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化工原理課程設(shè)計(jì) –––––板式精餾塔的設(shè)計(jì) 摘 要 4 Abstract……………………………………………………………………………………………. 引言 第一章 設(shè)計(jì)條件與任務(wù) 8 第二章 設(shè)計(jì)方案的確定 10 第三章 精餾塔的工藝計(jì)算 12 3.1 實(shí)際回流比 12 3.2 全塔物料衡算 12 3.3 塔板數(shù)的計(jì)算 12 3.3.1 理論塔板數(shù) 12 3.3.2 實(shí)際塔板數(shù) 13 3.4 精餾塔物性參數(shù)的計(jì)算 12 3.4.1 操作壓力計(jì)算 12 3.4.2 操作溫度計(jì)算 13 3.4.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 12 3.4.4 平均密度計(jì)算 13 3.4.5 液體表面張力計(jì)算 12 3.4.6 液體表面黏度計(jì)算 13 3.5 精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算 12 3.5.1塔徑計(jì)算 12 3.5.2 精餾塔有效高度的計(jì)算 13 第四章 塔板工藝尺寸的計(jì)算 14 4.1精餾段塔板工藝尺寸的設(shè)計(jì) 15 4.1.1溢流裝置的設(shè)計(jì) 15 4.1.2塔板設(shè)計(jì) 15 4.2提餾段塔板工藝尺寸的設(shè)計(jì) 15 4.2.1溢流裝置的設(shè)計(jì) 15 4.2.2塔板設(shè)計(jì) 15 4.3塔板的流體力學(xué)性能驗(yàn)算 15 4.3.1精餾段塔板的流體力學(xué)性能驗(yàn)算 15 4.3.2提餾段塔板的流體力學(xué)性能驗(yàn)算 15 4.4塔板的負(fù)荷性能圖 15 4.4.1精餾段塔板的負(fù)荷性能圖 15 4.4.2提餾段塔板的負(fù)荷性能圖 15 第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 17 5.1 設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì) 17 5.2 參考文獻(xiàn) 18 第六節(jié) 精餾裝置的附屬設(shè)備 20 6.1 回流冷凝器 20 6.2 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選型 21 6.2.1流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算 21 6.2.2管殼式換熱器的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 22 6.3 再沸器 23 6.4接管直徑 24 6.4加熱蒸氣鼓泡管 25 6.5離心泵的選擇 25 附錄 工藝流程圖 摘要 一、化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求 課程設(shè)計(jì)是《化工原理》課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。 課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。 通過課程設(shè)計(jì),學(xué)生應(yīng)該注重以下幾個(gè)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)： 1. 查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力； 2. 樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力； 3. 迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； 4. 用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。 二、化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 （一）課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 對(duì)給定或選定的工藝流程，主要的設(shè)備型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述； 2. 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3. 典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算 包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定； 4. 帶控制點(diǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖 以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測(cè)量點(diǎn)； 5. 主體設(shè)備工藝條件圖 圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表； 完整的課程設(shè)計(jì)由說明書和圖紙兩部分組成。說明書是設(shè)計(jì)的書面總結(jié)，也是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的主要依據(jù)，應(yīng)包括以下主要內(nèi)容： （1）封面（課程設(shè)計(jì)題目、班級(jí)、姓名、指導(dǎo)教師、時(shí)間 ）； （2）目錄； （3）設(shè)計(jì)任務(wù)書； （4）設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介； （5）設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表； （6）工藝設(shè)計(jì)計(jì)算； （7）輔助設(shè)備的計(jì)算及選型； （8）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表； （9）設(shè)計(jì)評(píng)述及設(shè)計(jì)者對(duì)本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的討論； （10）工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖； （11）參考資料。 （二）課程設(shè)計(jì)的步驟 1. 動(dòng)員和布置任務(wù)； 2. 閱讀指導(dǎo)書和查閱資料； 3. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查； 4. 