【正文】 生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn) 中以連續(xù)蒸餾為主。間歇蒸餾具有操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于小規(guī)模、多品種或多組分物系的初步分離。 蒸餾通過物料在塔內(nèi)的多次部分氣化與多次部分冷凝實(shí)現(xiàn)分離，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時(shí)應(yīng)考慮余熱的利用。譬如，用原料作為塔頂產(chǎn)品（或釜液產(chǎn)品）冷卻器的冷卻介質(zhì)，既可將原料預(yù)熱，又可節(jié)約冷卻介質(zhì)。 另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波動(dòng)的影響。 塔頂冷凝裝置可 采用全冷凝器、分凝器兩種不同的設(shè)置。工業(yè)上采用全冷凝器為主，以便于準(zhǔn)確地控制回流比。塔頂分凝器對(duì)上升蒸氣有一定的增濃作用，若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則宜用分凝器。 總之，確定流程時(shí)要較全面、合理地兼顧設(shè)備、操作費(fèi)用、操作控制及安全諸因素。 操作壓力的選擇 蒸餾過程按操作壓力不同，分為常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般地，除熱敏性物系外，凡通過常壓蒸餾能夠?qū)崿F(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將鎦出物冷凝下來的物系，都應(yīng)采用常壓蒸餾；對(duì)熱敏性物系或者混合物泡點(diǎn)過高的物系，則宜采用減壓蒸 餾；對(duì)常壓下鎦出物冷凝溫度過低的物系，需提高塔壓鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 9 或者采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)的物系必須采用加壓蒸餾。例如苯乙烯常壓沸點(diǎn)為 ℃，而將其加熱到 102℃以上就會(huì)發(fā)生聚合，故苯乙烯應(yīng)采用減壓蒸餾；脫丙烷塔操作壓力提高到 1765kPa 時(shí)，冷凝溫度約為50℃，便可用江河水或者循環(huán)水進(jìn)行冷卻，則運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用減少；石油氣常壓呈氣態(tài)，必須采用加壓蒸餾。 進(jìn)料狀況的選擇 蒸餾操作有五種進(jìn)料熱狀況，進(jìn)料熱狀況不同，影響塔內(nèi)各層塔板的氣、液相負(fù)荷。工業(yè)上多采用接近泡點(diǎn)的液體進(jìn)料和飽和液 體（泡點(diǎn)）進(jìn)料，通常用釜?dú)堃侯A(yù)熱原料。若工藝要求減少塔釜的加熱量，以避免釜溫過高，料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦，則應(yīng)采用氣態(tài)進(jìn)料。 加熱方式的選擇 蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱，例如釜?dú)堃褐械闹饕M分是水，且在低濃度下輕組分的相對(duì)揮發(fā)度較大時(shí)（如乙醇與水混合液）宜用直接蒸汽加熱，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用壓力較低的加熱蒸汽以節(jié)省操作費(fèi)用，并省掉間接加熱設(shè)備。但由于直接蒸汽的加入，對(duì)釜內(nèi)溶液氣一定稀釋作用，在進(jìn)料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)較低，故需要 在提留段增加塔板以達(dá)到生產(chǎn)要求。 回流比的選擇 回流比是精餾操作的重要工藝條件，其選擇的原則是使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)用之和最低。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選定回流比，也可參考同類生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)值選定。必要時(shí)可選用若干個(gè) R 值，利用吉列蘭圖（簡捷法）求出對(duì)應(yīng)理論板數(shù) N，作出 NR 曲線，從中找出適宜操作回流比 R，也可作出 R對(duì)精餾操作費(fèi)用的關(guān)系線，從中確定適宜回流比 R。 塔板的類型與選擇 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 10 塔板的類型 塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯(cuò)流式塔板和逆流式塔板兩類，工業(yè)以錯(cuò)流式塔板為主，常用的錯(cuò)流式塔板主要有 以下幾種。 1. 泡罩塔板 泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要元件為升氣管及泡罩。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，國內(nèi)應(yīng)用較多的是圓形泡罩。