【正文】 第八節(jié) 板式塔 根據(jù)圓管內(nèi)流量公式，塔徑可表示為　　 　　　　　 （ 553） 式中　為塔徑 ,m；。 當(dāng)再沸器在塔外時，塔底空間高度是指最末一塊塔板到塔底封頭切線的距離。 表 51 不同塔徑的板間距參考值 塔頂空間高度是指塔頂?shù)谝粔K塔板到頂部封頭切線的距離。在決定板間距時還應(yīng)考慮安裝檢修的需要，例如在塔體的人孔手孔處應(yīng)留有足夠的工作空間。即　　　　　　　　　　　 （ 551） 式中 Z為塔的有效段高度，ｍ； N實 為實際塔板數(shù)； Ｈ Ｔ 為板間距， m。 全塔的高度為有效段（汽液接觸段）、塔頂及塔釜三部分高度之和。第八節(jié) 板式塔 三、浮閥塔設(shè)計 在浮閥塔的工藝設(shè)計中，一般原料量及其組成，餾出液及殘液組成，操作壓力及操作方式等均為生產(chǎn)工藝條件所規(guī)定。 V4型輕閥適用與減壓系統(tǒng)。因此，一般場合都采用重閥，只有在處理量大并且要求壓強降低的系統(tǒng)（如減壓塔）中，才用輕閥。 F1型浮閥又分輕閥和重閥兩種，重閥約重 33g，輕閥約重 25g。 圖 528這樣，避免了氣量較小時閥片啟閉不穩(wěn)的脈動現(xiàn)象，同時由于閥片與塔板板面是點接觸，可以防止閥片與塔板的粘結(jié)。 浮閥有三條 “ 腿 ” ，插入閥孔后將各腿腳板轉(zhuǎn) 90。這一改進使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價等方面比泡罩塔優(yōu)越。篩板塔示意圖第八節(jié) 板式塔 ： 該塔板是二十世紀五十年代開始使用的一種塔板，它綜合了上述兩種塔板的優(yōu)點，即取消了泡罩塔板上的升氣管和泡罩，改為在板上開孔，孔的上方安置可以上下浮動的閥片稱為浮閥。篩板塔最簡單。但其缺點是操作彈性小，必須維持較為恒定的操作條件。正常操作時，液體沿降液管流入塔板上并由于溢流堰而形成一定深度的液層，氣體經(jīng)篩孔分散成小股氣流，鼓泡通過液層，造成氣液兩相的密切接觸。 篩板塔的結(jié)構(gòu)較為簡單，其結(jié)構(gòu)如圖 527所示。第八節(jié) 板式塔 圖 526 泡罩塔板（ a） 泡罩塔板操作示意圖；（ b） 泡罩塔板平面圖；（ c） 圓形泡罩第八節(jié) 板式塔 篩板塔板也是較早出現(xiàn)的一種板型，由于當(dāng)時對其性能認識不足，使用受到限制，直至二十世紀五十年代初，隨著工業(yè)發(fā)展的需要，開始對篩板塔的性能設(shè)計等作了較為充分的研究。實踐證明泡罩塔板有許多缺點，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，氣體通道曲折，造成塔板壓降大，氣體分布不均勻效率較低等。 泡罩塔具有操作穩(wěn)定可靠，液體不易泄漏，操作彈性大等優(yōu)點，所以長時間被使用。操作時，液體通過降液管下流，并由于溢流堰保持一定的液層。塔板上開有許多圓孔，每孔焊上一個圓短管，稱為升氣管，管上在罩一個 “ 罩 ” 稱為泡罩。目前從國內(nèi)外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，前兩種使用尤為廣泛，因此本節(jié)只對泡罩塔、浮閥塔、篩板塔作一般介紹，并對浮閥塔的設(shè)計作較詳細的討論。塔板主要由以下幾部分組成：汽相通道、溢流堰、降液管。 (6)耐腐蝕且不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 (4)塔內(nèi)持液量少且塔板壓降小以縮短啟動時間和節(jié)省動力或能耗。是指每層塔板的分離程度大 (3)操作彈性大。即單位時間單位塔截面上的處理量大。顯然，塔板的功能應(yīng)使汽液兩相保持密切而又充分的接觸，為傳質(zhì)過程提供足夠大且不斷更新的相際接觸面積，減少傳質(zhì)阻力。汽相則在壓力差的推動下，自塔底穿過各層塔板上的開孔由下而上穿過塔板上的液層最后由塔頂排出。相鄰塔板間有一定距離，稱為板間距。驗算標準是以實際精餾全過程所得的餾出液平均組成 xD,m應(yīng)大于或等于 xD均 。 (3)據(jù) R,xD始 ,xF,xW,用圖解法或逐板法求所需理論板數(shù)，如圖 525所示。其計算方法基本同于連續(xù)精餾 , 不同的是要首先假設(shè)一個高于 xD均 的餾出液組成 ,并以此為基準進行計算，具體步驟如下： (1)假設(shè)高于 xD均 的餾出液組成為 xD始 ,釜液的初始組成為 xW,1=xF 。