【正文】 *0WWWxxWV? ? （ 317） (2) 操作線方程 （ⅰ）精餾段（同常規(guī)塔） 111n n DDnLDy x xVVxR xRR? ?????? （ 318） 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。 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。 （ 311） 操作線方程： Wmm xWqFL WxWqFL qFLy ????? ??? 39。 ???? （ 39） 或： WqFLV ???39。 13 由（ 31）和（ 32）式得： WDWF xx xxFD ??? （ 34） WDFD xx xxFW ??? （ 35） （ 2）操作線方程 （?。┚s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。 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(gè)產(chǎn)品，塔釜間接蒸汽加熱的精餾塔。在設(shè)計(jì)時(shí)，汽液流量又須用 m3/s 來表示。物料衡算主要解決以下問題： （ 1）根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)算出每小時(shí)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(jì)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)。 第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計(jì)算 精餾塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)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。 以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。 (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。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。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。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(cè)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。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。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(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。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。 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。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。與此同時(shí)，合理利用精餾過程本身的熱 能也是節(jié)約的重要舉措。 熱能的利用 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。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。 如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。 冷卻劑與出口溫度 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。 當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，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(duì)鍋爐提出了更高的要求。同時(shí)，飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價(jià)格較低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。對(duì)于酒精水溶液，一般采用 ~（表壓）。但對(duì)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(shí)，溶液的相對(duì)揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。這樣，可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。若塔底產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)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。 加熱方式 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。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(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。有時(shí)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(shí)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。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。例如， 采用減壓操作有利于分離相對(duì)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(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。 操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。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(cè)量控制儀表的設(shè)置等。 10 (6) 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。 （４）管路及附屬設(shè)備的計(jì)算與選型，如再沸器、冷凝器 。 （３）塔板設(shè)計(jì)：計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算。根據(jù)給定任務(wù)，對(duì)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。學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)，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。 (７ ) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的 60～ 80％ ,為篩板塔的 120～ 130％。 (６ ) 使用周期長(zhǎng)。 (４ ) 壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為 400～ 660N/m2。 (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大得多。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá) 10m，塔高可達(dá) 80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。這一改進(jìn)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(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。 (３ ) 小孔篩板容易堵塞。 篩板塔的缺點(diǎn)是： (１ ) 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 (３ ) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 篩板塔 篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的 塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： (１ ) 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的 60％，為浮閥塔的 80％左右。 板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔 (1813 年 )、篩板塔 (1832 年 )，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S 型板、浮閥塔板 、 多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計(jì)將在其他分冊(cè)中作詳細(xì)介紹，故本書將只介紹板式塔。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。 (６ ) 塔內(nèi)的滯留量要小。 (４ ) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易 。 (３ ) 流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： (１ ) 氣 (汽 )、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。這一環(huán)節(jié)在高等院校的教學(xué)中，屬于化工機(jī)械專業(yè)中的專業(yè)課程，在設(shè)計(jì)部門則屬于機(jī)械設(shè)計(jì)組的職責(zé)。 應(yīng)予以指出，以上設(shè)計(jì)全過程統(tǒng)稱為設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)。 主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算結(jié)果用一張總圖表示出來。例如，換熱器在傳熱中為主體設(shè)備，而在精餾或干燥操作中就變?yōu)檩o助設(shè)備。 表 02 單元設(shè)備分類代號(hào) 單元設(shè)備 代號(hào) 單元設(shè)備 代號(hào) 現(xiàn)場(chǎng)裝置 ,基礎(chǔ) ,混凝土構(gòu)件 轉(zhuǎn)化器 ,反應(yīng)器 ,再生器 槽、儲(chǔ)罐 泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī) 特殊裝置 儀表 A D F J L Q 爐子 換熱器 塔 管道 電氣 B C E M N 四、主體設(shè)備工藝條件圖 主體設(shè)備是指在每個(gè)單元操作中處于核心地位的關(guān)鍵設(shè)備，如傳熱中的換熱器，蒸發(fā)中的蒸發(fā)器，蒸餾和吸收中的塔設(shè)備 (板式塔和填料塔 )，干燥中的干燥器等。輔助物料如公用 系統(tǒng)介質(zhì)代號(hào)規(guī)定如表 01。 流程圖的繪制步驟如下： 1. 用細(xì)實(shí)線 ()畫出設(shè)備簡(jiǎn)單外形，設(shè)備一般按 1:100 或 1:50 的比例繪制，如某種設(shè)備過高 (如精餾塔 )，過大或過小， 則可適當(dāng)放大或縮小； 2. 常用設(shè)備外形可參照?qǐng)D 01 所示，對(duì)于無示例的設(shè)備可繪出其象征性的簡(jiǎn)單外形，表明設(shè)備的特征即可； 3. 用粗實(shí)線 ()畫出連接設(shè)備的主要物料管線，并注出流向箭頭； 6 4. 物料平衡數(shù)據(jù)可直接在物料管道上用細(xì)實(shí)線引出并列成表； 5. 輔助物料管道 (如冷卻水、加熱蒸汽等 )，用中粗實(shí)線 ()表示； 6. 設(shè)備的布置原則上按流程圖由左至右，圖上一律不標(biāo)示設(shè)備的支腳、支架和平臺(tái)等，一般情況下也不標(biāo)注尺寸。工藝流程圖繪制范圍如下： 必須反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備； 1. 應(yīng)全部反映出主要物料管路，并表達(dá)出進(jìn)出裝置界區(qū)的流向； 2. 冷卻水、冷凍鹽水、工藝用的壓縮空氣、蒸汽 (不包括副產(chǎn)品蒸汽 )及蒸汽冷凝液系統(tǒng)等的整套設(shè)備和管線不在圖內(nèi)表示，僅示意工藝設(shè)備使用點(diǎn)的進(jìn)出位置； 3. 標(biāo)出有助于用戶確認(rèn)及上級(jí)或有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審批用的一些工藝數(shù)據(jù) (例如 :溫度、壓力、物流的質(zhì)量流量或體積流量、密度、換熱量等 )； 4. 包括繪制圖例，圖畫上必要的說明和標(biāo)注，并按圖簽規(guī)定簽署； 5. 必須標(biāo)注工藝設(shè)備，工藝物流線上的主要控制點(diǎn)符及調(diào)節(jié)閥等。公開答辯是在個(gè)別答辯的基礎(chǔ)上，選出幾個(gè)有代表性的學(xué)生在全班公開答辯，實(shí)際上是以他們的中心發(fā)言來引導(dǎo)全班性的討論 ，目的是交流心得、探討問題和擴(kuò)大收獲。個(gè)別答辯的目的不僅是對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面考核，更主要的是促進(jìn)學(xué)生開動(dòng)腦筋 ,提高設(shè)計(jì)水平。 設(shè)計(jì)后期的答辯，及時(shí)了解學(xué)生設(shè)計(jì)能力的補(bǔ)充