【正文】 合理的設(shè)計和適當(dāng)?shù)牟僮髂軡M足要求的操作彈性，而且效率高。具有較高的操作彈性，但稍低于泡罩塔。 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 4 第 1 章 設(shè) 計 方 案 裝置流程的確定 蒸餾裝置包括精餾塔，原料預(yù)熱器，蒸餾釜（再沸器），冷凝器，釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)。連續(xù)蒸餾有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主。 蒸餾通過物料在塔內(nèi)的多次部分汽化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離，熱量自塔釜輸入，由冷凝器中的冷卻質(zhì) 將余熱帶走。譬如，用余料 作為塔頂產(chǎn)品（或釜液產(chǎn)品）冷卻器的冷卻介質(zhì)，既可以將原料預(yù)熱，又可以節(jié)約冷卻質(zhì)。 塔頂冷凝裝置可采用全冷凝器，分冷凝器兩種不同的設(shè)置。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產(chǎn)品溫度不高，無需進(jìn)一步冷卻，此次分離也是希望得到甲醇，選用全凝器符合要求。 操作壓力的選擇 蒸餾過 程中按操作壓力不同，分為常壓蒸餾，減壓蒸餾和加壓蒸餾。乙醇和丙醇在常壓下就能夠分離出來，所以本實驗在常壓下操作就可以。對于冷液進(jìn)料，當(dāng)組成一定時，流量一定對分離有利 ，節(jié)省加熱費用。綜合考慮，設(shè)計上采用泡點進(jìn)料。 加熱方式的選擇 加熱方式可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。間接蒸汽加熱使通過加熱器使釡液部分汽化。本設(shè)計塔釡采用間接加熱蒸汽，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。對于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。如果需要較高的塔頂處理或塔板數(shù)較多時，回流冷凝器不宜安裝在塔頂。在這種情況下，可采用強(qiáng)制回流，塔頂上蒸汽采用冷凝器冷卻以冷回流流入塔中。本設(shè)計物系屬易分離物系，故操 作回流比為最小回流比的 2倍。通過聯(lián)立（ 2）、（ 3）、 (4)并進(jìn)行迭代可得實際操作溫度及組分飽和蒸汽壓。飽和水是一種應(yīng)用最廣的加熱劑。燃料燃燒所排放的煙道氣溫可達(dá) 100～ 1000℃，適用于高溫加熱。本設(shè)計采用 300kPa(溫度 ℃ )的飽和水蒸氣作為加熱物質(zhì)。 冷卻劑的選擇 常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜地加以選用。故 選用 25℃的冷凝水，選溫升 10℃，即冷卻水的出口溫度為 35℃。/39。39。/39。 精餾段塔截面積為 2 2 2(1 . 4 ) 1 . 5 444TA D m??? ? ? ? 實際空塔氣速為 提鎦段： ) ( )( 2/12/1 ????VLhhVL ?? 取板間距 HT=, 板上液層高度 hL=, 則 h m? ? ? ? 查史密斯關(guān)聯(lián)圖得 C20= smCuCCVVLL/ )()20(m a x?????????????? 取安全系數(shù)為 ，則空塔氣速為 muVDsmuuS / m a x?????????? 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后 D= 。 （ 1）堰長 lW D m? ? ? ?[5] （ 2）溢流堰高度 hW 由 hW=hLhOW ,選用平直堰，堰上液層高度 由弗朗西斯公式 2/ ()1000 hOW wLhEl? 計算， 近似取 E=1 則 則 mh OW ) (11000 ????? 取板上清液層高度 hL=50mm , 故 hW=hLhOW== 同理：提鎦段 （ 1）堰長 lW D m? ? ? ?[5] （ 2）溢流堰高度 hW 由 hW=hLhOW ,選用平直堰，堰上液層高度 由弗朗西斯公式 2/ ()1000 hOW wLhEl? 計算， 近似取 E=1 則 則 mh OW ) (11000 3/2 ????? 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 19 取板上清液層高度 hL=50mm , 故 hW=hLhOW== （ 3）弓形降液管寬度 dW 和截面積 fA 由 / ? ? ? 故222 76 76 38 169= = 384fTTA A mA D m?? ? ? ?? 0. 14 0. 14 1. 4 0. 19 6dW D m? ? ? ? 依式 (3 5)fTAHLs? ?? 驗算液體在降液管中的停留時間 , sL HAh Tf ?????? (符合要求 ) sL HAh Tf ?????? （符合要求） 故降液管設(shè)計合理。