【正文】 塔的應(yīng)用始于 19 世紀(jì)中葉，起初在空塔中填充碎石、磚塊和焦炭等塊狀物，以增強(qiáng)氣液兩相間的傳質(zhì)。此后，多種新填料相繼出現(xiàn)，填料塔的性能不斷得到改善，近 30 年來,填料塔的研究及其應(yīng)用取得巨大進(jìn)展,不僅開發(fā)了數(shù)十種新型高效填料，還較好地解決了設(shè)備放大問題?，F(xiàn)在，填充塔已與板式塔并駕齊驅(qū)，成為廣泛應(yīng)用的傳質(zhì)設(shè)備。近二十年, 規(guī)整填料塔對板式塔、散裝填料以及其它多種塔設(shè)備產(chǎn)生了巨大的沖擊, 在國內(nèi)外引起眾多研究者的極大興趣, 在近幾年的文獻(xiàn)中, 國外有大量的規(guī)整填料研究報(bào)道。特別是在氣液接觸中, 已越來越多地被采用, 如已有設(shè)備通過利用規(guī)整填料來更換塔內(nèi)構(gòu)件, 從而達(dá)到提高塔負(fù)荷的目的。即使同樣的種類亦有不同的規(guī)格, 它們的比表面、空隙率及幾何尺寸存在差異, 這樣在選擇填料時(shí), 應(yīng)根據(jù)體系物性, 操作負(fù)荷, 壓降要求, 同時(shí)兼顧材料性能等, 進(jìn)行綜合考慮, 保證既經(jīng)濟(jì)又能正常生產(chǎn)。所以塔設(shè)備的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的重要課題 。氣相在填料中的液相膜表面進(jìn)行對流傳熱、傳質(zhì)，不存在塔板上清液層及篩孔的阻力。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可以在 30%～110%，篩板塔的調(diào)節(jié)范圍在 70%～100%；（4）液體滯留量少，啟動(dòng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快； （5）可節(jié)約能源。此外，應(yīng)用規(guī)整填料后，由于當(dāng)量理論塔板的壓差減小，全精餾制氬可能實(shí)現(xiàn)，氬提取率提高 10%～15%。 一般都選擇鋁作為規(guī)整填料的材料，這樣可減輕重量和減少費(fèi)用，但必須控制好填料金屬表面殘留潤滑油量小于 50mg/m2。 塔設(shè)備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可分為兩類：板式塔和填料塔。近年來由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的、高負(fù)荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小以性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。隨著對填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。同時(shí)也有投資費(fèi)用較高、填料易堵塞等缺點(diǎn)。 塔型的選擇因素很多。與物性有關(guān)的因素：（1）易起泡的物系在板式塔中有較嚴(yán)重的霧沫夾帶現(xiàn)象或引起液泛，故選用填料塔為宜。本設(shè)計(jì)為分離甲醇和水，故選用填料塔。 與操作條件有關(guān)的因素：（1）傳質(zhì)速率受氣膜控制的系統(tǒng)，選用填料塔為宜。 （2）難分離物系與產(chǎn)品純度要求較高，塔板數(shù)很多時(shí)，可采用高效填料。 （4）要求塔內(nèi)持液量、停留時(shí)間短、壓強(qiáng)小的物系，宜用規(guī)整填料。采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。但由于多了高位槽，建設(shè)費(fèi)用增加；采用泵加料，受泵的影響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，從而影響了傳質(zhì)效率，但結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便；如采自動(dòng)控制泵來控制泵的流量和流速，其控制原理較復(fù)雜，且設(shè)備操作費(fèi)用高。 進(jìn)料狀況 進(jìn)料狀況一般有冷液進(jìn)料、泡點(diǎn)進(jìn)料。但冷液進(jìn)料受環(huán)境影響較大，對于合肥地區(qū)來說，存在較大溫差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建設(shè)費(fèi)用。綜合考慮，設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料。 塔頂冷凝方式 塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。且容易冷凝，故使用全凝器。此次分離也是想得到液體甲醇，選用全凝器符合要求。對于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。如果需要較高的塔處理量或塔板數(shù)較多時(shí)，回流冷凝器不適合于塔頂安裝。在這種情況下，可采用強(qiáng)制回流，塔頂上升蒸汽采用冷凝冷卻器以冷回流流入塔中。 加熱方式 加熱方式分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。由于重組分是水，故省略加熱裝置。間接蒸汽加熱是通過加熱器使釜液部分汽化。本次實(shí)驗(yàn)采用間接蒸汽加熱。因?yàn)樗?，可將加熱器放在塔?nèi)，即再沸器，這樣釜液部分汽化，維持了原有濃度，減少了理論板數(shù)。精餾操作中壓力影響非常大。但當(dāng)壓力不太低時(shí)，對設(shè)備的要求較高，設(shè)備費(fèi)用增加。當(dāng)常壓下無法完成操作時(shí)，則采用加壓或減壓蒸餾。 氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù) 表 21 甲醇水溶液的平衡數(shù)據(jù)（）平衡溫度 t 100 液相甲醇 x 0 氣相甲醇 y 0 平衡溫度 t 液相甲醇 x 氣相甲醇 y 物料平衡計(jì)算 (1)物料衡算 已知： 39。x, 9839。