【文章內(nèi)容簡介】 9 表 21 化工生產(chǎn)裝置中各類工藝設(shè)備 ]13[ 所占投資的比例 裝置 名稱 工藝設(shè)備類別 攪拌設(shè)備 反應(yīng)設(shè)備 換熱設(shè)備 塔設(shè)備 合計(jì) 化工和石油化工 100% 煤油和煤化工 100% 人造纖維 100% 藥物和制藥 100% 油脂工業(yè) 100% 油漆和涂料 100% 橡膠 100% 作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽） 液兩相充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項(xiàng)傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項(xiàng)要求： ①生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。 ②操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣（汽）液負(fù)荷量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。 ③流體流動的阻力小。即流體通過塔設(shè) 備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以及降低經(jīng)常操作費(fèi)用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還使系統(tǒng)無法維持必要的真空度 ]14[ 。 塔板的類型與選擇 塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯流式塔板與逆流式塔板兩類。工業(yè)上應(yīng)用以錯流式塔板為主，常用的錯流式塔板主要有下列幾種。 ①泡罩塔板 泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要元件為生氣管及泡罩。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Φ 80mm, Φ 100mm, Φ 150mm 三種，可根據(jù)塔徑的大小選擇。通常塔徑小于1000mm,選用Φ 80mm 的泡罩；塔徑大于 2020mm,選用Φ 150mm 的泡罩。 10 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、浮閥塔板所取代。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 38mm） 和大孔徑篩板（孔徑為 1025mm） 兩類。工業(yè)應(yīng)用中以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板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；板上液面落差小，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)是篩孔宜堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料 【 15】 。 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 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閥孔，每個閥孔裝有一個可以上下浮動的閥片。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，自行調(diào)節(jié)。 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，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(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。 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、梯型浮閥、雙層浮閥、 VV浮閥、混 11 合浮閥等，其共同特點(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，其原因是 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)和對比 [16]。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測定數(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)會逐步完善，在有較完善的性能數(shù)據(jù)下，設(shè)計(jì)中可選用新型浮閥。 本設(shè)計(jì)應(yīng)采用篩板塔。提高傳質(zhì)速率是對傳質(zhì)設(shè)備性能的根本要求。為此，應(yīng)保證分散相的良好分散，兩相的適當(dāng)湍動和最大可能地接近逆流流動，以期獲得大的傳質(zhì)面積、增大傳質(zhì)系數(shù)、提高傳質(zhì)推動力。篩孔塔板的相對 生產(chǎn)能力為～ ，相對塔板效率為 ，操作彈性和壓力降低，結(jié)構(gòu)簡單，成本為 ～【 17】 。與其他類型的塔板相比，選擇篩板塔能獲得更大的效率。 工藝流程簡介 如圖 22為連續(xù)操作的板式精餾塔 (C101)流程示意圖。