3.3　設計方案的確定

板式塔的種類很多，但其設計方案的確定及設計原則大同小異。一般來說，確定設計方案就是要確定整個精餾裝置的流程、各種設備的結構形式及一些操作指標。比如操作壓力、組分的分離順序、進料狀態以及余熱利用方案及安全、調節控制儀表的設置等。

3.3.1　確定設計方案的原則

總的原則是盡可能選用當前先進并且成熟的研究成果，從而使生產在滿足安全的前提下，達到技術上先進、經濟上合理的要求。

①滿足工藝和操作的要求。

②滿足經濟上的要求。

③保證安全生產、環保達標的要求。

對于化工原理課程設計來說，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　收集基礎數據

正式設計開始以前應收集的基礎數據如下。

①物料物性數據（如黏度、密度、相對揮發度、表面張力等）。

②物料的熱力學狀態。

③分離要求。

④進料流量及組成。

⑤冷卻介質及其溫度、加熱介質及其溫度。

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、預熱器和輸送泵等。流程選擇應同時考慮安全性、經濟性及操作穩定性。

（1）物料的輸送方式

原料可經泵由原料槽直接輸送至塔內，也可經由高位槽送料。產品由泵送至下一個工序。

（2）工藝參數的檢測及自動調控

操作壓力、氣速、溫度、流量、液位等參數是保證產品質量、安全生產的重要參數，必須在適當位置設置檢測變送器，將檢測信號一方面送至顯示儀表顯示，一方面送至調節器，當工藝參數超出設定值以后進行自動調節，使其能夠重新調整至設定范圍內，以保證產品質量。

（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備的正常運行和產品的質量。再沸器的結構形式有立式熱虹吸式、臥式熱虹吸式、強制循環式。強制循環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。選用再沸器結構形式時，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。若設置中間再沸器可以利用溫度比塔底低的熱源，而設置中間冷凝器則可以利用溫度比塔頂高的熱源。

選取適當的回流比，可使能耗降低。但是，僅就精餾操作本身，采用節能措施所取得的效果是有限的，更為可觀的節能方式是將精餾過程與全系統一同考慮，進行全過程系統的能量集成與綜合，可以增大回流比，但不一定增加系統能耗。

【案例分析7】譬如乙醇-水混合液經原料預熱器加熱，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，其余經塔頂產品冷卻器冷卻后，送至儲罐，塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產品冷卻后，送入儲罐。其流程如圖3-7所示。

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。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，組分間的相對揮發度減小，所需要的塔板數增加。另外，還應當考慮選用的冷卻介質溫度以及塔板阻力，以便確定塔頂、塔底的操作壓力。

（2）進料狀態

進料狀態與塔的熱負荷、回流比、塔的結構等因素都有密切關系。進料狀態有多種，但是一般都是將物料預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，給設計和制造帶來方便，此時需要增設原料預熱器。如果遇到溫度過高時物料產生結焦現象，則適宜采用氣態進料。進料時熱量應盡可能由塔底輸入，使產生的汽相回流在全塔發揮作用。

（3）加熱方式

通常采用的加熱方式是在塔底設置再沸器，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，若塔底產物的主要成分是水，且在低濃度下輕組分的相對揮發度較大時（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，回流比在設計中是決定設備費用和操作費用的一個重要參數，應當妥善選擇。在操作中，回流比是一個對產品的質量和產量有重大影響而又便于調節的參數。

當回流比減小時，為完成所指定的分離任務所需要的理論塔板數增多，特別地，當回流比達到最小回流比時，理論塔板數為無窮大。當回流比增大時，所需要的理論塔板數就減少，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，在滿足產品質量和產量要求的前提下，使精餾操作的投資費用與操作費用最小，即總費用最小。