泡罩尺寸分為 80mm、 100mm、 150mm 三種，可根據(jù)塔徑的大小選擇。通常塔徑小于1000mm，選用 80mm 的泡罩；塔徑大于 2021mm，選用 150mm 的泡罩。泡罩塔板的主要優(yōu)點(diǎn)是操作彈性較大，液氣比范圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。近年來，泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥 塔版所取代。在設(shè)計(jì)中除特殊需要（如分離粘度大、易結(jié)焦等物系）外一般不宜選用。 2. 篩孔塔板 篩孔塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板（孔徑為 3~8mm）和大孔徑篩板（孔徑為 10~25mm）兩類。工業(yè)應(yīng)用中心以小孔徑篩板為主，大孔徑多用于某些特殊場合（如分離粘度大、易結(jié)焦的物系）。 篩板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；板上頁面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。 應(yīng)予指出，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但 若設(shè)計(jì)和操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降，故過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎。近年來，由于設(shè)計(jì)和控制水平的不斷提高，可使篩板的操作非常精確，彌補(bǔ)了上述不足，故應(yīng)用日趨廣泛。在確保精確設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)控制手段的前提下，設(shè)計(jì)中可大膽選用。 3. 浮閥塔板 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 11 浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩種塔板的優(yōu)點(diǎn)。 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干個(gè)閥孔，每個(gè)閥孔裝有一個(gè)可以上下浮動(dòng)的閥片。氣流從浮閥周邊水平地進(jìn)入塔板上液層，浮閥可根據(jù)氣流流量的大小而上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)。浮閥的類型很 多，國內(nèi)常用的有 F1 型、 V4 型及 T 型等，其中以 F1 型浮閥應(yīng)用最為普遍。 浮閥塔板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價(jià)低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時(shí)間較長，故塔板效率較高。其缺點(diǎn)是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時(shí)，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。 塔板的選擇 應(yīng)予指出，以上介紹的僅是幾種較為典型的浮閥形式。由于浮閥具有生產(chǎn)能力大，操作彈性大及塔板效率高 等優(yōu)點(diǎn)，且加工方便，故有關(guān)浮閥塔板的研究開發(fā)遠(yuǎn)較其他型式的塔板廣泛，是目前新型塔板研究開發(fā)的主要方向。近年來研究開發(fā)出的新型浮閥有船型浮閥、管型浮閥、梯形浮閥、雙層浮閥、 VV浮閥、混合浮閥等，其共同的特點(diǎn)是加強(qiáng)了流體的導(dǎo)向作用和氣體的分散作用，使氣液兩相的流動(dòng)更趨于合理，操作彈性和塔板效率得到進(jìn)一步的提高。但應(yīng)指出，在工業(yè)應(yīng)用中，目前還多采用 F1 型浮閥已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完善，便于設(shè)計(jì)和對(duì)比。而采用新型浮閥，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不夠完善，給設(shè)計(jì)帶來一定的困難，但隨著新型浮閥性能數(shù)據(jù)的不斷發(fā)表及工業(yè)應(yīng)用的增加， 其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)逐步完善，在有較完善的數(shù)據(jù)下，設(shè)計(jì)中可選用新型浮閥。 第四章 浮閥塔精餾工藝設(shè)計(jì) 工藝計(jì)算 全塔物料衡算 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)如下。 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 12 乙醇的摩爾質(zhì)量 MA=46kg/kmol,水的摩爾質(zhì)量 MB=18kg/kmol,則 / 461 / 46 / 18 4 / 461 4 / 46 6 / 18 3 / 461 3 / 46 7 / 18AAFAAABAADAAAAAAWAAAAaMxaaMMaMxaaMMaMxaaMM? ? ?? ??? ? ?? ??? ? ?? ?? ? ? ? ?33 0 0 0 1 0 9 . 