3.3　设计方案的确定

板式塔的种类很多，但其设计方案的确定及设计原则大同小异。一般来说，确定设计方案就是要确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构形式及一些操作指标。比如操作压力、组分的分离顺序、进料状态以及余热利用方案及安全、调节控制仪表的设置等。

3.3.1　确定设计方案的原则

总的原则是尽可能选用当前先进并且成熟的研究成果，从而使生产在满足安全的前提下，达到技术上先进、经济上合理的要求。

①满足工艺和操作的要求。

②满足经济上的要求。

③保证安全生产、环保达标的要求。

对于化工原理课程设计来说，原则上须着重考虑第一个原则，对第二个原则仅做定性考虑，而对第三个原则要求做一般性思考。

3.3.2　收集基础数据

正式设计开始以前应收集的基础数据如下。

①物料物性数据（如黏度、密度、相对挥发度、表面张力等）。

②物料的热力学状态。

③分离要求。

④进料流量及组成。

⑤冷却介质及其温度、加热介质及其温度。

3.3.3　确定工艺流程

精馏装置一般包括塔顶冷凝器、塔底再沸器、预热器和输送泵等。流程选择应同时考虑安全性、经济性及操作稳定性。

（1）物料的输送方式

原料可经泵由原料槽直接输送至塔内，也可经由高位槽送料。产品由泵送至下一个工序。

（2）工艺参数的检测及自动调控

操作压力、气速、温度、流量、液位等参数是保证产品质量、安全生产的重要参数，必须在适当位置设置检测变送器，将检测信号一方面送至显示仪表显示，一方面送至调节器，当工艺参数超出设定值以后进行自动调节，使其能够重新调整至设定范围内，以保证产品质量。

（3）冷凝器及再沸器的选用

当塔顶汽相出料时，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器，以便于准确地控制回流比。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。

再沸器的选用和安装正确与否直接影响到设备的正常运行和产品的质量。再沸器的结构形式有立式热虹吸式、卧式热虹吸式、强制循环式。强制循环再沸器适用于进料黏度大或者含有固体颗粒的状况，但是费用较高。当传热量较小时，可选用立式热虹吸式再沸器，当传热量较大时，可选用卧式热虹吸式再沸器。选用再沸器结构形式时，首先要满足工艺的要求，在此前提下，可对各类型再沸器进行综合比较。

（4）能量集成

精馏过程操作是多次重复地进行部分汽化及部分冷凝的过程，能耗较高。进入再沸器的能量当中，约有95％以上被塔顶冷凝器的冷却介质带走。塔顶蒸气和塔底馏出液都有余热可以利用，只是这些余热的品位高低不一，需分别考虑区别对待。

通常，提供给塔底再沸器的热量，其温度要高于再沸器的蒸汽的露点温度，而从塔顶冷凝器取走的热量，其温度要低于馏出液的泡点温度。若设置中间再沸器可以利用温度比塔底低的热源，而设置中间冷凝器则可以利用温度比塔顶高的热源。

选取适当的回流比，可使能耗降低。但是，仅就精馏操作本身，采用节能措施所取得的效果是有限的，更为可观的节能方式是将精馏过程与全系统一同考虑，进行全过程系统的能量集成与综合，可以增大回流比，但不一定增加系统能耗。

【案例分析7】譬如乙醇-水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1送入精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐，塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品冷却后，送入储罐。其流程如图3-7所示。

3.3.4　确定操作条件

（1）操作压力、温度

精馏操作可在常压、加压和减压下进行。若条件允许，最好在常压或稍高于常压下进行。确定操作压力时，必须考虑所处理物料的性质。对于热敏性物料，可采用减压操作，有利于分离。对于常压下呈气体的物料，则应选择加压操作。当操作压力增大时，操作温度也将升高，组分间的相对挥发度减小，所需要的塔板数增加。另外，还应当考虑选用的冷却介质温度以及塔板阻力，以便确定塔顶、塔底的操作压力。

（2）进料状态

进料状态与塔的热负荷、回流比、塔的结构等因素都有密切关系。进料状态有多种，但是一般都是将物料预热到泡点温度或接近泡点温度才送入塔中。采用泡点进料方式时，精馏段与提馏段可有相同的塔径，给设计和制造带来方便，此时需要增设原料预热器。如果遇到温度过高时物料产生结焦现象，则适宜采用气态进料。进料时热量应尽可能由塔底输入，使产生的汽相回流在全塔发挥作用。

（3）加热方式

通常采用的加热方式是在塔底设置再沸器，利用蒸汽间接加热。在特定状况下，也可采用直接蒸汽加热，比如，若塔底产物的主要成分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如酒精与水的混合物）可采用直接蒸汽加热。采用直接蒸汽加热，可以节省塔底的传热面积。

（4）确定回流比

精馏操作过程中，回流比在设计中是决定设备费用和操作费用的一个重要参数，应当妥善选择。在操作中，回流比是一个对产品的质量和产量有重大影响而又便于调节的参数。

当回流比减小时，为完成所指定的分离任务所需要的理论塔板数增多，特别地，当回流比达到最小回流比时，理论塔板数为无穷大。当回流比增大时，所需要的理论塔板数就减少，故为达到所需要的分离目的，对回流比的增大没有限制。当回流比无限大时，所需要的理论塔板数最少，此时的操作情况称为全回流，全回流操作时，精馏塔就不能出产品，同时也不用进料，仅仅在某些特定情况下才使用回流操作，比如在精馏操作的启动阶段。

回流比选择的一般经验值为1.1～2倍的最小回流比。选择最佳回流比的原则是，在满足产品质量和产量要求的前提下，使精馏操作的投资费用与操作费用最小，即总费用最小。