3600 ???? oo 同理：提鎦段 0h = （ 1）塔的分塊 因 1400 800D mm mm??，故塔板采用分塊式，查表得，塔板分為 4 塊 表 34 塔徑 ,mm 800~1200 1400~1600 1800~2000 2200~2400 塔板分塊數(shù) 3 4 5 6 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 20 (2)邊緣區(qū)寬度確定 39。本設(shè)計的1 4 0 0 1 6 0 0D m m m m??,故液面落差可忽略不計。 p c lh h h h?? ? ?。 L w OWh h h?? 聯(lián)立得 ( 1 ) ( 1 )T W O W C dH h h h h h ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 忽略 h? ,將 OWh 與 SL , dh 與 SL , Ch 與 SV 的關(guān)系帶入上式 ,并整理得 39。 39。 2 / 3s s sa V b c L d L? ? ? 式中 39。 ( 1)TWb H h? ? ?? ? ? ? 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 26 39。 3 2 / 336002 . 8 4 1 0 ( 1 ) ( ) swd E Ll??? ? ? ?? ， ?? 及有關(guān)的數(shù)據(jù)代入得： )3600()(39。)(39。3/2322??????????????????????dcba 故 3/23/22 0 6 6 1 SSS LLV ??? 3/222 633 7 4 SSS LLV ??? 同理提鎦段： 3/22 SSS LLV ??? 在操作范圍內(nèi) ,任取幾個值 ,依上式計算結(jié)果列于表中 smLS /, 3 sm /,V 3s sm /,V 3s 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線 5 根據(jù)以上各線方程 ,可做出篩板塔的負(fù)荷性能圖如圖所示 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 27 012340 0123 0 在負(fù)荷性能圖上 ,作出操作點 , 連接 ,即作出操作線 .由圖可知 smVS /, 3m in ? smVS /, 3m ax ? 故操作彈性為： , m inm ax, ??SSVV 同理可算出提鎦段： , m inm ax ??SSVV 板式塔的結(jié)構(gòu) 塔體結(jié)構(gòu) (1)塔頂空間 指塔內(nèi)最上層塔極與塔頂?shù)拈g距。若需要安裝除沫器時，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂間距。其值由如下因素決定： ① 塔底儲液空間依儲存液量停留 3~8 min(易結(jié)焦物料可縮短停留時間 )而定； ② 再沸器的安裝方式及安裝高度； ③ 塔底液面至最下層塔板之間要留有 1~2m 的間距。人孔直徑一般為 450 mm~600mm，其伸出塔體的筒體長為 200~250 mm，人孔中心距操作平臺約800~1200mm。 (4)塔高 板式塔的塔高如圖所示。 塔總體高度計算 塔體總高度利用下式計算： （ 1）塔頂封頭 封頭分為橢圓形、蝶形封頭等幾種，本設(shè)計采用橢圓形封頭。則封頭高度 （ 2）塔頂空間 設(shè)計中取 塔頂間距考慮到需要安裝除沫器，所以選取塔頂F P T F F P D B 1 2H= （ n n n 1 ） H +n H +n H +H +H +H +HP2h =400mm1h=350mm1 1 2H =h +h =350+40=390mmaTH =2 H =2 =??吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 29 空間 。則： mAVtLHTSB 3???????????? (4) 人孔 對 D 1000mm? 的板式塔，為安裝、檢修的需要，一般每隔 6— 8塊塔板設(shè)一個人孔，本塔具有 32 塊塔板，需設(shè)置 3 個人孔，每個人孔直徑為 450mm，在設(shè)置人孔處板間距PH 600mm? 。 (6) 裙座 塔底常用裙座支撐，本設(shè)計采用圓筒形裙座；由于裙座內(nèi)徑 800mm，故裙座壁厚取 16mm. 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 3bi ( 1 4 0 0 2 1 6 ) ( 0 . 2 0 . 6 ) 1 0 1 0 3 2? ? ? ? ? ?—D m m 基礎(chǔ)環(huán)外徑： 3bo ( 1 4 0 0 2 1 6 ) ( 0 . 2 0 . 6 ) 1 0 1 8 3 2? ? ? ? ? ?