【文章內(nèi)容簡介】 ..................................................................................................................... 44 化工系畢業(yè)設計 1 蒸餾技術 背景、基本概念和分類 蒸餾技術背景 蒸餾技術已經(jīng)被廣泛應用了 200 多年，早期使用蒸發(fā)和冷凝裝于酒精提純， 1813年由法國的 CellierBlumental 建立了第一個連續(xù)蒸餾豎踏，填料的使用早在 1820 年就開始了，一位名叫 Clement 的技術師將其最早應用在酒精廠中， Perrier 于 1822 年在英格蘭引進了早期的泡罩塔板， Coffer 于 1830 年發(fā)明了篩板塔。第一本介紹蒸餾技術的書由 Ernest Sorel在 1893 年完成。 蒸餾作為一單元操作已經(jīng)使用了很長時間，且目前工廠的首選分離方 法。其使用的條件為： (1) 組分之間揮發(fā)度差別較大；（ 2） 進料中不存在高沸點組分；（ 3） 化合物熱力學性質(zhì)穩(wěn)定；（ 4） 混合物腐蝕性較小。 蒸餾是關鍵共性技術。在我國，蒸餾是目前應用最廣占總能消耗最大的化工分離過程。由于我國蒸餾技術能耗高，大型節(jié)能技術正面臨挑戰(zhàn)。近年來，隨著相關學科的滲透、蒸餾學科本身的發(fā)展及經(jīng)濟全球化的沖擊，我國蒸餾技術正向新一代轉(zhuǎn)變，以迎接所面臨的挑戰(zhàn)。其特征為：（ 1） 蒸餾學科正由傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗、半經(jīng)驗過渡到憑半理論以致理論；（ 2）蒸餾過程正由傳統(tǒng)的單一分離過程過渡到耦合和復雜的優(yōu) 化分離過程，以提高分離效率和節(jié)能；（ 3） 由對環(huán)境造成嚴重污染向注重環(huán)保的一代轉(zhuǎn)變；（ 4）由走加工的道路向技術集成創(chuàng)新性轉(zhuǎn)變；（ 5） 通過我國自己的技術進步解決裝置大型化、長周期運行，通過創(chuàng)新解決蒸餾技術問題，以降低成本、提高國際競爭力。 蒸餾技術基本概念 蒸餾過程主要是利用混合物中各組揮發(fā)程度的不同而進行分離。易揮發(fā)組分在氣相中的相對含量比液相中的高，難揮發(fā)組分在液相中的相對含量比氣相中高，故借助于多次的部分氣化部分冷凝，達到輕重組分分離的目的。 蒸餾作為一種分離方法適用面廣，既可以用于液體混合 物分離、氣體混合物分離，也可用于固體混合物的分離，蒸餾可以直接獲得所要產(chǎn)品。因此一般蒸餾過程比較簡單，不像吸收、萃取、吸附等分離方法，需要外加介質(zhì)（如溶劑），并需要進一步將所提取物質(zhì)與介質(zhì)分離。 蒸餾的特點：直接獲取幾乎純態(tài)的產(chǎn)品，而吸收、萃取等操作的產(chǎn)品為混合物：應用范圍廣，可分離液體混合物、氣體混合物、固體混合物：能耗高，氣化、冷凝需要消耗大量的能量，加壓、減壓將消耗額外的能量。 化工系畢業(yè)設計 2 蒸餾技術分類 按蒸餾方式分為：（ 1）平衡蒸餾或簡單蒸餾 平衡蒸餾即為一般閃蒸過程，混合液體加熱后，使部分液體氣化 ，達到初步分離的目的，這種過程稱為單級平衡過程，多用于待分離混合物中各組分揮發(fā)較大而對分離要求不高的場合，是最簡單的蒸餾 。