設(shè)計(jì)計(jì)算,繪圖和編寫說明書； 5. 考核和答辯。 整個(gè)設(shè)計(jì)是由論述、計(jì)算和繪圖三部分組成。論述應(yīng)該條理清晰，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處；圖表應(yīng)能簡(jiǎn)要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。 設(shè)計(jì)后期的答辯，及時(shí)了解學(xué)生設(shè)計(jì)能力的補(bǔ)充過程，也是提高設(shè)計(jì)水平，交流心得和擴(kuò)大收獲的重要過程。答辯通常包括個(gè)別答辯和公開答辯兩種形式。個(gè)別答辯的目的不僅是對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面考核，更主要的是促進(jìn)學(xué)生開動(dòng)腦筋,提高設(shè)計(jì)水平。所以，在個(gè)別答辯后，應(yīng)允許學(xué)生修改補(bǔ)充自己的圖紙和說明書。公開答辯是在個(gè)別答辯的基礎(chǔ)上，選出幾個(gè)有代表性的學(xué)生在全班公開答辯，實(shí)際上是以他們的中心發(fā)言來引導(dǎo)全班性的討論，目的是交流心得、探討問題和擴(kuò)大收獲。 三、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的繪制 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖是一種示意性的圖樣,它以形象的圖形、符號(hào)、代號(hào)表示出化工設(shè)備、管路、附件和儀表自控等，借以表達(dá)出一個(gè)生產(chǎn)中物料及能量的變化始末。工藝流程圖繪制范圍如下： 必須反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備； 1. 應(yīng)全部反映出主要物料管路，并表達(dá)出進(jìn)出裝置界區(qū)的流向； 2. 冷卻水、冷凍鹽水、工藝用的壓縮空氣、蒸汽(不包括副產(chǎn)品蒸汽)及蒸汽冷凝液系統(tǒng)等的整套設(shè)備和管線不在圖內(nèi)表示，僅示意工藝設(shè)備使用點(diǎn)的進(jìn)出位置； 3. 標(biāo)出有助于用戶確認(rèn)及上級(jí)或有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審批用的一些工藝數(shù)據(jù)(例如:溫度、壓力、物流的質(zhì)量流量或體積流量、密度、換熱量等)； 4. 包括繪制圖例，圖畫上必要的說明和標(biāo)注，并按圖簽規(guī)定簽署； 5. 必須標(biāo)注工藝設(shè)備，工藝物流線上的主要控制點(diǎn)符及調(diào)節(jié)閥等。這里指的控制點(diǎn)符包括被測(cè)變量的儀表功能(如調(diào)節(jié)、紀(jì)錄、指示、積算、連鎖、報(bào)警、分析、檢測(cè)及集中,就地儀表等)。 流程圖的繪制步驟如下： 1. 用細(xì)實(shí)線(0.3mm)畫出設(shè)備簡(jiǎn)單外形，設(shè)備一般按1:100或1:50的比例繪制，如某種設(shè)備過高(如精餾塔)，過大或過小，則可適當(dāng)放大或縮?。? 2. 常用設(shè)備外形可參照?qǐng)D0-1所示，對(duì)于無示例的設(shè)備可繪出其象征性的簡(jiǎn)單外形，表明設(shè)備的特征即可； 3. 用粗實(shí)線(0.9mm)畫出連接設(shè)備的主要物料管線，并注出流向箭頭； 4. 物料平衡數(shù)據(jù)可直接在物料管道上用細(xì)實(shí)線引出并列成表； 5. 輔助物料管道(如冷卻水、加熱蒸汽等)，用中粗實(shí)線(0.6mm)表示； 6. 設(shè)備的布置原則上按流程圖由左至右，圖上一律不標(biāo)示設(shè)備的支腳、支架和平臺(tái)等，一般情況下也不標(biāo)注尺寸。 工藝物料的介質(zhì)代碼自行編制，一般以分子式及其編寫字母表示。輔助物料如公用系統(tǒng)介質(zhì)代號(hào)規(guī)定如表0-1。 代號(hào) 中文名稱 代號(hào) 中文名稱 W 水 S 蒸汽 BW 鍋爐給水 HS 高壓蒸汽 BR 鹽水 LS 低壓蒸汽 BRR 鹽水回水 MS 中壓蒸汽 BRS 鹽水補(bǔ)給水 C 冷凝液 CW (循環(huán))冷卻水 PWW 生產(chǎn)廢水 CWR (循環(huán))冷卻回水 CS 化學(xué)污水 RW 冷卻水 (用于零度以上) RW 冷凍回水 表0-1 輔助物料和共用系數(shù)介質(zhì)代號(hào) 圖上應(yīng)標(biāo)注單元設(shè)備的代號(hào)，單元設(shè)備分類代號(hào)見表0-2。 表0-2 單元設(shè)備分類代號(hào) 單元設(shè)備 代號(hào) 單元設(shè)備 代號(hào) 現(xiàn)場(chǎng)裝置,基礎(chǔ),混凝土構(gòu)件 轉(zhuǎn)化器,反應(yīng)器,再生器 槽、儲(chǔ)罐 泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī) 特殊裝置 儀表 A D F J L Q 爐子 換熱器 塔 管道 電氣 B C E M N 四、主體設(shè)備工藝條件圖 主體設(shè)備是指在每個(gè)單元操作中處于核心地位的關(guān)鍵設(shè)備，如傳熱中的換熱器，蒸發(fā)中的蒸發(fā)器，蒸餾和吸收中的塔設(shè)備(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主體設(shè)備在不同單元操作中是不同的，即使同一設(shè)備在不同單元操作中其作用也不相同，如某一設(shè)備在某個(gè)單元操作中為主體設(shè)備，而在另一單元操作中就可變?yōu)檩o助設(shè)備。例如，換熱器在傳熱中為主體設(shè)備，而在精餾或干燥操作中就變?yōu)檩o助設(shè)備。泵、壓縮機(jī)等也有類似情況。 主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算結(jié)果用一張總圖表示出來。圖面上應(yīng)包括如下內(nèi)容: 1. 設(shè)備圖形 指主要尺寸(外形尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸、連接尺寸)、接管、人孔等； 圖0-1 流程圖設(shè)備外形圖例 2. 技術(shù)特性 指裝置的用途、生產(chǎn)能力、最大允許壓強(qiáng)、最高介質(zhì)溫度、介質(zhì)的毒性和爆炸危險(xiǎn)性； 3. 設(shè)備組成一覽表 注明組成設(shè)備的各部件的名稱等。 應(yīng)予以指出，以上設(shè)計(jì)全過程統(tǒng)稱為設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)。完整的設(shè)備設(shè)計(jì)，應(yīng)在上述工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)，最后提供可供加工制造的施工圖。