【文章內(nèi)容簡介】 但其設(shè)計的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。學(xué)生在設(shè)計時，可以根據(jù)具體條件進(jìn)行板塔的選型，而不限于選用上述兩種塔板。 精餾塔的設(shè)計步驟 本設(shè)計按以下幾個階段進(jìn)行： (１ ) 設(shè)計方案確定和說明。根據(jù)給定任務(wù)，對精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 （２）蒸餾塔的工藝計算，確定塔高和塔徑。 （３）塔板設(shè)計：計算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計算。接管尺 寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。 （４）管路及附屬設(shè)備的計算與選型，如再沸器、冷凝器。 (5) 抄寫說明書。 10 (6) 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。 第二節(jié) 設(shè)計方案的確定 操作條件的確定 確定設(shè)計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測量控制儀表的設(shè)置等。下面結(jié)合課程設(shè)計的需要，對某些問題作些闡述。 蒸餾操作通 常可在常壓、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如， 采用減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時還需要使用抽真空的設(shè)備。 對于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少 蒸餾的能量消耗。 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計和制造上提供了方便。 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時也可采用直接蒸汽加熱。若塔底產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時溶液的相對揮發(fā)度較大 (如酒精與水的混合液 )，便可采用直接蒸汽加熱 。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳熱面。這樣，可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。但對有些物系 (如酒精與水的二元混合液 )，當(dāng)殘液的濃度稀薄時，溶液的相對揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時采用直接蒸汽加熱是合適的。 值得提及的是，采用直接蒸汽加熱時，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴 出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對于酒精水溶液，一般采用 ~（表壓）。 飽和水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關(guān)系，其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。同時，飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價格較低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過 180℃ 時，應(yīng)考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。 當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的提高對鍋爐提出了更高的要求。同時對于釜液的沸騰，溫度差過 11 大，形成膜狀沸騰，反而對傳熱不利。 溫度 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過 50℃ ，否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。 精餾過程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。 選取適 宜的回流比，使過程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降至最低。與此同時，合理利用精餾過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。 若不計進(jìn)料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。 此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程 [1]，可以提高精餾塔的熱 力學(xué)效率。因?yàn)樵O(shè)置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。 確定設(shè)計方案的原則 確定設(shè)計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn) 、 經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)： (1) 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次 所定的設(shè)計方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動。再其次，要考慮必需裝置的儀表 (如溫度計、壓強(qiáng)計，流量計等 )及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。 (2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢熱， 就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。 降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務(wù)，因此在設(shè)計時，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費(fèi)用盡 12 可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一 些，以節(jié)省傳熱面積。 (3) 保證安全生產(chǎn) 例如酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌漫車間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。 以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計中，對第一個原則應(yīng)作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。 第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計算 精餾塔的工藝設(shè)計計算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設(shè)計計算，塔板的布置，塔板流體力學(xué)性能 的校核及繪出塔板的性能負(fù)荷圖。 物料衡算與操作線方程 通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成和進(jìn)料流量、組成之間的關(guān)系。物料衡算主要解決以下問題： （ 1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)所給定的處理原料量、原料濃度及分離要求（塔頂、塔底產(chǎn)品的濃度）計算出每小時塔頂、塔底的產(chǎn)量； （ 2）在加 料熱狀態(tài) q 和回流比 R 選定后，分別算出精餾段和提餾段的上升蒸汽量和下降液體量； （ 3） 寫出精餾段和提餾段的操作線方程，通過物料衡算可以確定精餾塔中各股物料的流量和組成情況，塔內(nèi)各段的上升蒸汽量和下降液體量，為計算理論板數(shù)以及塔徑 和塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。 通常，原料量和產(chǎn)量都以 kg/h 或噸 /年來表示，但在理想板計算時均須轉(zhuǎn)換為 kmol/h。在設(shè)計時，汽液流量又須用 m3/s來表示。因此要注意不同的場合應(yīng)使用不同的流量單位。 常規(guī)塔 常規(guī)塔指僅有一處進(jìn)料和塔頂、塔底各有一個產(chǎn)品，塔釜間接蒸汽加熱的精餾塔。 （ 1）全塔總物料衡算 總物料 F = D + W （ 31） 易揮發(fā)組分 Fχ F = Dχ D + Wχ W （ 32） 若以塔頂易揮發(fā)組分為主要產(chǎn)品，則回收率η為 100%DWDW ?? ??? （ 33） 式中 F、 D、 W—— 分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃毫髁浚?kmol/h； χ F、χ D、χ W—— 分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率。 13 由（ 31）和（ 32）式得： WDWF xx xxFD ??? （ 34） WDFD xx xxFW ??? （ 35） （ 2）操作線方程 （ⅰ）精餾段 上升蒸汽量： DRV )1( ?? （ 36） 下降液體量： RDL? （ 37） 操作線方程： Dnn xVDxVLy ???1 （ 38） 或： 1 111n n DRy x xRR? ???? （ 38a） 式中 R —— 回流比； χ n —— 精餾段內(nèi)第 n 層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率； У n+1—— 精餾段內(nèi)第 n+1 層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。 （ⅱ）提餾段 上升蒸汽量： FqDRV )1()1(39。 ???? （ 39） 或： WqFLV ???39。 (310) 下降液體量： qFRDL ??39。 （ 311） 操作線方程： Wmm xWqFL WxWqFL qFLy ????? ??? 39。39。 1 （ 312） 式中： χ ’m—— 提餾段內(nèi)第 m 層板下降液體中易揮發(fā)組分摩爾分率； У ’m+1—— 提餾段內(nèi)第 m+1 層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分摩爾分率。 (3) 進(jìn)料線方程（ q 線方程） 11 ???? qxxq qy F （ 313） 直接蒸汽加熱 （ 1）全塔總物料衡算 總物料 *0F V D W? ? ?