（ 2）精餾 又稱分批蒸餾，用于待分離混合物中各組分揮發(fā)度相差不大且對分離要求較高的場所，應用最廣泛；（ 3）特殊蒸餾 適合于待分離混合物中各組分得揮發(fā)度相差很小甚至形成共沸物，普通蒸餾無法達到分離要求的場合，主要有萃取精餾、恒沸精餾、鹽熔精餾、反應精餾及水蒸氣精餾。 按操作流程分為：（ 1）間歇蒸餾 又稱批量蒸餾，用于批量生產(chǎn)某種產(chǎn)品，在一個操作流程過程中，他的操作參數(shù)不斷改變，以達到取得 所需餾分的目的，屬于非穩(wěn)態(tài)操作，主要適用于小規(guī)模及某些有特殊要求的場合；（ 2）連續(xù)蒸餾 屬于穩(wěn)態(tài)操作，是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的蒸餾方式，在塔中某一板上連續(xù)進料，在塔頂（或塔釜）得到合格產(chǎn)品，適用于大規(guī)模生產(chǎn)的場合。 按操作壓力分為：（ 1）加壓蒸餾 適用于常壓下為氣態(tài)（如空氣）或常壓下沸點接近室溫的混合物；（ 2）常壓蒸餾 適用于常壓下沸點在 150C 左右的混合物；（ 3）減壓蒸餾（真空蒸餾） 適用于常壓下沸點較高或熱敏性物質(zhì)，可降低降低其沸點。 按待分離混合物的組分數(shù)分為：（ 1）兩組分精餾 被分離物系包含 兩種組元，該種物質(zhì)分離計算簡單，常以此精餾原理為計算基礎，然后引申到多組分精餾計算中；（ 2）多組分精餾 被分離物系包含多組分混合物，是在工業(yè)上最為常見的精餾操作。 塔設備的作用和類型 塔設備的作用 塔設備是化學工業(yè)、石油工業(yè)、石油化工等生產(chǎn)中最重要的設備之一。它可使氣（汽）液或液液之間進行充分接觸，達到相間傳熱與傳質(zhì)的目的。在塔設備中進行的單元操作有：精餾、吸收、解吸、氣體的增濕及冷卻等。 塔設備的類型 塔設備的分類方法很多，例如，按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操 作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等；按形成相間接觸面的方式分為具有固定相界面的塔和流動過程中形成相界面的塔；最常用的分類是按塔的內(nèi)部結構分為板式塔、填料式塔兩大類。 在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定量的塔盤，氣體自塔底向上以鼓泡噴射的形式穿過塔盤化工系畢業(yè)設計 3 上的液層，使兩相密切接觸，進行傳質(zhì)，兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。 在填料塔中，塔內(nèi)裝填一定高度的填料，液體自塔頂沿填料表面向下流動，作為連續(xù)相的氣體自塔底向上流動，與液體進行逆流傳質(zhì)，兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。 蒸餾技術節(jié)能 蒸餾既包含使混合物汽化和冷 凝的傳熱過程，又包含混合物分離的傳質(zhì)過程。在此過程中，熱的有效能轉(zhuǎn)化為化學有效能，過程的不可逆性越大，有效能損失越大。蒸餾過程的能耗巨大，據(jù)估計，化工過程中 40%70%的能耗用于分離，而蒸餾能耗又占其中的95%。所以，蒸餾過程節(jié)能始終是研究的熱點，一般講，在考慮節(jié)能時，考慮范圍越廣、越全面，總的節(jié)能效果越好。因此宏觀講，節(jié)能應包括結構節(jié)能、管理節(jié)能和技術節(jié)能三個方面。此處主要講技術節(jié)能，目前國內(nèi)蒸餾技術節(jié)能的途徑主要如下。 （ 1）采用新技術，改進工藝過程 改進工藝過程是蒸餾裝置節(jié)能的重要手段，包括改進工 藝生產(chǎn)流程，采用節(jié)能新工藝、新技術等內(nèi)容。 （ 2）采用新型、高效、低耗設備降低能耗 包括對塔內(nèi)進行改造，改善分餾效率，如應用新型塔板、新型流線型填料或其復合形式提高分離效率，降低能耗；使用新型換熱器提高熱回收率。如優(yōu)化設計的折流桿換熱器、不易結垢得流化床換熱器以及焊接式等緊湊型高效節(jié)能換熱器等；應用新型節(jié)能燃燒器、磁化器等提高加熱爐效率。 （ 3）流程節(jié)能 多組分分離順序的選擇是分離過程中常遇到的問題。目前廣泛采用的是具有一種進料和兩個產(chǎn)品的分離塔。當用到這類塔系分離多組分混合物時，就涉及先分離哪一組后分 離哪一組的問題，因而還要對分離塔的排列順序做出抉擇。此外，在簡單分離塔的基礎上采用多段進料、側線采出側線汽提和熱耦合等方式所構成的復雜塔及其塔系也在多種化工工藝中采用。它在操作和控制上比較復雜，但在節(jié)能和熱能綜合利用上有明顯的優(yōu)勢。 （ 4）系統(tǒng)節(jié)能（ “夾點技術 ”） 系統(tǒng)節(jié)能是相對于局部節(jié)能而言的，是指從整個系統(tǒng)全局考慮能量的裝換、回收、利用等。系統(tǒng)節(jié)能的理論和方法是在過程系統(tǒng)和熱力學分析兩大理論的發(fā)展及其相互綜合與滲透的基礎上產(chǎn)生的，其研究始于 20 世紀 70 年代中期， 80 年代在理論上逐漸成熟，方法上逐漸完善 ，并在工業(yè)實踐中取得了巨大的經(jīng)濟效益。 現(xiàn)在蒸餾技術面臨的機遇和挑戰(zhàn) 隨著經(jīng)濟全球化和工業(yè)的迅猛發(fā)展，各相關學科的相互滲透以及蒸餾學科本身的發(fā)展，蒸餾技術向新一代轉(zhuǎn)變。蒸餾裝置大型化、過程強化和節(jié)能技術，以及開發(fā)新蒸餾過程等成為研究熱點。 世界各國對于新一代蒸餾過程具有新思想與創(chuàng)見。如精餾過程的分子模擬，精餾過程的分岔現(xiàn)象等均屬于新發(fā)展的前沿問題。各國仍十分重視蒸餾技術在工業(yè)上的應用化工系畢業(yè)設計 4 方面，尤其是關注于各種新發(fā)展的精餾節(jié)能技術、新型塔板、新型填料（特別是新型規(guī)整填料）、新操作方法等。 與國外相比，我國 在精餾理論若干方面有先進之處，在改造工業(yè)生產(chǎn)的精餾塔方面亦有獨到之處并取得了顯著成效，但是仍然存在不少問題。至今關于氣液兩相界面相變傳質(zhì)和傳熱及氣泡群傳質(zhì)動力學規(guī)律仍處于宏觀和熱力平衡水平上的研究，；理論預測傳遞過程尚處于半經(jīng)驗階段，從而導致工程設計安全系數(shù)過大，造成材料和能源的很大浪費。 在實際生產(chǎn)中，蒸餾大型化帶來的流體力學問題（均勻分布、放大效應等）；微型化所需的過程強化技術；塔內(nèi)構件（填料、塔板、分布器、大型支撐結構等）的開發(fā)及大型化應用時熱變形等問題，雖然在蒸餾技術不斷發(fā)展和應用中已經(jīng)得到部分解決 ，但這些實際問題仍然給蒸餾技術的應用帶來麻煩和挑戰(zhàn)，是需要繼續(xù)研究和設法解決的。 綜上，根據(jù)蒸餾學科的特點和研究現(xiàn)狀，深入蒸餾研究過程必須突破傳統(tǒng)研究方法，從研究方面、方式上開辟新思路，探索新理論，吸收其他學科的最新研究理論，對分離設備進行強化，開發(fā)新型、節(jié)能、高效的復合蒸餾過程和設備，是今后研究需要解決的關鍵問題。 