9 0 3 1 /3 0 0 2 4 0 . 8 5 9 8 4 6 0 . 1 4 0 2 1 8D k m o l h???? ? ? ? ? 總物料 F D W?? （ 31） 易揮發(fā)組分 F D WFx Dx Wx?? （ 32） 聯(lián)立式 3 32 解得 4 3 . 0 7 7 7 /9 . 9 0 3 1 /3 3 . 1 7 4 6 /F k m o l hD k m o l hW k m o l h??? 式中 F—— 原料液流量， kmol/h； D—— 塔頂產(chǎn)品（鎦出液）流量， kmol/h； W—— 塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海┝髁浚?kmol/h； Fx —— 原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)； Dx —— 鎦出液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)； Wx —— 釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。 Rmin的確定 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 13 乙醇 水體系為非理想體系，其平衡曲線有下凹部分，當(dāng)操作線與 q 線（進(jìn)料方程）的交點(diǎn)尚未落在平衡線上之前，操作線已與平衡線相切，如圖 1 中點(diǎn) g 所示。為此恒濃區(qū)出現(xiàn)在點(diǎn) g 附近。此時(shí) Rmin 可由點(diǎn) ? ?,DDxy 向平衡線作切線的斜率求得。 表 1 常壓下乙醇 — 水溶液的平衡數(shù)據(jù) 液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) x 氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) y 液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) x 氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) y 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 14 圖 1 由圖 1 可見，該切線與 y 軸交于點(diǎn)（ 0,），則其斜率為 m inm in0 .8 5 9 8 0 .21 0 .8 5 9 8 0RR ???? 解之得 Rmin= 。所以， R== 。 塔板數(shù)的確定 一 .精餾塔的氣、液相負(fù)荷 由于物料采用泡點(diǎn)進(jìn)料， q=1,則有 k m o l / h9 . 9 0 3 15 . 2 7 8 4RDL 2 7 2 ???? 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 15 l/h9 5 . 3 5 0 2 k m o4 3 . 0 7 7 75 2 . 2 7 2 5FLL′ ????? q l/h6 2 . 1 7 5 6 k m o9 . 9 0 3 16 . 2 7 8 41)D(RV ????? 二 .回收率 乙醇的回收率為： ％100％％FxDxFD乙醇 ??????? ? 水的回收率為： ％100％)( )(％)xF(1 )xW(1 FW水 ???? ???????? 三 . 操作線方程 根據(jù)回流比求精餾段操作線方程為 xx1R Ry D ?????????? 提餾段操作線方程為 2xWL′ WxWL′ L′y W ??????四 .圖解法求理論板層數(shù) 采用直角階梯法求理論板層數(shù)，如圖（ 2）所示。在塔底或恒沸點(diǎn)附近作圖時(shí)將圖局部放大。 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 16 圖 2 圖解法求理論塔板數(shù) 求解結(jié)果為 ： 總理論板層數(shù) NT=16（不包括再沸器） 進(jìn)料板位置 NF=15 精餾段的理論板層數(shù) N 精 =14 提餾段的理論板層數(shù) N 提 =2（包括進(jìn)料板） 五 .實(shí)際板層數(shù)的初步求取 設(shè) ET=44﹪ , 則 精餾段實(shí)際板層數(shù) 32≈31 .8 20. 4414NT精 ?? 提餾段實(shí)際板層數(shù) 5≈T提 ?? 總實(shí)際板層數(shù) 37????? 532NNN 提精p 六 .塔板總效率估算 （ 1）操作壓力計(jì)算 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 17 塔頂操作壓力 1 0 5 . 4 k P a41 0 1 . 4ppp 表當(dāng)?shù)谼 ????? 每層塔板壓降 ? 塔底 操作壓力 1 3 1 . 3 ( k P a ) 0 5 . 4Np Δ ppp DW ??????? (2)操作溫度計(jì)算 表 2 常壓下乙醇 — 水系統(tǒng)的 tx(y)數(shù)據(jù) 沸點(diǎn) /℃ 乙醇摩爾分?jǐn)?shù) 沸點(diǎn) /℃ 乙醇摩爾分?jǐn)?shù) 液相 x 氣相 y 液相 x 氣相 y 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)