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1、1引言化工设计的目的和要求化工设计是一个综合性和实践性较强的教学环节，也是培育学生独立工作的有利实 践，更是理论联系实际的有效手腕。课程设计不同于平常的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确信方案， 选择流程，查取资料，进行进程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，通过 反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。因此，课程设计是培育学生独 立工作能力的有利实践。通过设计达到如下目的1巩固化工原理课程学习的有关内容，并使它扩大化和系统化； 2培育学生计算技术及应用所学理论知识分析问题和解决问题的能力； 3熟悉化工工艺设计的大体步骤和方式；4学习绘制简单的工艺流程图和主体设备工
2、艺尺寸图； 5训练查阅参考资料及利用图表、手册的能力； 通过对“适宜条件”的选择及对自己设计功效的评判，初步成立正确的设计思想， 培育从工程技术观点动身考虑和处置工程实际问题的能力；精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔 设备，第一必需要能使气(汽)、液两相取得充分的接触，以达到较高的传质效率。可是， 为了知足工业生产和需要，塔设备还得具有以下各类大体要求：(1) 气(汽)、液处置量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或 液泛等破坏操作的现象。(2) 操作稳固，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变更时，仍能
3、 在较高的传质效率下进行稳固的操作并应保证长期持续操作所必需具有的靠得住性。(3) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗， 从而降低操作费用。关于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的 真空度，最终破坏物系的操作。(4) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。(5) 耐侵蚀和不易堵塞，方便操作、调剂和检修。(6) 塔内的滞留量要小。事实上，任何塔设备都难以知足上述所有要求，何况上述要求中有些也是相互矛盾 的。不同的塔型各有某些独特的优势，设计时应依照物系性质和具体要求，抓住要紧矛 盾，进行选型。板式塔类型气液传质设备要紧分为板式塔和填料塔两大类。
4、精馏操作既可采纳板式塔，也可 采纳填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，依照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。板式塔在工业上最先利用的是泡罩塔（1813年）、筛板塔（1832年），其后，专门是 在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速进展，接踵显现了大量新型塔 板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板 及角钢塔板等。目前从国内外实际利用情形看，要紧的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡 罩塔，而前二者利用尤
5、其普遍，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。筛板塔筛孔塔板简称筛板，结构特点为塔板上开有许多均匀的小孔。依照孔径的大小，分 为小孔径筛板（孔径为38mm）和大孔径筛板（1025mm）两类。工业应用中以小孔径 筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦的物系）。筛板的特点是结构简单，造价低；板上液面落差小，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，不易处置结焦、粘度大的物料。应予指出，尽管筛板传质效率高，但假设设计和操作不妥，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。最近几年来，由于设计和操纵 水平的不断提高，可
6、是筛板的操作超级精准，弥补了上述不足，故应用日趋普遍。在确 保精准设计和采纳先进操纵手腕的前提下，设计中可斗胆选用。精馏塔的设计步骤本设计按以下几个时期进行：（1）设计方案确信和说明。依照给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、要紧设 备型式及其材质的选取等进行论述。（2）蒸馏塔的工艺计算，确信塔高和塔径。（3）塔板设计：计算塔板各要紧工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等， 并画出塔的操作性能图。（4）绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。3 设计方案操作条件的确信在一常压操作的持续精馏塔内分离苯甲苯混合物。已知原料液的处置量为50000T /年，组成为0.27 （苯的质量分率，下同
7、），要求塔顶镏出液的组成为0.94 ，塔 底釜液的组成为0.01 。设计条件如下：操作压力；进料热状况泡点进料；回流比2R ；单板压降；min全塔效率；依照以上工艺条件作出筛板塔的设计计算。操作压力塔内操作压力的选择不仅涉及到分离问题，而且与塔顶和塔底的温度有关。应依照 所处置的物料性质，并兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑。加压蒸馏可 提高设备的处置能力，但会增加塔壁的厚度，使设备费用增加。另外，压力增加使溶液 的泡点和露点温度均增加，物系的相对挥发度减小，使物系分离困难。减压蒸馏不仅需 要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下其体积增大，需要的塔径增加，因 此设备费用增加。
8、对热敏性物料可采纳减压蒸馏，如苯乙烯乙苯溶液。对常压下呈气态 的混合物应采纳加压蒸馏，如从空气中分离氧和氮。而关于苯-甲苯、乙醇-水、甲醇- 水这一类的溶液不是热敏性物料，且沸点又不高，因此不需采纳减压蒸馏。这种溶液在 常压下又是液态，塔顶蒸气又能够用一般冷却水冷凝，因此也不需采纳加压蒸馏。因此 为了有效的降低设备造价和操作费用对这种溶液可采纳常压蒸馏。进料状态进料热状态有五种。原那么上，在供热必然的情形下，热量应尽可能由塔底输入， 使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷也进料。但为使塔的操作稳固，免受季骨气 温的阻碍，常采纳泡点进料。如此，塔内精馏段和提留段上升的气体量转变较小，可采 纳相同
