于良好的传质效率。

其工作原理是利用液体或气体的高速射流产生强烈的涡流和湍流来分离气体或液体、净化、浓缩等。喷嘴的喷射速度和角度对分离效果有很大影响。在喷射塔中，气体或液体从底部进入，经过喷嘴后，已分离的物质从塔顶排出，未分离的物质从底部排出。

作为最早的喷射塔，舌形塔板性能好成本低。后来除了浮动舌形塔板，又结合了浮动阀板和舌形板的优点，灵活多变、效率高、运行稳定，塔盘压力降低，处理能力强。

填料塔

填料塔通过填充材料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。填料塔的基本结构由塔体组成、填料层和物料进出口。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。填料床是填料塔的核心部分，它可以为物质之间的有效传质提供大量的表面积。填料的选择取决于具体的应用要求普通填料包括金属填料、塑料填料和陶瓷填料等。入口和出口用于将待处理的材料引入塔体并将处理过的材料从塔体排出。

精馏塔

填料塔的工作原理是基于物质的传质过程。当物料进入填料塔时，由于填料层的作用，物料的表面积大大增加。这样，物料之间的接触面积也增加了，从而促进了物料之间的传质。在填料塔中，物质可以通过物理吸附作用被吸附、化学反应、蒸发和冷凝用于传质。通过调节填充柱的操作条件，例如温度、压力和流量等，可以实现物质的分离和提纯。

填料可分为散装填料和规整填料，规整填料是填料塔的核心部件它可以增加气液接触面积，促进气液混合，提高传质效率。常见的填充物如下：

环形填料：环形填料是环形填料的一种，通常由陶瓷制成、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，不易堵塞。包括拉西环、鲍尔环、阶梯环等。

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，但容易堵塞。包括多面体球形填料、三球形填料等。

鞍形填料：也称为鞍环填料或鞍环填料。它由金属或塑料制成，具有特殊的马鞍形结构，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。其马鞍型结构可以增加填料的表面积，改善气液接触效果，具有良好的液体分布性能。

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疏松透气性好不易堵塞，但气液接触面积相对较小，传质效率相对较低。

波纹填料：波纹填料通常由塑料或金属制成，波纹填料表面有许多波浪形，可以增加气液接触面积，促进气液混合，传质效率高，但波纹填料容易堵塞。包括丝网波纹等。

塔盘组合

塔板组合是精馏塔的关键部件，其安装组合应注意以下几点：

紧密堆叠：托盘应紧密堆叠在一起，形成一个密封的整体。这可以通过确保托盘尺寸和形状的准确性来实现。

180度转向：相邻两个托盘的开口要成180度安装，这样可以交错形成气孔“之”字形或形通道。这种布置使得锌液和锌蒸气沿着通道向下或向上流动，以实现更有效的接触。

提高接触效率：通过“之”通过锯齿形通道的设计，锌液在向下的流动中有足够的机会被加热和蒸发，而在向上的流动中高沸点的金属蒸汽有足够的机会冷凝。这样可以提高蒸气和液体之间的接触效率，进而提高反应的效率和选择性。

控制气流速度：为保证产品质量，合并时塔内气流速度不超过10m/。这可以通过合理设计塔盘的孔径和通道尺寸来实现。

正确的塔板组合可以提高精馏塔的效率和稳定性，保证产品质量，同时实现更有效的气液接触

操作压力

蒸馏塔顶部的压力决定了塔顶的温度和液相组成。一般来说，压力越低，温度越低；压力越高，温度越高，从而提高分离效果。然而，过低的塔顶压力可能导致过高的塔底压力，从而增加塔底的能耗和操作难度。塔底压力过高可能导致塔顶压力过低，降低塔顶分离效果。

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。但操作压力的调整需要综合考虑塔内的热平衡和物料平衡以及设备的承载能力。

回流比

回流比是指蒸馏塔中回流液与进料液的比例关系。它对分离效果和操作条件有重要影响。

回流比的选择主要受以下因素的影响：

分离效果：适当的回流比可以提高精馏塔的分离效果。较高的回流比可以提高液相在塔板上的浓度，从而提高分离效果。然而，过高的回流比可能导致液体回流过多，降低塔板上的汽液负荷并影响分离效果。

