板式精馏塔的设计方案

【摘　要】精馏塔操作，是气，液接触的传质过程，与吸收操作是一样的。因此，用于吸收设备，基本上都可用于精馏作业。精馏的设备，有板式塔、填料塔、和其它型式塔三大类。气—液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。板式塔为逐级接触型气—液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气—液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。

【关键词】精馏塔；传质；板式；填料；吸收操作

1.前言精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯——甲苯的分离。苯——甲苯体系比较容易分离，待处理料液清洁。因此用筛板塔，筛板塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力（20%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。

2．板式精馏塔2.1概述蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏是一种不稳态操作，主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续过程，是化工生产常用的方法。2.2操作条件的确定确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程，各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽冷凝方式，余热的利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些简述。2.2.1 操作压力蒸馏操作通常可在常压，加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性物料，但压力降将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空设备。对于沸点低、在常压下为气态物料，则应在加压下进行蒸馏。2.2.2 进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际生产中进料状态有多种，但一般将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响，此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。2.2.3 加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄是溶液的相对挥发度较大（如酒精和水的混合液），便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面积。这样，可节省一些操作费用和设备费用。2.2.4冷却剂与出口温度冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。2.2.5热能的利用精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，消耗较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。选取适宜的回流比，是过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。若不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷却器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量，其数量是相当可观的。2.3辅助设备2.3.1再生器再沸器的任务是将部分塔底的液体蒸发以便进行精馏分离。再沸器是热交换设备，根据加热面安排的需要，再沸器的构造可以是夹套式、蛇管式或列管式；加热方式可以是间接加热或直接加热。设计者应注意以下设计目标：（1）使设备成本低(保持较高的传热系数)。（2）使换热表面尽可能清洁(防止传热管表面结垢)。（3）对于易热分解的产品，应使其停留时间短，加热壁温低。（4）能满足分离要求。小型再沸器可直接安装在塔底部，但再沸器的横截面积要略大于塔体的截面。对于较大型的塔，再沸器一般安装在塔外。热虹吸式再沸器利用再沸器中气—液混合物和塔底液体的密度差为推动力，增加流体在管内的流动速度，减少了污垢的沉积，提高了传热系数，装置紧凑，占地面积小。凯特尔Ketile式再沸器一次通过蒸发的气液比可达80％，相当于一块理论板。再沸器的传热面积可任意选用，釜液结焦时清洗方便，但金属消耗量和占地面积都大。当塔底产品是废水时，通常采用直接水蒸气加热，这样可节省再沸器的投资成本。2.3.2 冷凝器冷凝器的任务是冷凝离开塔顶的蒸气，以便为分离提供足够的回流。部分冷凝的优点是未凝的产品富集了轻组分，冷凝器为分离提供了一块理论板。当全凝时，部分冷凝液作为回流返回，冷凝器没有分离作用。在小型精馏塔中，冷凝器可采用蛇管式；对大型设备一般采用列管式。为了提高冷却介质的流速，使其传热系数提高，一般安排冷却介质在管内流动，蒸气在管外冷凝。2.4 确定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上的最先进经济、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：2.4.1满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。2.4.2满足经济上的要求要节约热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述早蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。2.4.3保证安全生产例如酒精属于易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因此需要安全装置。

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