精馏塔课程设计

精馏塔课程设计第一章概述高径比很大的设备称为塔器。

用于蒸馏(精馏)和吸收的塔器分别称为蒸馏塔和吸收塔。

塔设备是化工、石油化工、生物、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备。

蒸馏和吸收作为分离过程,虽基于不同的物理化学原理,但均属于气液两相间的传质过程,有着共同特点,可在同样的设备中进行操作。

一、塔设备的基本功能和性能评价指标为获得最大的传质速率,塔设备应该满足两条基本原则:(1)使气液两相充分接触,适当湍动,以提供尽可能大的传质面积和传质系数,接触后两相又能及时完善分离；(2)在塔内使气液两相有最大限度的接近逆流, 以提供最大的传质推动力。

板式塔的各种结构设计、新型高效填料的开发,均是以这两条原则的体现和展示。

从工程目的出发,塔设备性能的评价指标如下:(1)通量-----单位塔截面的生产能力,表征塔设备的处理能力和允许空塔气速；(2)分离效率-----单位压降塔的分离效果,对板式塔以板效率表示,对填料塔以等板高度表示；(3)适应能力-----操作弹性,表现为对物料的适应性及对负荷的适应性。

塔设备在兼顾通量大、效率高、适应行强的前提下,还应该满足流动阻力低、结构简单、金属耗量少、造价低、易于操作控制等要求。

一般来说，通量、效率和压强是互相影响甚至是互相矛盾的。

对于工业大规模生产来说，应该在保持高通量前提下，争取效率不过与降低；对于精密分离来说，应优先考虑高效率，而通量和压强则放在第二位。

二、塔设备的类型根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。

按塔内气液接触方式，有逐级接触式和微分（连续）接触式之分。

板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡状、蜂窝状、泡沫状或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。

在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。

工业生产中，一般当理物料量较大时多采用板式塔，当要求塔径在0.8m以下时多采用填料塔。

现在这种局面已有所改变，直径在30m以上的填料塔已在工业生产中运行。

按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流塔与逆流塔板两类。

筛板塔为错流塔板类型之一。

塔内气液两相成错流流动，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整体塔来说，两相基本上成逆流流动。

错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以期获得较高的效率。

在几种主要类型错流塔中，应用最早的是泡罩塔板，目前使用最广泛的是筛板塔和浮阀塔板。

（一）泡罩塔板泡罩塔是应用最早的气液传质设备之一，长期以来，人们对泡罩塔的性能作了较充分的研究，在工业生产实践中积累了丰富的经验。

泡罩塔板结构如图一所示。

每层塔板上开有若干个孔，孔上焊有短管作为上升气体的通道，称为升气管。

升气管上覆以泡罩，泡罩下部周边开有许多齿缝。

齿缝一般有矩形、三角形及梯形三种，常用的是矩形。

泡罩在塔板上作等边三角形排列。

化工厂中广泛使用的圆形泡罩的主要结构参数已系列化。

泡罩塔的优点是：因升气管高出液面，不易发生漏夜现象，有较好的操作弹性，即当气液流量有较大的波动时，仍能维持几乎恒定的板效率；塔板不易堵塞，适于处理各种物料。

缺点是：塔板结构复杂，金属耗量大，造价高；塔板压降大，兼因物沫夹带现象严重，限制了气速的提高，致使生产能力及板效率均较低。

目前仍有采用的。

图一：泡罩塔（二）筛板筛板结构如图二所示。

塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3~8mm,筛孔在塔板上作正三角形排列.塔板上设置溢流堰,使板上能维持一定厚度的液层。

操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而出，气夜间密切接触而进行传质。

在正常的气速操作下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。

图二：筛板塔板筛板塔的优点是：结构简单，造价低廉，气体压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率均较泡罩塔高。

主要缺点是：操作弹性小，筛孔小时容易堵塞。

近年来采用大孔径（直径10~25mm）筛板可避免堵塞，而且由于气速的提高，生产能力增大。

过去由于对筛板的性能研究不充分，认为操作不易稳定而未普遍应用，直到20世纪50年代初对筛板塔的结构、性能作了较充分的研究，认识到只要设计合理、操作正确，同样可获得较满意的塔板效率和一定的操作弹性，故近年来筛板塔的应用日趋广泛。

（三）浮阀塔板浮阀塔于20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍，对其性能研究也较充分。

浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干大孔（标准孔径为39mm），每个孔上装有一个可以上下浮动的阀门。

浮阀的形式很多，目前国内采用的浮阀有五种，但最常用的浮阀形式为F1型和V-4型。

F-1型 V-4型 A型十字架型方形浮阀图三：浮阀塔板F1型浮阀（国外称为V-1型）如图所示。

阀片本身有四条“腿”，插入阀孔后将各腿底脚扳转90度角，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度（8.5mm）；阀片周边有冲出三块略向下弯的定距片。

当气速很低时，靠这三个定距片使阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，阀片与塔板间始终保持2.5mm的开度供气体均匀的流过，避免了阀片启闭不匀的脉动现象。