原料液自塔 (C101)中部的適當(dāng)位置加入塔內(nèi)，塔頂冷凝器 (E103)將上升的蒸汽冷凝成液體，其中一部分作為塔頂產(chǎn)品（冷凝液）采出，另一部分引入塔頂作為“回流液”，在塔板上建立液層。塔的底部裝有再沸器 (E102)，加熱液體產(chǎn)生蒸汽回到塔底，再沿塔上升。加料口將 精餾塔分成兩段，上段為精餾段，加料口以下為提餾段。在精餾段的各層塔板上，氣相與液相密切接觸，在溫度差和組成差的存在下﹙傳熱、傳質(zhì)推動力﹚，氣相進(jìn)行部分冷凝，使其中部分難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相；同時，氣相冷凝時釋放的潛熱使液體部分汽化，部分易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入氣相中。經(jīng)過每層塔板后，凈的結(jié)果是氣相中易揮發(fā)組分的含量增高，液相中難揮發(fā)組分增濃。只要精餾段有足夠的塔板層數(shù)，在塔頂即可獲得指定純度的易揮發(fā)組分產(chǎn)品。同理，只要提餾段有足夠的塔板層數(shù)，在塔底可得到高純度的難揮發(fā)組分產(chǎn)品 [18]。 塔內(nèi)的每層塔板為一個氣液接觸單元， 若離開某層塔板的氣相和液相在組成上達(dá)到平衡，則將這種塔板稱為理論塔板。 從以上分析可知，為達(dá)到混合液的高純度分離，除了精餾塔具有足夠?qū)訑?shù)塔板以外，還必須從塔頂引入“回流液”和從塔底產(chǎn)生上升蒸汽流，以建立氣液 兩相體系。因此，塔底液相回流和塔底上升蒸汽流是精餾過程連續(xù)進(jìn)行的必要 條件。精餾塔操作流程由精餾塔主體、塔頂冷凝器、塔底再沸器、回流泵及其他 輔助設(shè)備安裝組合而成。 12 E103E105E102V101P101E104V102P102P103V103A106C101LMCWDLWLCWRSC下水道E101 工藝流程圖 22 13 第 3 章 精餾塔設(shè)備的主要計(jì)算 設(shè)計(jì)任務(wù)和基本 的物性數(shù)據(jù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離甲醇－水混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分加回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。（一天 24 小時，一年可連續(xù)工作 300 天） 進(jìn)料組成 甲醇： 46% 水： 54% ﹙質(zhì)量分?jǐn)?shù)﹚ 分離純度 塔頂甲醇含量≥ 95% 塔釜甲醇含量≤ 3% ﹙質(zhì)量分?jǐn)?shù)﹚ 塔板類型 篩板塔 操作 壓力 常壓 塔底加熱蒸汽： 水文：水量充沛，一次水 tmax≤ 30 設(shè)計(jì)方案的確定及流程說明 3 萬噸甲醇的精餾。來自合成工段的粗甲醇首先與適量的軟水混合，甲醇和水混合液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作為回流，其余為塔頂產(chǎn)品，經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。 精餾塔的物料衡算 原料液及塔頂和塔底的摩爾分率 甲醇的摩爾質(zhì)量 AM =水的摩爾質(zhì)量 BM =3 2 ???Fx 9 1 ???Dx ???Wx 原料液及塔頂和塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 FM =?+() ?= 14 DM =? +() ? =WM =? +() ? =物料衡算 原料處理量 hk m o lF /6 9 8 0 0 7 ??? ?? 總物料衡算 =D+W 苯物料衡算 WD ??? 聯(lián)立解得 D= W= 塔板數(shù)的確定 ①理論板層數(shù) TN 的 相對揮發(fā)度的求取 由)1( )1( AA AA yx yx????，再根據(jù)表 1[19]數(shù)據(jù)可得到不同溫度下的揮發(fā)度，見表 32 表 31 溫度 /℃ 液相中甲醇 氣相中甲醇 溫度 /℃ 液相中甲醇 氣相中甲醇 摩爾分?jǐn)?shù) x 摩爾分?jǐn)?shù) y 摩爾分?jǐn)?shù) x 摩爾分?jǐn)?shù) y 100 15 表 32 溫度 /℃ 揮發(fā)度 溫度 /℃ 揮發(fā)度 78 66 所以 ???? ???? m 求最小回流比及操作回流比 泡點(diǎn)進(jìn)料 ： ?? Fq xx 68 32 )(1 32 )1(1 ???? ????? Fm Fmq xxy ?? 故最小回流比為 minR = Dqqqxyyx?? = ??? 取操作回流比為 R=2 minR =2?= 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 /h8 2 . 5 5 5 k m o l=6 3 . 2 1 2 1 . 3 0 6=RD=L ? l / h14 5. 7 67 kmo=63 . 21 2 2. 3 06=1) D+(R=V ? l/ h2 6 7 . 2 4 8 k m o=1 8 4 . 6 9 3+8 2 . 5 5 5=F+L= L39。 l/h1 4 5 . 7 6 7 k m o=V=V39。 求操作線方程 精餾段操作線方程為 1ny? = 1RR? nx + 1DxR? = nx + = + 31 提餾段操作線方程 16 0 1 3 1 6 4 5 4 8 2 17 6 4 5 2 4 6 739。39。39。139。 ???????? mmWmm xxxVWxVLy 32 采用逐板法求理論板層數(shù) 由1 ( 1)qq qxy x??? ?? 得