化工原理课程设计

化学化工学院材料化学专业班级化11本（6）姓名陈清学号 11233526

指导教师王俊

职务(称)

2024年 11 月 25 日。

化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用[1]。

精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。

在本设计中我们使用浮阀塔，浮阀塔是一种板式塔，用于气液传质过程中。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大[2]。

塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀塔的突出优点是结构简单造价低，合理的设计能满足要求的操作弹性，浮阀塔是最广泛应用于工业生产的设备之一。

精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，精馏一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法。

精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。

塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。

精馏过程的核心在于回流，而回流必须消耗大量能量。降低能耗是精馏过程发展的重大课题。除了选择经济上合理的回流比外，主要的节能措施有：

热泵精馏。将塔顶蒸气绝热压缩（见热力学过程）升温后，重新作为再沸器的热源(见热泵蒸发)；

多效精馏。精馏装置由压力依次降低的若干个精馏塔组成，前一精馏塔塔顶蒸气用作后一精馏塔再沸器的加热蒸气（见多效蒸发）；

采用高效精馏塔，可用较小的回流比；采用高效换热器，可降低传热温度差，这样就可以减少有效能损失。

采用电子计算机对过程进行有效控制，减小操作裕度，确保过程在最低能耗下进行。

塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。

板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。

填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（有时也采用并流向下）流动，气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操作状况下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。

工业上评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面：生产能力；分离效率；塔压降；操作弹性；结构、制造及造价等。现就板式塔与填料塔的性能比较如下：

1）生产能力。

板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现的，塔板的开孔率一般占塔截面积的7%~10%；而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液体接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上，而填料层的空隙率则超过90%，一般液泛点较高，故单位塔截面积上填料塔的生产能力一般均高于板式塔。

2）分离效率。

一般情况下，填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为2~8级。而常用的板式塔，每米理论板最多不超过2级。

研究表明，在压力小于0.3mpa时，填料塔的分离效率明显优于板式塔，在高压下，板式塔的分离效率略优于填料塔。

3）塔压降。

填料塔由于空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔每个理论级的压降为0.4~1.

1kpa，填料塔为0.01~0.27kpa。

通常，板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗，对于精馏过程，还可使塔釜温度降低，有利于热敏性物系的分离。

4）操作弹性。

一般来说，填料本身对气液负荷变化的适应性很大，故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，因而可根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。

5）结构、制造及造价等。

一般来说，填料塔的结构较板式塔简单，故制造、维修也较为方便，但填料塔的造价通常高于板式塔。

应予指出，填料塔的持液量小于板式塔。持液量大，可使塔的操作平稳，不易引起产品的迅速变化，故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和出料，而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。

对于比表面积较大的高性能填料，填料层容易堵塞，故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。

工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中，蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。近年来，随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件的出现，上述传统已逐渐打破。

在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例，尤其是填料塔在精馏过程中的应用已非常普遍。

对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性等要求，并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。例如，1）对于热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；

2）对于有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；

3）对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔；

4）对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；

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