—D m m 圓整后： bi=1100mmD , bo 2021?D mm 考慮到再沸器，取裙高 2H 3m? 。以下著重介紹再沸器 (蒸餾釜 )和冷凝器的型式和特點，具體設(shè)計計算過程從略。工業(yè)上常用的再沸器 (蒸餾釜 )有：內(nèi)置式再沸器、釜式 (罐式 )再沸器、虹吸式再沸器、強(qiáng)制循環(huán)式再沸器等幾種，詳見第 2章?lián)Q熱器設(shè)計部分。 （ 2）塔頂回流冷凝器 塔頂回流冷凝器通常采用管殼式換熱 器，有臥式、立式、管內(nèi)或管外冷凝等形式。 ① 整體式及自流式 將冷凝器直接安置于塔頂，冷凝液藉重力回流入塔，此即整體式冷凝器，又稱內(nèi)回流式，如圖 321(a)、 (b)所示。缺點是塔頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，且回流比難于精確控制。 圖 321(c)所示為自流式冷凝 器，即將冷凝器置于塔頂附近的臺架上，靠改變臺架高度獲得回流和采出所需的位差。圖 321(d)所示為冷凝器置于回流罐之上，回流罐的位置應(yīng)保證其中液面與泵入口間之位差大于泵的氣蝕余量，若罐內(nèi)液溫接近沸點時，應(yīng)使罐內(nèi)液面比泵入口高出 3m 以上。 回流冷凝器的工藝計算步驟如下： ① 按工藝要求決定冷凝器的熱負(fù)荷 QR,選擇冷卻劑、冷卻劑進(jìn)出口溫度并計算冷卻劑用量； ② 初估設(shè)備尺寸，由平均溫度 Δtm 和總傳熱系數(shù) K的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，計算所需的傳熱面積 A,并由此選擇標(biāo)準(zhǔn)型號的冷凝器，或自行設(shè)計； 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 31 ③ 復(fù)核傳熱面積，對已選型號或自行設(shè)計的設(shè)備，核算實際上的總傳熱系數(shù) K和實際所需的傳熱面積； ④ 決定安裝尺寸，估計各管線長度及阻力損失，以決定冷凝器底部與回流液入口之間的高度差 HR. 需要注意的是 ，由于冷凝器常用于精餾過程，考慮到精餾塔操作常需要調(diào)整回流比，同時還可能兼有調(diào)節(jié)塔壓的作用，故應(yīng)適當(dāng)加大其傳熱面積的裕度。 接管 （ 1） 塔頂蒸氣出口管的直徑 dv 操作壓力為常壓，蒸汽管中常用流速為 u=1220m/s，取 20 /vu m s? 由 4d ?? SVVVu 所以4 4 1 . 4 5d 0 . 3 0 3 9 3 0 3 . 920SVVV m m mu?? ?? ? ? ?? 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取φ 325 10規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 (3)進(jìn)料管的直徑 dF 進(jìn)料管得結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、 T 形進(jìn)料管。管徑計算如下： 本設(shè)計采用泵輸送料液，料液速度可取 uF=，本設(shè)計取 /Fu m s? 3L3100 /3600 3600 4 4 FFSFLFSFFFkg mVV m sV m mmu???????? ? ???? ? ? ??所 以 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 32 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取φ 42 4 規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 (5)塔底 蒸汽 的直徑 dW′ 一般可采用塔底出料管的流速 uV=2025m/s，本設(shè)計取 23 /vu m s? ? W 4 4 1 . 3 7d 0 . 2 7 5 2 7 523SWW m m mu??? ?? ? ? ?? 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取φ 325 10規(guī)格的熱軋 無縫鋼管。 F—— 氣相動能因子， kg1/2/(sm1/2) ； hl—— 進(jìn)口堰與降液管間的水平距離， m； hc—— 與干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?m 液柱； hd—— 與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?m： hl—— 與板上液層阻力相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?m； hL—— 板上清液層高度， m； h0—— 降液管的底隙高度， m； how—— 堰上液層高度， m； hw—— 溢流 堰高度， m； h’w —— 進(jìn)口堰高度， m； hσ —— 與克服 σ