盐城师范学院 化工原理设计
第一章 文献综述
精馏是多级分离过程，即可同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可是混合液得到几乎完全的分离。它是平衡蒸馏与简单蒸馏两者的有机结合。
平衡蒸馏以及简单蒸馏只能使混合液得到部分分离。与平衡蒸馏相比，简单蒸馏操作时对液体的连续部分汽化，釜液组成t--x(y)相图的泡点线变化，其结果可得难挥发组分（重组分）含量很高而易挥发组分（轻组分）摩尔分数x很低的釜液。同理，在一定压力下，将混合蒸汽进行连续部分冷凝，蒸汽相得组成沿t--x（y）相图的露点线变化，结果可得到难挥发组分（重组分）含量很低而易挥发组分（轻组分）摩尔分数y很高的蒸汽。
精馏在工业生产中应用广泛。按其操作方式，精馏可分为间歇精馏和连续精馏。工业生产中以连续精馏为主，而间歇精馏一般多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。如化学合成药物，天然药物的分离提纯，非共沸物溶剂的回收。
精馏按操作压强可分为常压，加压和减压蒸馏。一般情况下，采用常压蒸馏。当常压下物系沸点较高，使用高温加热介质不经济或热敏性物质不能承受的情况，采用减压蒸馏可以降低操作温度。对常压沸点很低的物系，蒸汽相得冷凝不能采用常温水和空气等廉价的冷却剂，或者对常温常压下为气体的物系（如空气）进行精馏分离，则可采用加压蒸馏以提高混合物的沸点。
精馏进行的是气，液两相之间的传质，而作为气，液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气，液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产需要，塔设备还得具备下列歌中基本要求。
1.气，液处理量大，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.操作稳定，弹性大，即当塔设备的气，液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具备的可靠性。
3.流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压降还使整个系统无法维持必要地真空度，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.耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节和检修。 6.塔内的滞留量要小。
气，液传质设备种类很多，按接触方式可分为连续接触式和逐级接触式两大类，填料塔和板式塔分别作为其典型代表。
6
盐城师范学院 化工原理设计
填料塔是在圆柱形壳内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动力下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气，液在填料表面接触进行质，热交换，两相的组成沿塔高连续变化。
板式塔是在圆柱形壳内按一定间距水平设置若干塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流体液层；气体则在压强差的推动力下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔底排出。气，液在塔内逐板接触进行质，热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。
7
盐城师范学院 化工原理设计
第二章 设计方案的确定
2.1 操作条件的确定
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如
组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。 2.1.1操作压力
蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 2.1.2进料状态
进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。 2.1.3加热方式
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。然而，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况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。采用直接蒸汽加热时，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。对于苯-甲苯溶液，一般采用1.1~2.0KPa（表压）。 2.2 确定设计方案的原则
确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，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、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： 2.2.1满足工艺和操作的要求
8
盐城师范学院 化工原理设计
所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，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节阀门，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。再其次，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过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 2.2.2满足经济上的要求
要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能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，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 2.2.3保证安全生产
例如苯属有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间。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，因而需要安全装置。
以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。
9
盐城师范学院 化工原理设计
第三章 精馏塔的工艺计算
3.1 设计方案的确定
本设计任务为分离苯和甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采取常压下的连续精馏装置。本实验采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储塔。该物系属于易分离物系，最小回流比较小，操作回流比取最小最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 3.2 精馏塔的物料衡算
3.2.1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分数
苯的摩尔质量 MA?78kg/mol 甲苯的摩尔质量 MB?92kg/mol
XF? XD XW0.6/78?0.64
0.6/78?0.4/920.98/78??0.98 0.98/78?0.02/920.01/78??0.0118 0.01/78?0.99/923.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF?0.64?78?0.36?92?83.68
MD?0.98?78?0.02?78?78.28
MW?0.0118?78?0.9882?92?91.83
3.2.3物料衡算 原料处理量 qn,F=
30000?1000?49.79?kmol/h?
24?300?83.68总物料衡算 49.79?qn,D?qn,W
苯物料衡算 49.79?0.64?0.98qn,D?0.0118qn,W 联立解得 qn,D?31.32?kmol/h?
qn,F?17.48?kmol/h?
附表1 物料衡算
qn,F?kmol/h? qn,D?kmol/h? qn,W?kmol/h? 49.79
32.31
17.48
XF 0.64
XD 0.98
XW 0.0118
3.3 塔板数及全塔效率的确定 3.3.1理论板数 NT的求取
10