阀片与塔板的接触也可防止停工后阀片与板面黏结。

操作时，由阀孔上升的气流，经过阀片与塔板间的间隙而与板上横流的液体接触。

浮阀开度随气体负荷而变。

当气量很小时，气体仍能通过静止开度的缝隙而鼓泡。

F1型浮阀的结构简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛用于化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB1118-68）内。

F1浮阀又分轻阀与重阀两种：重阀采用2mm的薄板冲制，每阀质量约为33g；轻阀采用厚度为1.5mm的薄板冲制，每阀质量约为25g。

一般情况下都采用重阀，在处理量大并且要求压强很低的系统（如减压塔）中，才用轻阀。

V-4行浮阀如图所示，其特点是阀孔冲成向下弯曲的文丘里形，以减小气体通过塔板时的压强降。

阀片除腿部相应加强外，其余结构尺寸与F1型轻阀无异。

V-4型浮阀适用于减压系统。

T型浮阀如图所示，拱形阀片的活动范围由固定于塔板上的支架来限制。

T型浮阀的性能与F1型浮阀相近，但结构较复杂，适于处理含颗粒或易聚合的物料。

为避免阀片生锈，浮阀多采用不锈钢制造。

浮阀塔具有下列优点：（1）生产能力大。

由于浮阀塔板具有较大的开孔率，故其生产能力比泡罩塔的大20﹪～40﹪，而与筛板塔相近。

（2）操作弹性大。

由于伐片可以自由升降以适应气量的变化，故维持正常操作所容许的负荷波动范围比泡罩塔和筛板塔都宽。

（3）塔板效率高。

因上升气体以水平方向吹入液层，故气、液接触时间较长而物沫夹带量较小，板效率较高。

（4）气体压强降及液面落差较小。

因为气液流过浮阀塔板时所遇到的阻力较小，故气体的压强降及板上的液面落差都比泡罩塔的小。

（5）塔的造价低。

因构造简单，易于制造，浮阀塔的造价一般为泡罩塔的60﹪～80﹪，为筛板塔的120﹪～130﹪。

浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。

（四）喷射型塔板上述塔板不同程度的存在物沫夹带现象。

为了克服这一不利因素的影响，设计了斜向喷射的舌形塔板、斜孔板、垂直筛板、浮舌塔板、浮动喷射塔板等不同的结构形式，有些塔板结构还能减少因水力梯度造成的气体不均匀分布现象。

高效、大通量、低压降的新型垂直筛板塔近几年得到快速的推广应用。

层出不穷的新型塔板结构各具特点，应根据不同的工艺及生产需要来选择塔型。

一般来说，对难分离物质的高度分离，希望得到高的塔板效率；对处理量大又易分离的物质，往往追求高的生产能力；而对真空精馏，则要求有低的塔板压强降。

第二章设计方案的确定及流程说明一、装置流程的确定精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，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，在确定流程时应考虑余热的利用，注意节能。

塔顶冷凝装置根据生产情况决定采用分凝器或全凝器。

一般塔顶分凝器对上升蒸汽虽有一定增浓作用，但在石油等工业中获取液相产品时往往采用全凝器，以便于准确地确定回流比。

若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。

苯—甲苯混合液原料经预热器加热到指定温度后送入精馏塔德进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底在肺气肿。

在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。

操作时，连续的从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分液体气化，产生上升蒸汽，一次通过各层塔板。

塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品，经冷凝器冷却后送入贮槽。

塔釜采用间接蒸汽和再沸器共热。

塔底产品经冷却后送入贮槽。

流程图如图二、操作压力的选择精馏操作可在常压、减压和加压下进行。

塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。

根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑。

压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。

因此如果在常压下操作时，塔顶蒸气可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。

本设计中已制定为塔顶表压为4kPa。

三、进料热状态的选择进料热状态以进料热状况参数q表达。

进料状态有5种，可用进料状态参数q 值来表示。

进料为过冷液体：q＞1；饱和液体（泡点）：q＝1；气、液混合物：0＜q ＜1；饱和蒸气（露点）：q＝0；过热蒸气：q＜0。

q值增加，冷凝器负荷降低而再沸器负荷增加，由此而导致的操作费用的变化与塔顶出料量D和进料量F的比值D/F 有关；对于低温精馏，不论D/F值如何，采用较高的q值为经济；对于高温精馏，当D/F值大时宜采用较小的q值，当D/F值小时宜采用q值较大的气液混合物。

本设计任务书中已设定q=1。

四、加热方式蒸馏一般采用间接蒸汽加热，设置再沸器，但对塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热。

直接蒸汽加热的优点是：可利用压力较低的蒸汽加热以节省操作费用，并省掉间接加热设备。

但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需在提留段增加塔板以达到生产要求。

本设计采用间接蒸汽加热。

五、回流比的选择影响精馏操作费用的主要因素是塔内蒸气量V。

对于一定的生产能力，即馏出量D一定时，V的大小取决于回流比。

实际回流比总是介于最小回流比和全回流两种极限之间。

由于回流比的大小不仅影响到所需理论板数，还影响到加热蒸汽和冷却水的消耗量，以及塔板、塔径、蒸馏釜和冷凝器的结构尺寸的选择，因此，适宜回流比的选择是一个很重要的问题。