Wx（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)） ，kmolgMHC/?， kmolgMOH/摩爾分?jǐn)?shù)： .?Fx （21）%.??Dx （22）3...2?W （23）進(jìn)料平均相對分子質(zhì)量: kmolgM/????(2)根據(jù)甲醇和水的氣液平衡表 1，利用內(nèi)插法求塔頂溫度 LDt , Vt , 塔釜溫度Wt ,進(jìn)料溫度 Ft。60F?t，年開工 300 天， kmolg/? ○ 1進(jìn)料摩爾流量：? （24）%?Fx, , %Wx?總物料衡算： ?易揮發(fā)組分衡算： DF 解得: ?32W塔頂產(chǎn)品的平均相對分子質(zhì)量 ○ 2 kmolgM/%.. ??????）（ （25）塔頂產(chǎn)品流量： 87Dh? （26） 塔釜產(chǎn)品的平均相對分子質(zhì)量 ○ 3kmolgM/178.%)(?????? （27）塔釜產(chǎn)品流量: 249Wh? .756/FDkgh 物料衡算結(jié)果匯總?cè)缦隆?4表 22 物料衡算結(jié)果表參數(shù) 單位 進(jìn)料 F 塔頂 D 塔釜 Wkg/h 物料流量 kmol/h 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 70% 98% 2%百分組成 摩爾分?jǐn)?shù) % % % 熱量衡算 （1） 熱量衡算 加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇 ○ 1 a. 加熱介質(zhì)的選擇 常用的加熱介質(zhì)有飽和水蒸氣和煙道氣。由于飽和水蒸氣冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。缺點(diǎn)是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。 b. 冷卻劑的選擇 常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽水、氟利昂等。沈陽市夏季最熱月份日平均氣溫為 24℃。 (2) 冷凝器的熱負(fù)荷 冷凝器的熱負(fù)荷 )LDVCIQ??（ 1(?R （28）式中: VDI—塔頂上升蒸汽的焓； L—塔頂餾出液的焓。 蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系：?????????rVTH 其中 rT—對比溫度。kmol1） /KTC甲醇 8430 水 100 9729 由沃森公式計(jì)算塔頂溫度下的潛熱 ?????????rTH （210）℃時(shí)，對甲醇：??? ??蒸發(fā)潛熱 kmolcaHV /??????????甲對水，同理得： ?rT， r 蒸發(fā)潛熱 kmolcaH/.???????????水對全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失） )(??RIDQLDVC（選擇泡點(diǎn)回流，因?yàn)樗敿状己亢芨?，與露點(diǎn)相接近，所以 水甲 （ VVLVDHxxI??)1 （211）代入數(shù)據(jù)得： kmolcaILDV /)965.( ??????(31)284/CQkcalh???(3) 冷卻介質(zhì)消耗量 ./()(32)CPWkgt??(4) 加熱器的熱負(fù)荷及全塔熱量衡算 選用 300kPa（溫度為 ℃）的飽和水蒸氣為加熱介質(zhì) 計(jì)算甲醇、水在不同溫度下混合的比熱容[單位：kcal/ (kg根據(jù)表 22， , (.8)3./DPPQdtCt cal????????39。 161W k對全塔進(jìn)行熱量衡算： CWDSF?? （212） 為了簡化計(jì)算，以進(jìn)料焓，即 ℃時(shí)的焓值為基準(zhǔn)做熱量衡算 FCWDS??? （213）??50/kcalh?塔釜熱損失為 10%，則 ??，則539?！訜崞鲗?shí)際熱負(fù)荷； D—塔頂餾出液帶出熱量； WQ—塔底帶出熱量。 \.Sh kgh??水 蒸 汽表 25 熱量衡算數(shù)據(jù)結(jié)果列表 / //1 //1/kcal.h1/kg.?0 ? 理論板數(shù)計(jì)算 由于本次設(shè)計(jì)的相對揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡捷法求理論板數(shù)，應(yīng)用圖解法。求得理論塔板數(shù) 10，提留段 3 塊，精餾段 7 塊。s物質(zhì) 塔頂 ℃ 塔底 ℃ 進(jìn)料 ℃甲醇 水 塔頂條件下的流量及物性參數(shù) ?Dx， 39。39。 39。??液相流量：○ 7`? （221）39。??液相流量：○ 7` ???? （228）39。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個(gè)方面進(jìn)行。 規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時(shí)還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。 250Y 型波紋填料是最早研制并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的板波填料，它具有以下特點(diǎn)： （1）比表面積與通用散裝填料相比，可提高近 1 倍，填料壓降較低，通量和傳質(zhì)效率均有較大幅度提高。 （3）工業(yè)生產(chǎn)中氣液質(zhì)均可能帶入“第三相”物質(zhì)，導(dǎo)致散裝填料及某些板式塔無法維持操作。 鑒于以上 250Y 型的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用 Mellapok250Y 型填料，因本設(shè)計(jì)塔中壓力很低。 已知：3/?? ， 3/??， ? ，23h ， sPaL??41.?， .0?， 2/5a， ,/代入式中求解得： 空塔氣速： ??? ?DFtt℃體積流量： (.)?????塔徑:??圓整后： 70dm?，空塔氣速 提餾段塔徑計(jì)算 已知：3/? ， 3/??， 195./Lkgh? ，V= ????????????????????? LGLGFAau ??? 112 ??????????解得：39。