即對任一瞬間衡算有： d(V)=d(L+D),令 R=d(L)/d(D),稱為瞬間回流比，那么上式變?yōu)椋?d(V)=（ R+1)d(D),對該式積分并整理可得整個精餾過程中混合液的汽化量： （ 547） 設(shè)蒸餾釜的綜合汽化能力（指摩爾流量 , ）為 qV ,則完成上述汽化量所需的精餾時間為： (548) 第六節(jié) 間歇精餾 三、回流比恒定的間歇精餾 在間歇精餾過程中，若回流比不變，那么釜液組成 xW和餾出液組成 xD必然會不斷降低，此時只有提高精餾初期餾出液的組成，才能保證 餾出液的平均濃度符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求。在操作初期可采用較小的回流比，此時的操作線如圖 524c中虛線所示。一般方法是：先按餾出液組成 xD和終了釜殘液組成 xW確定最終 Rmin,進而確定最終實際回流比 R終 ,然后采用與連續(xù)精餾一樣的步驟用圖解或逐板法計算理論板數(shù) ,如圖 524所示。其計算內(nèi)容如下： 總物料衡算： F=D+W 易揮發(fā)組分衡算： FxF=DxD+WxW 聯(lián)立得： (546) 注意： F、 D及 W在這里僅代表摩爾數(shù)。此時，釜中料液組成由 xF逐漸降至 xW。為達到預(yù)定的要求 ,實際操作可以靈活多樣。即在精餾過程中，釜液組成將不斷降低。因此，獲得同樣的塔頂、塔底組成的產(chǎn)品 ,間歇精餾的能耗必大于連續(xù)精餾。所以間歇精餾也稱為分批精餾。從精餾裝置看，間歇精餾與連續(xù)精餾大致相同。因此生產(chǎn)上常用測量和控制靈敏板的溫度來保證產(chǎn)品的質(zhì)量?？梢妼Ω呒兌确蛛x時 ,一般不能用測量塔頂溫度來控制塔頂組成。通?？捎盟敎囟确从仇s出液的組成 ,用塔底的溫度反映釜殘液組成。生產(chǎn)中某一因素的干擾（如傳熱量、 q、 xF） 將影響產(chǎn)品的質(zhì)量 ,因此應(yīng)及時予以調(diào)節(jié)和控制。 對特定的精餾塔 ,若 xF減小 ,則將使 xD和 xW均減小 ,欲保持 xD不變 ,則應(yīng)增大回流比。一般精餾塔常設(shè)幾個進料位置，以適應(yīng)生產(chǎn)中的進料狀況的變化，保證在精餾塔的適宜位置進料。 但同時回流比的增加，使塔內(nèi)上升蒸汽量及下降液體量均增加，若塔內(nèi)汽液負荷超過允許值，則應(yīng)減少原料液流量。同時回流比增大 ,提餾段操作線斜率 L’ /V’ 變小 ,該段的傳質(zhì)推動力也會增加 ,因此在一定的提餾段理論板數(shù)下 ,釜殘液組成變小。例如當(dāng)回流比增大時 ,精餾段操作線斜率L/V變大，該段內(nèi)傳質(zhì)推動力增加。而 xD和 xW決定于汽液平衡關(guān)系、原料液組成、進料熱狀況 q、 回流比 R和理論板數(shù) NT， 因此餾出液量 D和釜殘液量 W只能根據(jù) xD和 xW確定，而不能任意增減，否則進出塔的兩個組分的量將不平衡，必然導(dǎo)致塔內(nèi)組成變化，操作波動，最終使操作不能達到預(yù)期的分離要求。第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 保持精餾裝置的物料平衡是精餾塔穩(wěn)定操作的必要條件。影響精餾穩(wěn)定狀態(tài)和高效操作的主要因素包括：操作壓力、進料組成和熱狀況、塔頂回流比、全塔的物料平衡和穩(wěn)定、冷凝器和再沸器的傳熱性能、設(shè)備散熱情況等。精餾裝置熱量衡算 第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 按圖 523所示 ,對塔低再沸器熱量衡算 ,可得其熱負荷 (凈吸熱 )為： 又因為 V/ =L/ W,并近視取 HW,L=Hm,L ,那么上式變?yōu)椋? （ 543） 加熱介質(zhì)的消耗量為： (544) 由于工業(yè)上多采用飽和蒸氣加熱 ,且冷凝液多在飽和溫度下排出 ,此時加熱介質(zhì)的消耗量可按下式計算： ： 即對全塔進行熱量衡算，有： （ 545） 式中 QG、 QF和 QL分別是加熱蒸汽、原料液和塔頂回流液帶入塔內(nèi)的熱量； QV、 QW和 Q/G分別是塔頂蒸汽、釜殘液和冷凝水帶出的熱量； Q/是全塔的熱損失。對連續(xù)精餾裝置進行熱量衡算 ,可求得冷凝器和再沸器的熱負荷以及冷卻和加熱介質(zhì)消耗量 ,為設(shè)計這些換熱設(shè)備提供基本數(shù)據(jù)。