這一環(huán)節(jié)在高等院校的教學(xué)中，屬于化工機(jī)械專業(yè)中的專業(yè)課程，在設(shè)計(jì)部門則屬于機(jī)械設(shè)計(jì)組的職責(zé)。 第一節(jié) 概 述 1.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： (１) 氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 (２) 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 (３) 流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 (４) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 (５) 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 (６) 塔內(nèi)的滯留量要小。 實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。 1.2板式塔類型 氣－液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計(jì)將在其他分冊(cè)中作詳細(xì)介紹，故本書將只介紹板式塔。 板式塔為逐級(jí)接觸型氣－液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣－液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。 板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論浮閥塔與篩板塔的設(shè)計(jì)。 1.2.1篩板塔 篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： (１) 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60％，為浮閥塔的80％左右。 (２) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加10～15％。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。 (４) 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30％左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： (１) 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 (２) 操作彈性較小(約2～3)。 (３) 小孔篩板容易堵塞。 1.2.2浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動(dòng)的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。國外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。 浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)： (１) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加20～40％，而接近于篩板塔。 (２) 操作彈性大，一般約為5～9，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。 (４) 壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為400～660N/m2。 (５) 液面梯度小。 (６) 使用周期長(zhǎng)。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。 (７) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的60～80％,為篩板塔的120～130％。 本書雖未包括其它塔板的設(shè)計(jì)資料，但其設(shè)計(jì)的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體條件進(jìn)行板塔的選型，而不限于選用上述兩種塔板。 1.3精餾塔的設(shè)計(jì)步驟 本設(shè)計(jì)按以下幾個(gè)階段進(jìn)行： (１) 設(shè)計(jì)方案確定和說明。根據(jù)給定任務(wù)，對(duì)精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 （２）蒸餾塔的工藝計(jì)算，確定塔高和塔徑。 （３）塔板設(shè)計(jì)：計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算。接管尺寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。 （４）管路及附屬設(shè)備的計(jì)算與選型，如再沸器、冷凝器。 (5) 抄寫說明書。 (6) 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定 2.1操作條件的確定 確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測(cè)量控制儀表的設(shè)置等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，對(duì)某些問題作些闡述。 2.1.1操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如，采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。 2.1.2 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。 2.1.3加熱方式 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。若塔底產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液)，便可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳熱面。這樣，可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。但對(duì)有些物系(如酒精與水的二元混合液)，當(dāng)殘液的濃度稀薄時(shí)，溶液的相對(duì)揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。 值得提及的是，采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于酒精水溶液，一般采用0.4~0.7KPa（表壓）。 