化工原理课程设计(3)

盐城师范学院化工原理课程设计

单板压降 不大于0.70kPa 设备型式为浮阀塔（F1型） 课题设计任务： （1） 完成主题设备的工艺设计与计算； （2） 有关附属设备的设计和选型； （3） 绘制带控制点的工艺流程简图和主体设备的工艺条件图； （4） 编写设计说明书。 主要参考书： [1]王国胜.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，2006.8 [2]申迎华、郝晓刚.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，2009.5 [3]贾绍义，柴诚敬等.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社，2002.8 [4]付家新、王为国、肖稳发.化工原理课程设计（典型化工单元操作设备设计）.北京：化学工业出版社，2010.10 [5]任晓光.化工原理课程设计指导.北京：化学工业出版社，2009.1 [6]濮存恬.精细化工过程及设备.北京：化学工业出版社，1996 [7]夏清、陈常贵.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，2005.1 [8]夏清、陈常贵.化工原理（下册）.天津：天津大学出版社，2005.1 第三章 设计方案简介

3.1 设计方案的确定 3.1.1 装置流程的确定

蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器，蒸馏釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。

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蒸馏通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定装置流程时应考虑余热的利用。譬如，用原料作为塔顶产品（或釜液产品）冷却器的冷却介质，既可将原料预热，又可节约冷却介质。 另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波动的影响。

塔顶冷凝装置可采用全冷凝器、分凝器两种不同的设置。工业上采用全冷凝器为主，以便于准确地控制回流比。塔顶分凝器对上升蒸气有一定的增浓作用，若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。

总之，确定流程时要较全面、合理地兼顾设备、操作费用、操作控制及安全诸因素。

3.1.2操作压力的选择

蒸馏过程按操作压力不同，分为常压蒸馏、减压蒸馏和加压蒸馏。一般地，除热敏性物系外，凡通过常压蒸馏能够实现分离要求，并能用江河水或循环水将镏出物冷凝下来的物系，都应采用常压蒸馏；对热敏性物系或者混合物泡点过高的物系，则宜采用减压蒸馏；对常压下镏出物冷凝温度过低的物系，需提高塔压或者采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的物系必须采用加压蒸馏。例如苯乙烯常压沸点为145.2℃，而将其加热到102℃以上就会发生聚合，故苯乙烯应采用减压蒸馏；脱丙烷塔操作压力提高到1765kPa时，冷凝温度约为50℃，便可用江河水或者循环水进行冷却，则运转费用减少；石油气常压呈气态，必须采用加压蒸馏。 3.1.3进料状况的选择

蒸馏操作有五种进料热状况，进料热状况不同，影响塔内各层塔板的气、液相负荷。工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体（泡点）进料，通常用

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釜残液预热原料。若工艺要求减少塔釜的加热量，以避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。 3.1.4加热方式的选择

蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热，例如釜残液中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇与水混合液）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液气一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应较低，故需要在提留段增加塔板以达到生产要求。 3.1.5回流比的选择

回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择的原则是使设备费和操作费用之和最低。设计时，应根据实际需要选定回流比，也可参考同类生产的经验值选定。必要时可选用若干个R值，利用吉列兰图（简捷法）求出对应理论板数N，作出N-R曲线，从中找出适宜操作回流比R，也可作出R对精馏操作费用的关系线，从中确定适宜回流比R。 3.2 塔板的类型与选择 3.2.1塔板的类型

塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业以错流式塔板为主，常用的错流式塔板主要有以下几种。 1. 泡罩塔板

泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要元件为升气管及泡罩。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分为80mm、100mm、150mm三种，可根据塔径的大小选择。通常塔径小于1000mm，选用80mm的泡罩；塔径大于2000mm，选用150mm的泡罩。泡罩塔

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板的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠。其缺点是结构复杂，造价高；板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。近年来，泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔版所取代。在设计中除特殊需要（如分离粘度大、易结焦等物系）外一般不宜选用。 2. 筛孔塔板

筛孔塔板简称筛板，结构特点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板（孔径为3~8mm）和大孔径筛板（孔径为10~25mm）两类。工业应用中心以小孔径筛板为主，大孔径多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦的物系）。

筛板的优点是结构简单，造价低；板上页面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。

应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降，故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。 3. 浮阀塔板

浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。

其结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可以上下浮动的阀片。气流从浮阀周边水平地进入塔板上液层，浮阀可根据气流流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀的类型很多，国内常用的有F1型、V-4型及T型等，其中以F1型浮阀应用最为普遍。

浮阀塔板的优点是结构简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入

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液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 3.2.2 塔板的选择

应予指出，以上介绍的仅是几种较为典型的浮阀形式。由于浮阀具有生产能力大，操作弹性大及塔板效率高等优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他型式的塔板广泛，是目前新型塔板研究开发的主要方向。近年来研究开发出的新型浮阀有船型浮阀、管型浮阀、梯形浮阀、双层浮阀、V-V浮阀、混合浮阀等，其共同的特点是加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动更趋于合理，操作弹性和塔板效率得到进一步的提高。但应指出，在工业应用中，目前还多采用F1型浮阀已有系列化标准，各种设计数据完善，便于设计和对比。而采用新型浮阀，设计数据不够完善，给设计带来一定的困难，但随着新型浮阀性能数据的不断发表及工业应用的增加，其设计数据会逐步完善，在有较完善的数据下，设计中可选用新型浮阀。

第四章 浮阀塔精馏工艺设计

4.1 工艺计算 4.1.1全塔物料衡算

原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数如下。

乙醇的摩尔质量MA=46kg/kmol,水的摩尔质量MB=18kg/kmol,则

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