該關(guān)聯(lián)圖可擬合為下式： 朱汝瑾在考慮塔板上液封高度及汽、液量后對奧康奈爾公式做了進一步關(guān)聯(lián)，即：圖 522 精餾塔效率關(guān)聯(lián)曲線第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 八、連續(xù)精餾裝置的熱量衡算 精餾操作時塔低供熱產(chǎn)生的回流蒸汽和塔頂冷凝得到的回流液體為塔內(nèi)各板上進行的汽化和冷凝提供了所需的熱源和冷源。 第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 奧康奈爾 (O,connell)收集了幾十個工業(yè)塔的塔板效率數(shù)據(jù) ,經(jīng)綜合分析認為對于蒸餾塔 ,可用相對揮發(fā)度與進料液體黏度的乘積 作為參數(shù)來表示全塔效率 ,關(guān)聯(lián)曲線見圖 522。比較可靠的數(shù)據(jù)來自生產(chǎn)及中間試驗的測定。但問題在于影響塔板效率的因素很復(fù)雜，有系統(tǒng)的物性、塔板的結(jié)構(gòu)、操作條件、液沫夾帶、漏液、返混等等。即： （ 540） 全塔效率反映了全塔的平均傳質(zhì)效果，但它并不等于所有單板效率的某種簡單的平均值。 　　　 　圖 521 第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 以汽相和液相表示的單板效率分別為　　　　　 式中　 、 為進入和離開 n板時的實際汽相組成； 、 為進入和離開n板時的實際液相組成； 為與板上液體組成成平衡的汽相組成； 為與板上汽體組成成平衡的液相組成。它用汽相（或液相）經(jīng)過一實際塔板時組成變化與經(jīng)過一理論板時組成變化的比值來表示。塔板效率有多種表示方法，這里主要介紹常用的單板效率和全塔效率。 第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 七、塔板效率和實際塔板數(shù) 在實際塔板上，汽液相接觸的面積和時間均有限，分離也可能不完全，故離開同一塔板的汽液相，一般都未達到平衡， 因此實際塔板數(shù)總應(yīng)多于理論塔板數(shù) 。其相平衡曲線見圖。假設(shè)操作回流比為最小回流比的 。原料液中含甲醇 (摩爾分數(shù) ,下同 ),泡點加料。所以在生產(chǎn)中把調(diào)節(jié)回流比當(dāng)作保持產(chǎn)品純度的一種手段。若原料的組成、加料熱狀況均為定值，倘若加大回流比操作，這時操作線更接近對角線，所需理論板數(shù)減少，而塔內(nèi)理論板數(shù)比需要的多，因而產(chǎn)品純度會有所提高。近年來一般都推薦取最小回流比的 ～ 2倍，即： 對于難分離的物系， R應(yīng)取得更大些。實際的回流比一定要大于最小回流比 ,且適宜回流比需按實際情況 ,全面考慮到設(shè)備費用（塔板、塔高、塔徑、再沸器和冷凝器的傳熱面積等）和操作費用（熱量和冷量的消耗等） ,應(yīng)通過經(jīng)濟核算來確定 ,使操作費用和設(shè)備費用之和即總費用為最低，如下圖。 這種非正常情況工業(yè)上一般不常見。平衡線具有下凹或上凸部分。 ：依據(jù)平衡曲線的形狀不同，作圖方法有所不同。當(dāng)回流比減小到某一數(shù)值時 ,兩操作線的交點 d落在平衡曲線上 ,如圖 520(a) 所示為正常平衡線情況 ,此情況下在平衡線和操作線間繪梯級 ,需要無窮多的梯級才能達到 d點； 520(b) 所示為平衡線下凹情況 ,兩操作線交點在與平衡線相交前 ,精餾線首先與平衡線相切于 g點，要跨過切點 g,就需要無窮多的梯級； 520(c)所示為平衡線上凸情況 ,兩操作線交點在與平衡線相交前，提餾線首先與平衡線相切于 g點 ,要跨過切點 g,同樣需要無窮多的梯級；這是三種均不可能達到的極限情況 ,把此時對應(yīng)的回流比就稱為最小回流比 ,以 表示。 圖 519 全回流操作生產(chǎn)能力為零，因此對正常生產(chǎn)無實際意義。如圖 519所示。 全回流時回流比 ,是回流比最大值。 在全回流操作下，塔頂產(chǎn)品量 D為零，進料量 F和塔底產(chǎn)品量 W也均為零，即既不向塔內(nèi)進料，也不從塔內(nèi)取出產(chǎn)品。 回流比有兩個極限值 ,上限為全回流（即回流比為無窮大） ,下限為最小回流比 ,實際回流比為介于兩極限值之間的某一適宜值。但是增大回流比又導(dǎo)致操作費用增加，因而回流比的大小涉及經(jīng)濟問題。第五節(jié) 雙組分連續(xù)精餾計算和操作分析 六、回流比對操作的影響及選擇 精餾操作必須使塔頂部分冷凝液回流，而且回流比的大小，對精餾塔的操作與設(shè)計影響很大。在實際操作中，進料位置過高 ,會使塔頂餾出液中易揮發(fā)組分含量偏低；反之使釜殘