飽和水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關(guān)系，其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。同時(shí)，飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價(jià)格較低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過180℃時(shí)，應(yīng)考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。 當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的提高對(duì)鍋爐提出了更高的要求。同時(shí)對(duì)于釜液的沸騰，溫度差過大，形成膜狀沸騰，反而對(duì)傳熱不利。 2.1.4冷卻劑與出口溫度 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計(jì)者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時(shí)溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50℃，否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。 2.1.5熱能的利用 精餾過程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。 選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降至最低。與此同時(shí)，合理利用精餾過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。 若不計(jì)進(jìn)料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級(jí)低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。 此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程[1]，可以提高精餾塔的熱力學(xué)效率。因?yàn)樵O(shè)置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。 2.2確定設(shè)計(jì)方案的原則 確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)： (1) 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測(cè)生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。 (2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。 降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務(wù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價(jià)廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。 (3) 保證安全生產(chǎn) 例如酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌漫車間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。 以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。 第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計(jì)算 精餾塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，塔板的布置，塔板流體力學(xué)性能的校核及繪出塔板的性能負(fù)荷圖。 3.1 物料衡算與操作線方程 通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成和進(jìn)料流量、組成之間的關(guān)系。物料衡算主要解決以下問題： （1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)所給定的處理原料量、原料濃度及分離要求（塔頂、塔底產(chǎn)品的濃度）計(jì)算出每小時(shí)塔頂、塔底的產(chǎn)量； （2）在加料熱狀態(tài)q和回流比R選定后，分別算出精餾段和提餾段的上升蒸汽量和下降液體量； （3）寫出精餾段和提餾段的操作線方程，通過物料衡算可以確定精餾塔中各股物料的流量和組成情況，塔內(nèi)各段的上升蒸汽量和下降液體量，為計(jì)算理論板數(shù)以及塔徑和塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。 通常，原料量和產(chǎn)量都以kg/h或噸/年來表示，但在理想板計(jì)算時(shí)均須轉(zhuǎn)換為kmol/h。在設(shè)計(jì)時(shí)，汽液流量又須用m3/s來表示。因此要注意不同的場(chǎng)合應(yīng)使用不同的流量單位。 3.1.1 常規(guī)塔 常規(guī)塔指僅有一處進(jìn)料和塔頂、塔底各有一個(gè)產(chǎn)品，塔釜間接蒸汽加熱的精餾塔。 （1）全塔總物料衡算 總物料 F = D + W （3-1） 易揮發(fā)組分 FχF = DχD + WχW （3-2） 若以塔頂易揮發(fā)組分為主要產(chǎn)品，則回收率η為 （3-3） 式中 F、D、W——分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃毫髁?，kmol/h； χF、χD、χW——分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率。 由（3-1）和（3-2）式得： （3-4） （3-5） （2）操作線方程 （?。┚s段 上升蒸汽量： （3-6） 下降液體量： （3-7） 操作線方程： （3-8） 或： （3-8a） 式中 R —— 回流比； χn —— 精餾段內(nèi)第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率； Уn+1——精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。 （ⅱ）提餾段 上升蒸汽量： （3-9） 或： (3-10) 下降液體量： （3-11） 操作線方程： （3-12） 式中：χ’m—— 提餾段內(nèi)第m層板下降液體中易揮發(fā)組分摩爾分率； У’m+1——提餾段內(nèi)第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分摩爾分率。 (3) 進(jìn)料線方程（ q線方程） （3-13） 3.1.2 直接蒸汽加熱 （1）全塔總物料衡算 總物料 （3-14） 易揮發(fā)組分 （3-15）式中 V0 ——直接加熱蒸汽的流量，kmol/h； У0 ——加熱蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率，一般У0=0； W* ——直接蒸汽加熱時(shí)釜液流量，kmol/h； χ*W——直接蒸汽加熱時(shí)釜液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。 由（3-14）和（3-15）式得： W* = W + V0 （3-16） （3-17）(2) 操作線方程 （?。┚s段（同常規(guī)塔） （3-18） 式中 R —— 回流比； χn————精餾段內(nèi)第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率； Уn+1————精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。 （ⅱ）提餾段 操作線方程： （3-19） 與間接加熱時(shí)一樣，所不同的是間接加熱時(shí)提餾段操作線終點(diǎn)是（χW,χW），而直接蒸汽加熱時(shí)，當(dāng)У′m+1=0 時(shí)，χ′m=χ*W，因此提餾段操作線與X軸相交于點(diǎn)（χ*W ，0）。 第四節(jié) 板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括塔高、塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算，板上液流形式的選擇、溢流裝置的設(shè)計(jì)，塔板布置、氣體通道的設(shè)計(jì)等工藝計(jì)算。 板式塔為逐級(jí)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，沿塔方向，每層板的組成、溫度、壓力都不同。設(shè)計(jì)時(shí)，先選取某一塔板（例如進(jìn)料或塔頂、塔底）條件下的參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，以此確定塔的尺寸，然后再作適當(dāng)調(diào)整；或分段計(jì)算，以適應(yīng)兩段的氣液相體積流量的變化，但應(yīng)盡量保持塔徑相同，以便于加工制造。 所設(shè)計(jì)的板式塔應(yīng)為氣液接觸提供盡可能大的接觸面積，應(yīng)盡可能地減小霧沫夾帶和氣泡夾帶，有較高的塔板效率和較大的操作彈性。但是由于塔中兩相流動(dòng)情況和傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，許多參數(shù)和塔板尺寸需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選取，而參數(shù)與尺寸之間又彼此互相影響和制約，因此設(shè)計(jì)過程中不可避免要進(jìn)行試差，計(jì)算結(jié)果也需要工程標(biāo)準(zhǔn)化?；谝陨显?，在設(shè)計(jì)過程中需要不斷地調(diào)整、修正、和核算，直到設(shè)計(jì)出較為滿意的板式塔。 4.1塔的有效高度和板間距的初選 4.1.1塔的有效高度 板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，可按下式計(jì)算： （4-1） 式中 Z——塔的有效高度，m； ET——全塔總板效率； NT ——塔內(nèi)所需的理論板層數(shù)； HT——塔板間距，m。 4.1.2板間距的初選 板間距NT的選定很重要。選取時(shí)應(yīng)考慮塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作彈性及塔的安裝檢修等因素。 對(duì)完成一定生產(chǎn)任務(wù)，若采用較大的板間距，能允許較高的空塔氣速，對(duì)塔板效率、操作彈性及安裝檢修有利；但板間距增大后，會(huì)增加塔身總高度，金屬消耗量，塔基、支座等的負(fù)荷，從而導(dǎo)致全塔造價(jià)增加。反之，采用較小的板間距，只能允許較小的空塔氣速，塔徑就要增大，但塔高可降低；但是板間距過小，容易產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，降低板效率。所以在選取板間距時(shí)，要根據(jù)各種不同情況予以考慮。如對(duì)易發(fā)泡的物系，板間距應(yīng)取大一些，以保證塔的分離效果。板間距與塔徑之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，反復(fù)調(diào)整，已做出最佳選擇。設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)塔徑的大小，由表4-1列出的塔板間距的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取。 表4-1 塔板間距與塔徑的關(guān)系 塔 徑/D，m 0.3～0.5 0.5～0.8 0.8～1.6 1.6～2.4 2.4～4.0 板間距/HT，mm 200～300 250～350 300～450 350～600 400～600 化工生產(chǎn)中常用板間距為：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在決定板間距時(shí)還應(yīng)考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處，應(yīng)留有足夠的工作空間，其值不應(yīng)小于600mm。 4.2 塔徑 塔的橫截面應(yīng)滿足汽液接觸部分的面積、溢流部分的面積和塔板支承、固定等結(jié)構(gòu)處理所需面積的要求。在塔板設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用，往往是氣液接觸部分的面積，應(yīng)保證有適宜的氣體速度。 計(jì)算塔徑的方法有兩類：一類是根據(jù)適宜的空塔氣速，求出塔截面積，即可求出塔徑。另一類計(jì)算方法則是先確定適宜的孔流氣速，算出一個(gè)孔（閥孔或篩孔）允許通過的氣量，定出每塊塔板所需孔數(shù)，再根據(jù)孔的排列及塔板各區(qū)域的相互比例，最后算出塔的橫截面積和塔徑。 4.2.1初步計(jì)算塔徑 板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計(jì)算，即 （4-2） 式中 D —— 塔徑m； Vs —— 塔內(nèi)氣體流量m3/s； u —— 空塔氣速m/s。 由式（4-2）可見，計(jì)算塔徑的關(guān)鍵是計(jì)算空塔氣速u。