【文章內(nèi)容簡介】 (２) 操作彈性大，一般約為 5～9，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 (４) 壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為 400～660 N/m2。 (５) 液面梯度小。 (６) 使用周期長。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。(７) 結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的 60～80％,為篩板塔的 120～130％。 4 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求原料：甲醇、水處理量：2500kg/h原料組成（甲醇的質(zhì)量分率）：27%原料液初溫：20℃塔頂壓力：(絕壓)回流比、單板壓降：自選塔頂甲醇含量不低于 95%（質(zhì)量分率）塔底釜液含甲醇含量不大于 %（質(zhì)量分率）塔頂采用全凝器，塔釜： 飽和蒸汽間接加熱（表壓）塔板形式：浮閥生產(chǎn)時(shí)間：300 天/年，每天三班 8 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備形式：浮閥塔廠址：大氣壓為 760mmHg，自來水年平均溫度為 20℃的濱州市。 5 第二章 設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為甲醇—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。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 2 倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 操作條件的確定確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)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等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，對某些問題作些闡述。 操作壓力精餾可以常壓，加壓或減壓條件下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)主要是根據(jù)處理物料的性質(zhì)，技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性來考慮的。對于沸點(diǎn)低，常壓下為氣態(tài)的物料必須在加壓條件下進(jìn)行操作。在相同條件下適當(dāng)提高操作壓力可以提高塔的處理能力，但是增加了塔壓，也提高了再沸器的溫度，并且相對揮發(fā)度液會下降。對于熱敏性和高沸點(diǎn)的物料常用減壓蒸餾。降低操作壓力，組分的相對揮發(fā)度增加，有利于分離。減壓操作降低了平衡溫 6 度，這樣可以使用較低位的加熱劑。但是降低壓力也導(dǎo)致了塔直徑的增加和塔頂冷凝溫度的降低，而且必須使用抽真空設(shè)備，增加了相應(yīng)的設(shè)備和操作費(fèi)用。本次任務(wù)是甲醇和水體系，甲醇水這一類的溶液不是熱敏性物料，且沸點(diǎn)又不高，所以不需采用減壓蒸餾。這類溶液在常壓下又是液態(tài)，塔頂蒸氣又可以用普通冷卻水冷凝，因而也不需采用加壓蒸餾。所以為了有效降低設(shè)備造價(jià)和操作費(fèi)用對這類溶液可采用常壓蒸餾。 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料熱狀態(tài)有五種。原則上，在供熱一定的情況下，熱量應(yīng)盡可能由塔底輸入，使產(chǎn)生的氣相回流在全塔發(fā)揮作用，即宜冷也進(jìn)料。但為使塔的操作穩(wěn)定，免受季節(jié)氣溫的影響，常采用泡點(diǎn)進(jìn)料。這樣，塔內(nèi)精餾段和提留段上升的氣體量變化較小，可采用相同的塔徑，便于設(shè)計(jì)和制造。但將原料預(yù)熱到泡點(diǎn)，就需要增設(shè)一個(gè)預(yù)熱器，使設(shè)備費(fèi)用增加。綜合考慮各方面因素，決定采用泡點(diǎn)進(jìn)料，即 q=1 加熱方式塔釜可采用間接蒸汽加熱或直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是，可利用壓強(qiáng)較低的加熱蒸汽，并省掉間接加熱設(shè)備，以節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。但直接蒸汽加熱，只適用于釜中殘液是水或與水不互溶而易于分離的物料，所以通常情況下，多采用間接蒸汽加熱。 冷卻劑與出口溫度 7 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(jì)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(shí)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。 回流比的確定： 對于一定的分離任務(wù)，采用較大的回流比時(shí)，操作線的位置遠(yuǎn)離平衡線向下向?qū)蔷€靠攏，在平衡線和操作線之間的直角階梯的跨度增大,每層塔板的分離效率提高了，所以增大回流比所需的理論塔板數(shù)減少，反之理論塔板數(shù)增加。但是隨著回流比的增加，塔釜加熱劑的消耗量和塔頂冷凝劑的消耗量液隨之增加，操作費(fèi)用增加，所以操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用總和最小時(shí)所對應(yīng)的回流比為最佳回流比。本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，綜合考慮各個(gè)因素，采用回流比為最小回流比的 倍。即：R= R min 回流的方式方法: 8 液體回流可借助位差采用重力回流或用泵強(qiáng)制回流。采用重力回流可節(jié)省一臺回流泵，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，但用泵強(qiáng)制回流，便于控制回流比?？