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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。

圖3-7 水-乙醇精餾流程示意圖

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。

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