設(shè)計(jì)中，空塔氣速u的計(jì)算方法是，先求得最大空塔氣速umax，然后根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，乘以一定的安全系數(shù)，即 (4-3) 最大空塔氣速umax可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導(dǎo)出，其結(jié)果為 （4-4） 式中 umax——允許空塔氣速，m/s； ρV，ρL——分別為氣相和液相的密度，kg/m3 ； C——?dú)怏w負(fù)荷系數(shù)，m/s，對(duì)于浮閥塔和泡罩塔可用圖4-1確定； 圖4-1中的氣體負(fù)荷參數(shù)C20僅適用于液體的表面張力為0.02N/m，若液體的表面張力為6N/m，則其氣體負(fù)荷系數(shù)C可用下式求得： （4-5） 所以，初步估算塔徑為： （4-6） 其中，u——適宜的空塔速度，m/s。 由于精餾段、提餾段的汽液流量不同，故兩段中的氣體速度和塔徑也可能不同。在初算塔徑中，精餾段的塔徑可按塔頂?shù)谝粔K板上物料的有關(guān)物理參數(shù)計(jì)算，提餾段的塔徑可按釜中物料的有關(guān)物理參數(shù)計(jì)算。也可分別按精餾段、提餾段的平均物理參數(shù)計(jì)算。 4.2.2塔徑的圓整 目前，塔的直徑已標(biāo)準(zhǔn)化。所求得的塔徑必須圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。塔徑在1米以下者，標(biāo)準(zhǔn)化先按100mm增值變化；塔徑在1米以上者，按200mm增值變化，即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm…… 圖4-1 史密斯關(guān)聯(lián)圖 圖中 HT——塔板間距，m； hL——板上液層高度，m；V ,L——分別為塔內(nèi)氣、液兩相體積流量，m3/s； ρV，ρL ——分別為塔內(nèi)氣、液相的密度，kg/m3 。 4.2.3 塔徑的核算 塔徑標(biāo)準(zhǔn)化以后，應(yīng)重新驗(yàn)算霧沫夾帶量，必要時(shí)在此先進(jìn)行塔徑的調(diào)整，然后再?zèng)Q定塔板結(jié)構(gòu)的參數(shù)，并進(jìn)行其它各項(xiàng)計(jì)算。 當(dāng)液量很大時(shí)，亦宜先按式4-7核查一下液體在降液管中的停留時(shí)間θ。如不符合要求，且難以加大板間距來調(diào)整時(shí)，也可在此先作塔徑的調(diào)整。 第五節(jié) 板式塔的結(jié)構(gòu) 5.1 塔的總體結(jié)構(gòu) 塔的外殼多用鋼板焊接，如外殼采用鑄鐵鑄造，則往往以每層塔板為一節(jié)，然后用法蘭連接。 板式塔除內(nèi)部裝有塔板、降液管及各種物料的進(jìn)出口之外，還有很多附屬裝置，如除沫器、人（手）孔、基座，有時(shí)外部還有扶梯或平臺(tái)。此外，在塔體上有時(shí)還焊有保溫材料的支承圈。為了檢修方便，有時(shí)在塔頂裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的吊柱。如圖5-1為一板式塔的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。一般說來，各層塔板的結(jié)構(gòu)是相同的，只有最高一層，最低一層和進(jìn)料層的結(jié)構(gòu)有所不同。最高一層塔板與塔頂?shù)木嚯x常大于一般塔板間距，以便能良好的除沫。最低一層塔板到塔底的距離較大，以便有較大的塔底空間貯液，保證液體能有10～15min的停留時(shí)間，使塔底液體不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器來的蒸氣，塔底與再沸器間有管路連接，有時(shí)則再塔底釜中設(shè)置列管或蛇管換熱器，將釜中液體加熱汽化。若是直接蒸汽加熱，則在釜的下部裝一鼓泡管，直接接入加熱蒸汽。另外，進(jìn)料板的板間距也比一般間距大。 5.2 塔體總高度 板式塔的塔高如圖5-2所示，塔體總高度（不包括裙座）由下式?jīng)Q定： (5-1)式中 HD——塔頂空間，m； HB——塔底空間，m； HT——塔板間距，m； HT’——開有人孔的塔板間距，m； HF——進(jìn)料段高度，m； Np——實(shí)際塔板數(shù)； S——人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。 5.2.1塔頂空間HD 塔頂空間（見圖5-2）指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，通常取HD為（ 1.5～2.0）HT。若圖5-2 塔高示意圖需要安裝除沫器時(shí)，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間。 5.2.2人孔數(shù)目 人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。對(duì)于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可隔8～10塊塔板設(shè)置一個(gè)人孔；對(duì)于易結(jié)垢、結(jié)焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔4～6塊塔板開一個(gè)人孔。人孔直徑通常為450mm。 圖5-1 板式塔總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 5.2.3塔底空間HB 塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值視具體情況而定：當(dāng)進(jìn)料有15分鐘緩沖時(shí)間的容量時(shí)，塔底產(chǎn)品的停留時(shí)間可取3～5分鐘，否則需有10～15分鐘的儲(chǔ)量，以保證塔底料液不致流空。塔底產(chǎn)品量大時(shí)，塔底容量可取小些，停留時(shí)間可取3～5分鐘；對(duì)易結(jié)焦的物料，停留時(shí)間應(yīng)短些，一般取1～1.5分鐘。 5.3 塔板結(jié)構(gòu) 塔板類型按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為整塊式或分塊式兩種。一般，塔徑從300～900mm時(shí)采用整塊式塔板；當(dāng)塔徑在800mm以上時(shí)，人已能在塔內(nèi)進(jìn)行拆裝操作，無須將塔板整塊裝入。并且，整塊式塔板在大塔中剛性也不好，結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜，故采用分塊式塔板；塔徑在800～900mm之間，設(shè)計(jì)時(shí)可按便于制造、安裝的具體情況選定。 5.3.1整塊式塔板結(jié)構(gòu) 小塔的塔板均做成整塊式的，相應(yīng)地，塔體則分成若干段塔節(jié)，塔節(jié)與塔節(jié)之間用法蘭連接。每個(gè)塔節(jié)中安裝若干塊疊置起來的塔板。塔板與塔板之間用一段管子支承，并保持所需要的板間距。圖5-3為整塊式塔板中的定距管式塔板結(jié)構(gòu)。塔節(jié)內(nèi)的板數(shù)與塔徑和板間距有關(guān)。如以塔徑Dg=600～700mm的塔節(jié)為例，對(duì)應(yīng)于不同的板間距， 圖5-2 板式塔的塔高 塔節(jié)內(nèi)安裝的塔板數(shù)NˊF塔板與下法蘭端面的距離h1以及塔節(jié)高度L如表5-1所示。 