3.3　設(shè)計方案的確定

板式塔的種類很多，但其設(shè)計方案的確定及設(shè)計原則大同小異。一般來說，確定設(shè)計方案就是要確定整個精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式及一些操作指標。比如操作壓力、組分的分離順序、進料狀態(tài)以及余熱利用方案及安全、調(diào)節(jié)控制儀表的設(shè)置等。

3.3.1　確定設(shè)計方案的原則

總的原則是盡可能選用當前先進并且成熟的研究成果，從而使生產(chǎn)在滿足安全的前提下，達到技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理的要求。

①滿足工藝和操作的要求。

②滿足經(jīng)濟上的要求。

③保證安全生產(chǎn)、環(huán)保達標的要求。

對于化工原理課程設(shè)計來說，原則上須著重考慮第一個原則，對第二個原則僅做定性考慮，而對第三個原則要求做一般性思考。

3.3.2　收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

正式設(shè)計開始以前應(yīng)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下。

①物料物性數(shù)據(jù)（如黏度、密度、相對揮發(fā)度、表面張力等）。

②物料的熱力學(xué)狀態(tài)。

③分離要求。

④進料流量及組成。

⑤冷卻介質(zhì)及其溫度、加熱介質(zhì)及其溫度。

3.3.3　確定工藝流程

精餾裝置一般包括塔頂冷凝器、塔底再沸器、預(yù)熱器和輸送泵等。流程選擇應(yīng)同時考慮安全性、經(jīng)濟性及操作穩(wěn)定性。

（1）物料的輸送方式

原料可經(jīng)泵由原料槽直接輸送至塔內(nèi)，也可經(jīng)由高位槽送料。產(chǎn)品由泵送至下一個工序。

（2）工藝參數(shù)的檢測及自動調(diào)控

操作壓力、氣速、溫度、流量、液位等參數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、安全生產(chǎn)的重要參數(shù)，必須在適當位置設(shè)置檢測變送器，將檢測信號一方面送至顯示儀表顯示，一方面送至調(diào)節(jié)器，當工藝參數(shù)超出設(shè)定值以后進行自動調(diào)節(jié)，使其能夠重新調(diào)整至設(shè)定范圍內(nèi)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）冷凝器及再沸器的選用

當塔頂汽相出料時，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器，以便于準確地控制回流比。對于小塔，通常將冷凝器放于塔頂，采用重力回流。對于大塔，冷凝器可放至適當位置，用泵進行強制回流。

再沸器的選用和安裝正確與否直接影響到設(shè)備的正常運行和產(chǎn)品的質(zhì)量。再沸器的結(jié)構(gòu)形式有立式熱虹吸式、臥式熱虹吸式、強制循環(huán)式。強制循環(huán)再沸器適用于進料黏度大或者含有固體顆粒的狀況，但是費用較高。當傳熱量較小時，可選用立式熱虹吸式再沸器，當傳熱量較大時，可選用臥式熱虹吸式再沸器。選用再沸器結(jié)構(gòu)形式時，首先要滿足工藝的要求，在此前提下，可對各類型再沸器進行綜合比較。

（4）能量集成

精餾過程操作是多次重復(fù)地進行部分汽化及部分冷凝的過程，能耗較高。進入再沸器的能量當中，約有95％以上被塔頂冷凝器的冷卻介質(zhì)帶走。塔頂蒸氣和塔底餾出液都有余熱可以利用，只是這些余熱的品位高低不一，需分別考慮區(qū)別對待。

通常，提供給塔底再沸器的熱量，其溫度要高于再沸器的蒸汽的露點溫度，而從塔頂冷凝器取走的熱量，其溫度要低于餾出液的泡點溫度。若設(shè)置中間再沸器可以利用溫度比塔底低的熱源，而設(shè)置中間冷凝器則可以利用溫度比塔頂高的熱源。

選取適當?shù)幕亓鞅龋墒鼓芎慕档汀５牵瑑H就精餾操作本身，采用節(jié)能措施所取得的效果是有限的，更為可觀的節(jié)能方式是將精餾過程與全系統(tǒng)一同考慮，進行全過程系統(tǒng)的能量集成與綜合，可以增大回流比，但不一定增加系統(tǒng)能耗。

【案例分析7】譬如乙醇-水混合液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱，進料狀況為汽液混合物q=1送入精餾塔，塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余經(jīng)塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻后，送至儲罐，塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品冷卻后，送入儲罐。其流程如圖3-7所示。

3.3.4　確定操作條件

（1）操作壓力、溫度

精餾操作可在常壓、加壓和減壓下進行。若條件允許，最好在常壓或稍高于常壓下進行。確定操作壓力時，必須考慮所處理物料的性質(zhì)。對于熱敏性物料，可采用減壓操作，有利于分離。對于常壓下呈氣體的物料，則應(yīng)選擇加壓操作。當操作壓力增大時，操作溫度也將升高，組分間的相對揮發(fā)度減小，所需要的塔板數(shù)增加。另外，還應(yīng)當考慮選用的冷卻介質(zhì)溫度以及塔板阻力，以便確定塔頂、塔底的操作壓力。

（2）進料狀態(tài)

進料狀態(tài)與塔的熱負荷、回流比、塔的結(jié)構(gòu)等因素都有密切關(guān)系。進料狀態(tài)有多種，但是一般都是將物料預(yù)熱到泡點溫度或接近泡點溫度才送入塔中。采用泡點進料方式時，精餾段與提餾段可有相同的塔徑，給設(shè)計和制造帶來方便，此時需要增設(shè)原料預(yù)熱器。如果遇到溫度過高時物料產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，則適宜采用氣態(tài)進料。進料時熱量應(yīng)盡可能由塔底輸入，使產(chǎn)生的汽相回流在全塔發(fā)揮作用。

（3）加熱方式

通常采用的加熱方式是在塔底設(shè)置再沸器，利用蒸汽間接加熱。在特定狀況下，也可采用直接蒸汽加熱，比如，若塔底產(chǎn)物的主要成分是水，且在低濃度下輕組分的相對揮發(fā)度較大時（如酒精與水的混合物）可采用直接蒸汽加熱。采用直接蒸汽加熱，可以節(jié)省塔底的傳熱面積。

（4）確定回流比

精餾操作過程中，回流比在設(shè)計中是決定設(shè)備費用和操作費用的一個重要參數(shù)，應(yīng)當妥善選擇。在操作中，回流比是一個對產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量有重大影響而又便于調(diào)節(jié)的參數(shù)。

當回流比減小時，為完成所指定的分離任務(wù)所需要的理論塔板數(shù)增多，特別地，當回流比達到最小回流比時，理論塔板數(shù)為無窮大。當回流比增大時，所需要的理論塔板數(shù)就減少，故為達到所需要的分離目的，對回流比的增大沒有限制。當回流比無限大時，所需要的理論塔板數(shù)最少，此時的操作情況稱為全回流，全回流操作時，精餾塔就不能出產(chǎn)品，同時也不用進料，僅僅在某些特定情況下才使用回流操作，比如在精餾操作的啟動階段。

回流比選擇的一般經(jīng)驗值為1.1～2倍的最小回流比。選擇最佳回流比的原則是，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量要求的前提下，使精餾操作的投資費用與操作費用最小，即總費用最小。