化工原理课程设计指导书(3)

精馏装置一般包括塔顶冷凝器，塔釜再沸器，原料预热器及流体输送泵等。流程选择应结合实际进行，考虑经济性、稳定性。如进料是否需要预热、冷凝器的型式及布置、及再沸器的型号等。

当塔顶需汽相出料时，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器。对于小塔，通常将冷凝器放于塔顶，采用重力回流。对于大塔，冷凝器可放至适当位置，用泵进行强制回流。

再沸器的型式有立式与卧式、热虹吸式与强制循环式之外。当传热量较小时，选用立式热式再沸器较为有利。传热量较大时，采用卧式热虹吸式再沸器。当塔釜物料粘度很大，或易受热分解时，宜采用泵强制循环型再沸器。几种再沸器型式如图3.1所示。

精馏装置中，塔顶蒸汽的潜热和塔釜残液的显热可以被用于预热进料。塔顶蒸汽潜热大，而温度较低，塔釜残液温度高，而显热的热量少。在考虑这些热量的利用时要注意经济上的合理性及操作上的稳定性。

3.3做全塔的物料平衡

对于双组分的连续精馏塔，由总物料平衡及分物料平衡有

D W F

DxD WxW FxF

根据进料流量F及组成xF，分离要求，解方程组（1）即可求得馏出液流率D及残液流率W。

3.4确定操作条件（压力、温度）

精馏操作最好在常压下进行，不能在常压下进行时，可根据下述因素考虑加压或减压操作。 （1）、对热敏性物质，为降低操作温度，可考虑减压操作。

（2）、若常压下塔釜残液的泡点超过或接近200℃时，可考虑减压操作。因为加热蒸汽温度一般低于200℃。

（1）立式热虹吸型 （2）泵强制循环型

（a） (b)

（3）卧式再沸器 图3.1 几种再沸器型式

（3）、最方便最经济的冷却介质为水。若常压下塔顶蒸汽全凝时的温度低于冷却介质的温度时可考虑加压操作。

还应该指出压力增大时，操作温度随之升高，轻、重组分相对挥发度减少，分离所需的理论板数增加。

在确定操作压力时，除了上面所述诸因素之外，尚需考虑设备的结构、材料等。 通常按下述步骤确定操作压力。

（1）、选择冷却介质，确定冷却介质温度。

最为方便、来源最广的冷却介质为水。设计时应了解本地区水的资源情况及水温。 （2）确定冷却器及回流罐系统压力P冷。

塔顶蒸汽全部冷凝时的温度一般比冷却介质温度高10～20℃。冷却器和回流罐系统压力即为该温度下的蒸汽压（平衡压力），可由泡点方程式得。

c

Kx

i

i 1

Di

1 （2）

（2）查得。 式中Ki—平衡指数。烃类Ki可由资料（1）

（3）、确定塔顶和塔釜压力。

塔顶压力P顶等于冷凝器压力P冷加上蒸汽从塔顶至冷凝器的流动阻力 P顶 冷凝器，即

P顶 P冷 P顶 冷凝器 （3）

塔釜压力P底等于塔顶压力加上全塔板阻力 P塔。全塔阻力 P塔等于塔板阻力乘实际板数，即

P底 P顶 P塔 P顶 n P板 （4）

式中： P板—塔板阻力，通常为3～5（mm汞柱）

在确定了操作压力之后，塔顶温度可由式（5）确定，塔釜温度由式（6）确定。

k

t 1

c

yt

t

Wi

xDt

1 （5） kt

Kx

i

i 1

c

1 （6）

3.5确定回流比

对于平衡线向下弯曲的物系，最小回流比的计算式为：

Rm

xD yqyq xq

（7）

式中：xq,yq q线与平衡线交点座标。

当进料为饱和液体时，最小回流比也可用式（8）计算，进料为饱和蒸汽时，按式（9）计算。

Rm

1 xD 1 xD

（8）

1 xF1 xF 1 xD 1 xD

1 （9）

1 xF1 xF

Rm

汽液混合进料时，最小回流比的计算式为：

Rm q(Rm)q 1 (1 q)(Rm)q 0 （10）

式中：

(Rm)q 1——泡点进料时的Rm，按式（8）计算。 (Rm)q 0——露点进料时的Rm，按式（9）计算。

由上式可知，最小回流比和进料液化分率q有关。当泡点进料时，q=1。露点进料时，q=0。若进料压力高于塔的操作压力，且原料温度较高时，进入塔内后可因压力降低而产生绝热汽化。绝热汽化温度T及液化分率可由绝热汽化方程组（11）计算。

cxFi

K (1 K) 1 i 1iiq （11）

H hF q H h

式中：H、h—汽相、液相焓。

hF—原料液焓。

方程（11）可由试差法解得，方法如下： a、 根据进料温度及组成，求得hF；

b、 假设汽化温度，查得Ki；

c、 由方程（11）的第一式求得q及汽、液相组成；

d、 由假设温度及求得的汽、液相组成计算汽、液相焓H及h；

e、 将H、h、hF代入方程（11）的第二式，若等式成立，则计算正确；若等号不 成立，则重设温度，重复（b）至（e）过程。

适宜回流比通常为最小回流比的1.2～2倍，设计时应根据理论板和回流比的关系图（图3.2）确定。

Rm R适宜 R

图3.2 理论板和回流比关系图

图3.2是在假设若干个不同的回流比下，分别用简捷法求出相应的理论板数，然后，由计算结果作图而得到的。显然适宜回流比应在图中曲线斜率变化最大处。

3.6理论板数与实际板数

对于双组份精馏塔，求解理论板数可用图解法或简捷法。若理论板数较多，且溶液接近理论溶液时，可作简捷法计算。

简捷法求理论板数时，有吉利兰（Gilliland）法和埃尔巴—马道克斯（Erbar—Maddox）法。据称埃尔巴法比吉利兰法精度要高，但埃尔巴法只能用于泡点进料，且指明回流比为最适宜回流比，而一般回流比大多高于这个数值。

图解法和简捷法的具体操作法可参考参阅教材，此处不再讨论。 实际板数等于理论板数除以总板效率，即

N实

N理ET

（12）

式中：N实——实际板数

N理——不包括分凝器、再沸器在内的理论板数。

ET——总板效率（全塔效率）

影响总板效率的因素较多，目前尚无准确的关联式可用于计算，只能根据经验估计。对于双组份精馏塔，多在0.5～0.7左右[6]。

3.7确定冷凝器和再沸器的热负荷QC、Qr