9、的塔径，便于设计和制造。但将原料预热到泡点，就需要增设一个预热器，使设 备费用增加。加热方式蒸馏釜的加热方式通常采纳间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采纳直接蒸汽加 热。假设塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大（如酒精与水的 混合液），即可采纳直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优势是：能够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。如此，可节省一些操作费用和 设备费用。但是，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在 塔底易挥发物损失量相同的情形下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因此塔板数 稍有增加。但对有些物系（如酒精与水的二元混合
10、液），当残液的浓度稀薄时，溶液的相 对挥发度专门大，容易分离，故所增加的塔板数并非多，现在采纳直接蒸汽加热是适合 的。值得提及的是，采纳直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克 服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。关于酒精水溶液，一样采纳（表压）。饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调剂。同时，饱和 水蒸汽的冷凝潜热较大，价钱较低廉，因此通经常使用饱和水蒸汽作为加热剂。但假设 要求加热温度超过180C时，应考虑采纳其它的加热剂，如烟道气或热油。 当采纳饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，能够提高传热温度差，从而提 高传热效率，但蒸汽压力的提高对锅炉提
11、出了更高的要求。同时关于釜液的沸腾，温度 差过大，形成膜状沸腾，反而对传热不利。冷却剂与出口温度冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。若是塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井 水作冷却剂。若是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 温度由设计者确信。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗能够减少，但同时温度差 较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由本地水资源确信，但一样不宜超过 50C，不然溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而阻碍传热。回流方式的选择液体回流可借助位差采纳重力回流或用泵强制回流。采纳重力回流可节省一台回流 泵，节省设备费用，但用泵强制回流，便
12、于操纵回流比。热能的利用精馏进程是组分反复汽化和反复冷凝的进程，耗能较多，如何节约和合理地利用精 馏进程本身的热能是十分重要的。选取适宜的回流比，使进程处于最正确条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时， 合理利用精馏进程本身的热能也是节约的重要举措。假设不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷凝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。但是，在大多数情形，这部份热量由冷却剂 带走而损失掉了。若是采纳釜液产品去预热原料，塔顶蒸汽的冷凝潜热去加热能级低一 些的物料，能够将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。另外，通过蒸馏系统的合理设置，也能够取得节能的成效。例如，采纳
13、中间再沸器 和中间冷凝器的流程1， 能够提高精馏塔的热力学效率。因为设置中间再沸器，能够利 用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器那么可回收温度比塔顶高的热量。确信设计方案的原那么确信设计方案总的原那么是在可能的条件下，尽可能采纳科学技术上的最新成绩， 使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、平安、低消耗的原 那么。为此，必需具体考虑如下几点：知足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，第一必需保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳 固，这就要求各流体流量和压头稳固，入塔料液的温度和状态稳固，从而需要采取相应 的方法。第二所定的设计方案需要有必然的操作弹性，遍地流量应能在必然
14、范围内进行 调剂，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调剂阀门，在管路中 安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再第 二，要考虑必需装置的仪表（如温度计、压强计，流量计等）及其装置的位置，以便能通 过这些仪表来观测生产进程是不是正常，从而帮忙找出不正常的缘故，以便采取相应方 法。知足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏进程中如能适本 地利用塔顶、塔底的废热，就能够节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如 冷却水出口温度的高低，一方面阻碍到冷却水用量，另方面也阻碍到所需传热面积的大 小，即对操作费和设备费都
15、有阻碍。一样，回流比的大小对操作费和设备费也有专门大 阻碍。降低生产本钱是各部门的常常性任务，因此在设计时，是不是合理利用热能，采纳 哪一种加热方式，和回流比和其他操作参数是不是选得适合等，均要作全面考虑，力求 总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最正确方案。例如，在缺水地域， 冷却水的节省就很重要；在水源充沛及电力充沛、价廉地域，冷却水出口温度就可选低 一些，以节省传热面积。保证平安生产例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能利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，因此需要平安装置。以上三项原那么在生产中都
16、是一样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原 那么应作较多的考虑，对第二个原那么只作定性的考虑，而对第三个原那么只要求作一 样的考虑。设计方案的确信本设计任务为分离苯甲苯混合物。关于二元混合物的分离，应采纳持续精馏流程。 设计中采纳泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽 采纳全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部份回流至塔内，其余部份经冷却器冷却后送至储 罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，取操作回流比为最小回流比的2 倍。塔釜 采纳间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。4具体计算进程精馏塔的物料衡算原料液处置F - 500004000 -74.09mo h320x 24x87.87通过简捷计算依照给定的