紤]各方面綜合因素，采用重力回流。 精餾的工藝流程圖的確定甲醇—水溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。如下圖所示： 確定設(shè)計(jì)方案的原則 9 確定設(shè)計(jì)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)： 滿足工藝和操作的要求所設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，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(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)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。 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。 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(jì)中，對第 10 一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。第三章塔的工藝尺寸的計(jì)算 精餾塔的物料衡算 摩爾分率取塔頂甲醇含量 99%甲醇的摩爾質(zhì)量 32/AMkgmol?水的摩爾質(zhì)量 18/Bl原料液 27/3Fx＝ ＝ 0.＋ /塔頂9/??? 塔底產(chǎn)品 / 摩爾質(zhì)量原料液 ()?????? 11 塔頂 ()??????塔底產(chǎn)品 56561078LW???? 物料衡算進(jìn)料流量 ?全塔物料衡算 D?輕組分 FWX餾出液流量 ?釜液流量 074m 塔板數(shù)的確定 理論板層數(shù) N 的求取 物系相平衡數(shù)據(jù)a. 基本物性數(shù)據(jù)組分 分子式 分子量 沸點(diǎn) 熔點(diǎn)水 H2O 甲醇 CH3OH b. 常壓下甲醇和水的氣液平衡表(t—x—y)t x y t x y100 0 0 12 100 100 最小回流比及操作回流比計(jì)算選擇泡點(diǎn)進(jìn)料故 q=1.010 1y系 列 2 13 根據(jù)甲醇—水氣液平衡組成表和相對揮發(fā)度公式 ， x1y???1*?求得：算得相對揮發(fā)度 α=∴平衡線方程為：y= =(1+) α x1+(α 1)x因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料 所以 x e = Xf= 代入上式得 y e = ∴ R min = =()/()=XD yeye xe ∴ R= R min =*==2＇Ｄ ｑ＇ｑ ｑｘ － ｙ＝ ＝ ＋ １ ｙ － ｘ得到精餾段操作線方程 y= x + =+RR+1 XDR+1 圖解法求塔板數(shù) N=8 (包含再沸器)精餾段理論板數(shù)為 4 塊,其中第 5 塊板為加料板。提餾段理論板數(shù)為 4 塊, 實(shí)際板層數(shù)的求取取全塔效率 ，＝塊48N???塊1. 精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 操作壓力計(jì)算塔頂表壓為 0Kpa。 14 塔頂操作壓力 ?每層塔板壓降 6?塔釜壓力 ..???進(jìn)料操作壓力 1032586FP?精餾段平均壓力 KPa=. =p精 餾 （ ＋ ） /.7提餾段平均壓力 （ ＋ ） 操作溫度計(jì)算利用水甲醇 tx（y）相圖可求得 、 、 。FtDWt進(jìn)料口 ： =℃Ftt塔頂 ： =65℃D塔釜 ： =℃Wt精餾段平均溫度 t= ＋ ｔ２提餾段平均溫度 tｗ Ｄ提 ｔ ＋ ｔ＝ ＝ 915２ 15 01020304050607080901000 0.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951系 列 1系 列 2 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 精餾段的平均摩爾質(zhì)量精餾段平均溫度 =℃1t?==＋ 7094* =（ ＋ ） +（ 0*3＋ ０ .827*1） 提餾段平均摩爾質(zhì)量提餾段平均溫度 =℃2t?==＋5*32V提 （ ＋ )+(*398)＝ 16 平均密度計(jì)算求得在 與 下乙醇與水的密度。不同溫度下乙醇和水的密度見表 52。1t?2表 52 不同溫度下甲醇和水的密度溫度℃ 甲醇 水 表 52 精餾段平均溫度 =℃1t? =ρABLMLa＋塔頂 ＋ 3ρkg/mM＝ 同理 LF＝ 90所以 35..＋＝ ＝氣相密度 ：精V? 3p1*=.91kg/ 精精 ＝ ＝ 提餾段平均溫度 =℃2t?LBALMa???1 17 由公式得 ＝所以 ＋＝ ＝氣相密度 ：2V? 3p*185ρ=＝ ＝ 液體平均表面張力計(jì)算表 53 甲醇和水不同溫度下的表面張力∵б m=∑x iб i溫度℃ 甲醇 mN/m 水 mN/m 精餾段液體平均表面張力精餾段平均溫度 =℃1t?imx???σ=18**=*10D－ ３ － ３ － ３ ＋ － ３ － ３ － ３進(jìn) ＋所以 平均張力 .=－ ３ － ３精 （ ＋ ） * /２ 提餾段精餾段液體平均表面張力提餾段平均溫度 =℃2t?σ=**=58.*10w－ ３ － ３ － ３ ＋ .31N/m 18 所以 平均張力 =10=*10－ ３ － ３（ ＋ ） *提 N/m２ 液體粘度 μ L,m溫度℃ 甲醇mPas 水 Pas 1)精餾段查表得:℃時(shí),μ 水 =s , μ 甲醇 =s∴μ L,D=+=s℃時(shí),μ 水 =s , μ 甲醇 =0 Pas∴μ L,F=0 +()=s∴μ L,m 精 =(+)/2=s2）提餾段塔底: X w=℃時(shí),μ 水 =s , μ 甲醇 =s∴μ L,W=+() =s∴μ L,m 提 =(+)/2=s 19 3）塔的汽、液相負(fù)荷L=RD=242=84 kmol/hV=(R+1)D=(2+1) 42=126 kmol/hL’=L+F=84 kmol/h+210 kmol/h=294kmol/hV’=V=126kmol/hVS=VMVM/(3600ρ VM)=(126)/(3600)=LS=LMLM/(3600ρ LM)=(84)/(3600)=VS’=V’MVM’/(3600ρ