表5-1 塔板的有關(guān)尺寸 HT,mm Nˊ L,mm h1,mm 300 6 1800 200 350 5 1750 250 450 4 1800 350 第六節(jié) 精餾裝置的附屬設(shè)備 精餾裝置的主要附屬設(shè)備包括蒸氣冷凝器、產(chǎn)品冷凝器、塔底再沸器、原料預(yù)熱器、直接蒸汽鼓管、物料輸送管及泵等。前四種設(shè)備本質(zhì)上屬換熱器，并多采用列管式換熱器，管線和泵屬輸送裝置。下面簡(jiǎn)要介紹。 6.1 回流冷凝器 按冷凝器與塔的位置，可分為：整體式、自流式和強(qiáng)制循環(huán)式。 （1）整體式 如圖6-1(a)和(b)所示。將冷凝器與精餾塔作成一體。這種布局的優(yōu)點(diǎn)是上升蒸汽壓降較小，蒸汽分布均勻，缺點(diǎn)是塔頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便維修，當(dāng)需用閥門、流量計(jì)來調(diào)節(jié)時(shí)，需較大位差，須增大塔頂板與冷凝器間距離，導(dǎo)致塔體過高。 該型式常用于減壓精餾或傳熱面較小場(chǎng)合。 圖6-1 冷凝器的型式 （2）自流式 如圖6-1（c）所示。將冷凝器裝在塔頂附近的臺(tái)架上，靠改變臺(tái)架的高度來獲得回流和采出所需的位差。 （3）強(qiáng)制循環(huán)式 如圖6-1（D）、（e）所示。當(dāng)冷凝器換熱面過大時(shí)，裝在塔頂附近對(duì)造價(jià)和維修都是不利的，故將冷凝器裝在離塔頂較遠(yuǎn)的低處，用泵向塔提供回流液。 需指出的是，在一般情況下，冷凝器采用臥式，因?yàn)榕P式的冷凝液膜較薄，故對(duì)流傳熱系數(shù)較大，且臥式便于安裝和維修。 6.2 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選型 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選型的核心是計(jì)算換熱器的傳熱面積，進(jìn)而確定換熱器的其它尺寸或選擇換熱器的型號(hào)。 6.2.1流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算 （1）管程流動(dòng)阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對(duì)于多程換熱器，其阻力ΣΔpi等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般情況下進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為 (6-1) 式中 ΔP1、ΔP2——分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa； Ft——結(jié)垢校正因數(shù)，對(duì)Φ25mm2.5mm的管子取1.4；對(duì)Φ19mm2mm的管子取1.5； NP——管程數(shù)； Ns——串聯(lián)的殼程數(shù)。 上式中直管壓強(qiáng)降ΔP1可按第一章中介紹的公式計(jì)算；回彎管的壓強(qiáng)降ΔP2由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算，即 (6-2) （2）殼程流動(dòng)阻力 殼程流動(dòng)阻力的計(jì)算公式很多，在此介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降ΔP0的公式，即 (6-3) 式中 ΔP1’——流體橫過管束的壓強(qiáng)降，Pa； ΔP2’——流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降，Pa； FS——?dú)こ虊簭?qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)；液體可取1.15，氣體可取1.0。 (6-4) 式中 F——管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列F=0.5，對(duì)轉(zhuǎn)角三角形為0.4，正方形為0.3； f0——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)； Nc ——橫過管束中心線的管子數(shù)；Nc值可由下式估算： 管子按正三角形排列： (6-5) 管子按正方形排列： (6-6) 式中 n——換熱器總管數(shù)。 NB——折流擋板數(shù)； h——折流擋板間距； u0——按殼程流通截面積A0計(jì)算的流速，m/s，而A0=h(D-ncd0)。 6.2.2管殼式換熱器的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 (1)計(jì)算并初選設(shè)備規(guī)格 a．確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑 b．根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。 c．確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的形式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性。 d．計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。 e．依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選擇總傳熱系數(shù)K值。 f．由總傳熱速率方程Q = KSΔtm，初步計(jì)算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸（如D、L、n及管子在管板上的排列等），或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 （2）計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓降不符合要求，要調(diào)整流速，在確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。 （3）核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rsi和Rso，在計(jì)算總傳熱系數(shù)K’，比較K的初設(shè)值和計(jì)算值，若K’ /K=1.15～1.25，則初選的換熱器合適。否則需另設(shè)K值，重復(fù)以上計(jì)算步驟。 6.3 再沸器 精餾塔底的再沸器可分為：釜式再沸器、熱虹吸式再沸器及強(qiáng)制循環(huán)再沸器。 （1）釜式式再沸器 如圖6-2（a）和（b）所示。（a）是臥式再沸器，殼方為釜液沸騰，管內(nèi)可以加熱蒸汽。