化工的兩大基石是反應(yīng)與分離。反應(yīng)與分離同等重要。通常化工廠三分之二的費(fèi)用在分離，三分之一的費(fèi)用在反應(yīng)。而分離中最著名的單元操作是蒸餾。蒸餾塔是如何設(shè)計(jì)的呢？操作參數(shù)又是如何優(yōu)化的？小七和你一起學(xué)習(xí)吧！
根據(jù)流程整體工藝路線，確定分離要求，進(jìn)行工藝參數(shù)計(jì)算得到回流比、進(jìn)料位置、塔頂溫度、塔底溫度、進(jìn)料組成、側(cè)線采出位置（多組分）、塔板數(shù)（板式塔）或填料高度（填料塔）等。之后再進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算，計(jì)算出板間距、壓降、塔高、塔徑等參數(shù)由此選出塔板類型或填料類型等塔內(nèi)部件。之后進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及校核，選出塔體壁厚及材料，最后確定控制方案。
工藝計(jì)算是根據(jù)進(jìn)料組成與分離要求計(jì)算工藝參數(shù)，分為手算與軟件計(jì)算兩種，目前工業(yè)上多用軟件進(jìn)行模擬。這里我們舉一個(gè)最簡單二元物系板式精餾塔的手動(dòng)計(jì)算流程方便大家理解計(jì)算原理。
①物料衡算與物性估算
對二元物性而言物料衡算很簡單，但是對多元物系就必須先規(guī)定輕重關(guān)鍵組分。根據(jù)熱力學(xué)方程估算物性參數(shù)，多采用逸度法或活度系數(shù)法。同時(shí)計(jì)算出物系汽液相平衡方程。
②確定塔板數(shù)
根據(jù)物料衡算結(jié)果計(jì)算Rmin＝L／D，實(shí)際回流比一般為最小回流比的1.2-2倍。然后分別計(jì)算出精餾段、提餾段操作線方程。采用操作線方程與汽液相平衡方程交替逐板計(jì)算確定理論塔板數(shù)，或采用圖解法原理相同。再將理論塔板數(shù)除以塔板效率，得到實(shí)際塔板數(shù)。
③實(shí)際設(shè)計(jì)流程
工業(yè)上應(yīng)用的精餾塔多是物系復(fù)雜，帶側(cè)線采出，實(shí)際中多采用FUG法計(jì)算。
流體力學(xué)計(jì)算多采用軟件計(jì)算，而塔內(nèi)部件多為定型部件或?qū)＠考?。這里介紹幾種常見的塔板。
在完成內(nèi)部設(shè)計(jì)之后，我們將根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)環(huán)境等對塔體進(jìn)行選材并計(jì)算出壁厚，載荷等參數(shù)。并提出加工要求繪制裝備圖。
根據(jù)工藝要求，進(jìn)行配套的儀表、閥門選型，確定控制方案，并繪制出帶夾點(diǎn)控制的工藝流程圖PID。
在對精餾塔進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首先要從眾多參數(shù)中確定出獨(dú)立的設(shè)計(jì)變量與可調(diào)設(shè)計(jì)變量。以下是幾種常見的優(yōu)化方式。
常規(guī)精餾塔單塔的壓力優(yōu)化相對較簡單，在滿足塔頂冷凝器的溫度可以在最炎熱的夏季也能夠用自來水冷卻的前提下，可以采用相對較低的操作壓力以減少再沸器的熱負(fù)荷。在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于增加壁厚而增加的設(shè)備費(fèi)用將隨著壓力的增加而增大，在滿足分離要求的前提下，低壓（正壓）相對有利。
理論塔板數(shù)越多，分離效果越好，制造成本越大。設(shè)計(jì)時(shí)回流比增大，可以減少理論板數(shù)，塔體的建造費(fèi)可能低一些，但回流比的增大可導(dǎo)致塔內(nèi)氣相量增大，使冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷增加，塔的操作費(fèi)和附屬設(shè)備的投資將因此增大。
適宜回流比是操作費(fèi)用與設(shè)備費(fèi)用總和為最小時(shí)的回流比，在通常情況下，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，此回流比為（1.2~2）Rmin
當(dāng)進(jìn)料及產(chǎn)品組成已定時(shí)，進(jìn)料熱狀況對所需的理論板總數(shù)一般影響不大，但是對精餾段和提餾段中的分配比例卻有明顯的影響。當(dāng)q值減小時(shí)，精餾段所需板數(shù)增多，提餾段所需板數(shù)減少，適宜的進(jìn)料位置將下移；q值增大時(shí)，情況則相反。
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