本設計中的方案選擇 由于本設計任務中混合物的分離要求較高，故采取精餾操作。一般情況下，板式塔較填料塔有以下優(yōu)點：效率高、處理量大、質(zhì)量小、氣液處理量較大等，又篩板塔操作時液體橫過塔板，可 以使氣液組分充分接觸，提高分離效率，故本設計中選取篩板式精餾塔。工業(yè)中常用的精餾操作流程圖如下圖所示： 化工系畢業(yè)設計 5 圖 11 工業(yè)上常用的精餾裝置 1—原料液儲槽； 2—加料泵； 3—原料預熱器； 4—精餾塔； 5—冷凝器； 6—冷凝液儲槽；7—冷卻器； 8—觀測罩； 9—餾出液儲槽； 10—殘液儲槽； 11—再沸器 化工系畢業(yè)設計 6 設計題目：苯 ― 乙苯精餾 塔的工藝和機械設計 設計一座苯 ― 乙苯連續(xù)精餾塔，要求生產(chǎn)能力為 5000kg/h，塔頂餾出液中含苯不低于 98%，原料液中苯含量為 45%（本設計中百分數(shù)均為摩爾分數(shù)）。 設計任務及操作條件 設計任務： 生產(chǎn)能力（苯） 5000kg/h 塔頂餾出液含苯 %98? 塔底釜殘液含苯 %5? 進料組成 45% 操作條件 操作壓力 常壓 （表壓） 進料 熱狀態(tài) 飽和液體進料 塔板類型 篩板 設計地點 烏魯木齊 設計內(nèi)容 精餾塔的物料衡算； 塔板數(shù)的確定； 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算； 精餾塔的塔體工藝尺寸計算； 塔板主要工藝尺寸的計算； 塔板的流體力學驗算； 塔板負荷性能圖； 精餾塔接管尺寸計算； 精餾塔各組件結構的設計及材料的選擇 塔機械強度校核； 1精餾塔裝配圖； 化工系畢業(yè)設計 7 設計基礎數(shù)據(jù) 表 2— 1 苯和乙苯在不同溫度 下的物性數(shù)據(jù) 飽和蒸汽壓 ? ?aKP 粘度 ? ?smPa? 表面張力 ? ?mmN 苯 乙苯 苯 乙苯 苯 乙苯 83 100 21 85 108 88 120 90 125 25 20 95 155 32 100 170 105 200 46 20 110 218 115 245 19 120 135 380 100 17 由表中各溫度下飽和蒸汽壓可計算出氣液組 分摩爾分數(shù)之間的關表所示 : 則可繪出 txy 關系圖及氣液相平衡圖 yx分別如下： 表 2— 2 不同溫度下氣液組分摩爾分數(shù)之間的關系 t 83 85 88 90 95 100 105 110 115 120 x 0 y 0 項 目 溫 度 化工系畢業(yè)設計 8 圖 2— 1 雙組分溶液的溫 度 — 組成圖 3．各部分結構尺寸的確定和設計計算 . 物料衡算 苯的摩爾質(zhì)量： MA=78kg/kmol 乙苯的摩爾質(zhì)量： MB=106kg/kmol 原料處理量： hK m olF 5000 ????? 塔頂流出量： hKmo lFxx xD WD WF ???????? 塔釜殘液量： 5 3 . 7 1 2 3 . 1 0 3 0 . 6 1W F D K m o l h? ? ? ? ? 精餾段內(nèi)每塊塔板上升的氣體量： hK m o l4 9 . 4 )()1( ?????? DRV 塔徑的確定 塔頂物料平均千摩爾質(zhì)量： Km o lKg7 8 . 5 61060 . 0 ????? BBAAD nxnxM 塔頂氣相平均密度： 3g Kg2 .6 88 4 .5 )( 2 738 .3 14 7 8 .5 61 0 1. 3 3 mRTPM D ??? ?