塔底液體進(jìn)入底液池中，再進(jìn)入再沸器的管際空間被加熱而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一塊塔板的下面，部分液體則通過再沸器內(nèi)的垂直擋板，作為塔底產(chǎn)物被引出。液體的采出口與垂直塔板之間的空間至少停留8～10分鐘，以分離液體中的氣泡。為減少霧沫夾帶，再沸器上方應(yīng)有一分離空間，對(duì)于小設(shè)備，管束上方至少有300mm高的分離空間，對(duì)于大設(shè)備，取再沸器殼徑為管束直徑的1.3～1.6倍。 （b）是夾套式再沸器，液面上方必須留有蒸發(fā)空間，一般液面維持在容積的70%左右。夾套式再沸器，常用于傳熱面較小或間歇精餾中。 （2）熱虹吸式再沸器 如圖6-2（c）、（D）、（e）所示。它是依靠釜內(nèi)部分汽化所產(chǎn)生的汽、液混合物其密度小于塔底液體密度，由密度差產(chǎn)生靜壓差使液體自動(dòng)從塔底流入再沸器，因此該種再沸器又稱自然循環(huán)再沸器。這種型式再沸器汽化率不大于40%，否則傳熱不良。 （3）強(qiáng)制循環(huán)再沸器 如圖6-2中（f）所示。對(duì)于高粘度液體和熱敏性氣體，宜用泵強(qiáng)制循環(huán)式再沸器，因流速大、停留時(shí)間短，便于控制和調(diào)節(jié)液體循環(huán)量。 原料預(yù)熱器和產(chǎn)品冷卻器的型式不象塔頂冷凝器和塔底再沸器的制約條件那樣多，可按傳熱原理計(jì)算。 圖6-2 再沸器的型式 6.4接管直徑 各接管直徑由流體速度及其流量，按連續(xù)性方程決定，即： （6-7）式中：VS——流體體積流量，m3/ s； u——流體流速，m/ s； d——管子直徑，m。 （1）塔頂蒸氣出口管徑DV 蒸氣出口管中的允許氣速UV應(yīng)不產(chǎn)生過大的壓降，其值可參照表6-1。 表6-1 蒸氣出口管中允許氣速參照表 操作壓力（絕壓） 常壓 1400～6000Pa ＞6000 Pa 蒸汽速度/m/s 12～20 30～50 50～70 （2）回流液管徑DR 冷凝器安裝在塔頂時(shí)，冷凝液靠重力回流，一般流速為0.2～0.5m/s，速度太大，則冷凝器的高度也相應(yīng)增加。用泵回流時(shí)，速度可取1.5～2.5m/s。 （3）進(jìn)料管徑dF 料液由高位槽進(jìn)塔時(shí)，料液流速取0.4～0.8m/s。由泵輸送時(shí)，流速取為1.5～2.5 m/s。 （4）釜液排除管徑dW 釜液流出的速度一般取0.5～1.0m/s。 （5）飽和水蒸氣管 飽和水蒸氣壓力在295kPa（表壓）以下時(shí)，蒸氣在管中流速取為20～40m/s；表壓在785 kPa以下時(shí)，流速取為40～60m/s；表壓在2950 kPa以上時(shí)，流速取為80m/s。 6.4加熱蒸氣鼓泡管 加熱蒸氣鼓泡管（又叫蒸氣噴出器）若精餾塔采用直接蒸氣加熱時(shí)，在塔釜中要裝開孔的蒸氣鼓泡管。使加熱蒸氣能均勻分布與釜液中。其結(jié)構(gòu)為一環(huán)式蒸氣管，管子上適當(dāng)?shù)拈_一些小孔。當(dāng)小孔直徑小時(shí)，汽泡分布的更均勻。但太小不僅增加阻力損失，而且容易堵塞。其孔直徑一般為5～10mm，孔距為孔徑的5～10倍。小孔總面積為鼓泡管橫截面積的1.2～1.5倍，管內(nèi)蒸氣速度為20～25m/s。加熱蒸氣管距釜中液面的高度至少在0.6m以上，以保證蒸氣與溶液有足夠的接觸時(shí)間。 6.5離心泵的選擇 離心泵的選擇，一般可按下列的方法與步驟進(jìn)行： （1）確定輸送系統(tǒng)的流量與壓頭 液體的輸送量一般為生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定，如果流量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，選泵時(shí)應(yīng)按最大流量考慮。根據(jù)輸送系統(tǒng)管路的安排，用柏努利方程計(jì)算在最大流量下管路所需的壓頭。 （2）選擇泵的類型與型號(hào) 首先應(yīng)根據(jù)輸送液體的性質(zhì)和操作條件確定泵的類型，然后按已確定的流量Qe和壓頭He從泵的樣本或產(chǎn)品目錄中選出合適的型號(hào)。顯然，選出的泵所提供的流量和壓頭不見得與管路要求的流量Qe和壓頭He完全相符，且考慮到操作條件的變化和備有一定的裕量，所選泵的流量和壓頭可稍大一點(diǎn)，但在該條件下對(duì)應(yīng)泵的效率應(yīng)比較高，即點(diǎn)（Qe、He）坐標(biāo)位置應(yīng)靠在泵的高效率范圍所對(duì)應(yīng)的H-Q曲線下方。另外，泵的型號(hào)選出后，應(yīng)列出該泵的各種性能參數(shù)。 （3）核算泵的軸功率 若輸送液體的密度大于水的密度時(shí)，可按核算泵的軸功率。 附錄 技術(shù)要求 1. 本塔鋼殼部分按JB741-65《碳素鋼及不銹耐酸鋼旱制容器技術(shù)條件》進(jìn)行制造，試驗(yàn)和驗(yàn)收。襯鋁部分按JB1580-65《碳素鋼及不銹耐酸鋼旱制容器技術(shù)條件》進(jìn)行制造，試驗(yàn)和驗(yàn)收。 2. 鋼部分焊接采用電焊，焊條標(biāo)號(hào)為T42，焊縫形式按HGJ15-89標(biāo)準(zhǔn)，襯鋁部分焊接采用氬弧焊（或氣焊），焊條采用LF2或高一級(jí)的鋁，焊縫坡口形式及尺寸按錄制廠之規(guī)行規(guī)范。 3. 翻遍法蘭的緊密面必須平整，不得有局部凹坑，毛刺，刮傷，裂痕等影響密封的缺陷 4. 塔體彎度應(yīng)小于1/1000塔高，總彎度小于20mm，塔體安裝垂直偏差不超過塔高的1/1000，且不大于15mm。 5. 塔盤零部件，塔盤支持件的制造，安裝，試驗(yàn)和驗(yàn)收按JB1205-80《浮閥塔盤技術(shù)條件》（其中第12條除外）中的相應(yīng)要求進(jìn)行。 6. 塔體外殼制成后，表面清理，并以0.25MPa進(jìn)行水壓試驗(yàn)，襯鋁后充水試漏（下部的襯頭開數(shù)個(gè)Φ5小孔觀察之）然后以0.5進(jìn)行水壓試驗(yàn). 7. 溢流堰的水平偏差不得超過0.5mm，高度偏差不得超過0.5mm。 8. 升氣管伸出塔板的高度偏差不得超過0.5mm。 技術(shù)特性表 序號(hào) 名稱 指標(biāo) 1 工作壓力/MPa 0.004 2 工作溫度/℃ 進(jìn)料 塔底 塔頂 3 介質(zhì) 苯—甲苯 4 塔板層數(shù) 5 設(shè)備高度/m 管口表 序號(hào) 公稱尺寸 連接尺寸標(biāo)準(zhǔn) 連接面形式 用途或名稱 a HGJ49-91PN2.5DN45 平面 進(jìn)料口 b HGJ49-91PN2.5DN45 平面 進(jìn)料口 c HGJ49-91PN2.5DN32 平面 回流液口 d HGJ49-91PN2.5DN25 平面 N2出口 e HGJ49-91PN2.5DN273 平面 氣體出口 f HGJ49-91PN2.5DN40 平面 溫度計(jì)口 i HGJ49-91PN2.5DN38 平面 出料口 j1-7 平面 入孔口 42 接管中Φ273*11 L=200 1 A3F 10.5 41 墊片Φ1000/1056 δ=3 1 石棉橡膠 / 40 JB4701-92 法蘭Pg10 DN1000 2 A3F 31.5 63 39 GB6170-86 螺母M20 36 A3F 0.062 2.