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，降低能耗。但过高的回流比会增加回流液流量，增加塔底能耗。

塔板效率：回流比对塔板效率有重要影响。合适的回流比可以提高塔板效率和分离效果。回流比过高或过低都会降低塔盘效率。

操作难度：回流比的选择还受操作难度的影响。较高的回流比会增加回流液的流速，这对设备的承载能力和操作条件提出了更高的要求。

进料量

进料量的变化将直接影响塔底热源、塔顶冷凝器和回流，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运行不稳定，影响精馏效果。

一般来说，为了保证塔的操作稳定性，进料量应保持恒定。只有在必要时，如生产需求或设备故障时，才能调整进料速度。调节进料量时，应小心操作，逐步调节，以免影响塔的操作稳定性。该塔的最佳工作负荷为70%~80%之间。负荷过低会导致塔的平衡难以建立，分离效果不好；过高的负荷会影响塔的运行稳定性，在紧急情况下不易操作。因此，在实际操作中，应根据物料性质和分离要求确定最佳操作负荷，以确保塔的操作稳定性和分离效果。

进料组成

蒸馏塔的进料组成可以根据具体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内的混合物中各组分的含量。进料成分的确定需要考虑分离目标和要求，以及材料的性质和特性。如果进料组分中的轻组分增加，相当于提高了汽提段的压力，导致塔底轻组分含量增加对塔来说最直观的体现就是塔压增加，塔顶冷凝器负荷增加；如果饲料成分中的重组分增加，则情况相反。

塔釜热源

塔底热源的变化将直接影响塔的操作稳定性和分离效果。塔底热源的变化主要是通过调节底泵或热虹吸管的原理来实现的。塔底温度是塔分离的重要指标之一。如果塔底温度低于控制指标，会导致塔底轻组分挥发不完全，造成轻组分超标；如果塔底温度高于控制指标，会导致重组分挥发过多，分离效果不理想。

塔底热源的变化将直接影响塔内蒸汽的上升速度。如果塔底热源增加，塔内蒸汽的上升速率将增加；相反，如果塔底热源减少，塔内蒸汽的上升速率就会降低。蒸汽流速的变化会影响塔内的传质和传热过程，进而影响分离效果。调节塔底热源时，需要平稳上升或下降，同时配合调节回流。如果调节不顺利或不及时，会破坏传质和传热过程，严重时甚至会造成冲塔现象，影响塔的操作稳定性和分离效果。

精馏塔广泛应用于工业生产中，尤其是石油化工行业、化学工程、在食品和酒精行业，精馏技术也可以应用于环境保护。以下是一些常见的应用领域：

石油炼制

在石油加工中，蒸馏是最常见的操作之一。原油是一种复杂的混合物，其中含有许多沸点不同的碳氢化合物。通过将原油加热到高温，然后将其引入精馏塔，不同沸点的组分将在塔中冷却和冷凝，形成液体或气体。这样，原油可以分解成不同沸点的馏分，如汽油、柴油、煤油等。

化学工程

蒸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，精馏塔可用于分离溶剂、醇类、酸类、酮类、醚类等有机物。例如萃取蒸馏，使用萃取剂来增强分离效果。萃取剂通常是一种高沸点高选择性的溶剂，能与混合物中的某些组分发生反应，使其沸点升高或降低，从而达到较好的分离效果。

食品酒精

蒸馏塔在酿造和酒精生产中起着关键作用。它用于从发酵液中分离和纯化酒精，以获得高纯度的酒精产品。

天然气处理

蒸馏塔用于分离和纯化天然气中的不同组分，例如甲烷、乙烷、丙烷等。

精细化工

在精细化工领域，蒸馏塔用于分离和提纯各种有机化合物，如药物、香料、精油等。

环境保护

蒸馏技术可用于废水处理的蒸发和浓缩过程。通过加热和蒸发废水，可以从废水中分离出水，从而实现废水的浓缩和减容。这有助于减少废水的排放和环境污染。蒸馏技术还可用于废气处理的吸附和解吸过程。通过将废气中的有害气体吸附在吸附剂上，加热解吸，可以将有害气体从废气中分离出来，达到净化废气，减少排放的目的。