化工原理课程设计-乙醇-水体系常压二元填料精馏塔设计

化工原理课程设计说明书专 业： 化学工程与工艺班 级：化工学生姓名：学生学号：指导教师：提交时间： 2016年 6月24日成 绩：沈阳化工大学 化工原理课程设计化工原理课程设计任务书专业 化学工程与工艺 班级 化工1307 设计人 陈兴一、设计题目分离乙醇-水混合液（混合气）的 （规整） 精馏塔二、设计数据及条件生产能力：年处理 乙醇-水混合液（混合气）：6万吨（开工率天/年）；原 料： 乙醇 含量为 25 %（质量百分率，下同）的常温液体（气体）；分离要求：塔顶乙醇含量不低于（不高于）92%；塔底乙醇含量不高于（不低于）0.3%。建厂地址：沈阳三、设计要求1、一份精馏塔设计说明书，主要内容要求：(1).前言(2).流程确定和说明(3).生产条件确定和说明(4).精馏塔的设计计算(5).主要附属设备及附件的选型计算(6).设计结果列表(7).设计结果的自我总结与评价(8).注明参考和使用的设计资料2、一份精馏塔工艺条件单，绘制一份带控制点工艺流程图。说明：1、设计说明书的封皮。（教材科购买）。2、设计说明书用纸为课程设计专用纸。（教材科购买）。3、任务书中第二项各人填各人的数据。4、精馏塔工艺条件单。（教材科购买）。5、工艺流程图幅面为 2#图纸（594×420）。6、要求在1个月内完成，成绩与完成的时间有关。先完成的先交。7、可随时到化工原理教研室答疑1沈阳化工大学 化工原理课程设计目录第一章 前言. .............................................第二章 流程确定和说明 ....................................1.1 加料方式的确定 61.2 进料状况的确定 61.3 冷凝方式的确定 71.4 回流方式的确定 71.5 加热方式的确定 71.6 再沸器的确定 8第三章 精馏塔设计计算 ....................................2.1 操作条件及基础数据 92.1.1操作压力 ..........................................................................................2.1.2回流比 ..............................................................................................2.1.3气液平衡关系与平衡数据 ...............................................................2.2 精馏塔工艺计算 102.2.1物料衡算 ..........................................................................................2.2.2热量衡算 ..........................................................................................2.2.3理论塔板数的计算 ...........................................................................2.3 精馏塔主要尺寸的设计计算 212.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件 ...................................................2沈阳化工大学 化工原理课程设计2.3.2塔体工艺尺寸的计算 ......................................................................2.3.3填料层高度的计算 ..........................................................................2.3.4填料层压降的计算 ...........................................................................2.3.5填料层的分段 ...................................................................................第四章 附属设备及主要附件的选型计算 ......................3.1 冷凝器的选择 353.1.1冷凝剂的选择 ...................................................................................3.1.2冷凝器的计算与选择 .......................................................................3.2 再沸器的选择 373.3 塔内其他构件 373.3.1接管的计算与选择 ...........................................................................3.3.2液体分布器 ......................................................................................3.3.3除沫器的选择 ..................................................................................3.3.4液体再分布器 ..................................................................................3.3.5填料支撑盘 ......................................................................................3.3.6裙座的设计 ......................................................................................3.3.7手孔的设计 ......................................................................................3.3.8塔釜设计 ..........................................................................................3.3.9塔的顶部空间高度 ..........................................................................3.4 精馏塔高度计算 45第五章 设计结果的自我总结和评价 ..........................3沈阳化工大学 化工原理课程设计4.1 精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表 464.2 精馏塔主要工艺尺寸 46附录. ......................................................一、主要符号说明 474沈阳化工大学 化工原理课程设计第一章 前言在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。但近年来又倾向于认为在一定塔径范围内， 采用新型高效填料（如5沈阳化工大学 化工原理课程设计鲍尔环或鞍型填料）可以得到很好的经济效果。总之根据不同的具体情况（特别是在小直径塔，或压降有一定限制，或有腐蚀情况时），填料塔还是具有很多适用的。本次课程设计就是针对乙醇 -水体系而进行的常压二元填料精馏塔的设计及相关设备选型。由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正。第二章 流程确定和说明1.1 加料方式的确定加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速，通过重力加料，可以节省一笔动力费用，但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单，安装方便。如果采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本设计采用高位槽进料。1.2 进料状况的确定进料状况一般有冷液进料和泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，冷液进料会增加塔底蒸6沈阳化工大学 化工原理课程设计汽上升量，增加建筑费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。1.3 冷凝方式的确定塔顶冷凝采用全冷凝器，用水冷凝，在常压下乙醇和水不反应，且容易冷凝，故用全冷凝器符合要求。1.4 回流方式的确定回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔型，回流冷凝器一般安装在塔顶，其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在此情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次设计为小型塔，故采用重力回流。1.5 加热方式的确定加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内，由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用， 使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的7沈阳化工大学 化工原理课程设计浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。1.6 再沸器的确定再沸器的形式选用立式再沸器，在相同传热面积下，此种再沸器的体积小，节省费用，此外，蒸发釜的物料始终维持恒定的压力，传热情况稳定。在塔釜和蒸发釜以及相接管道内的落热量少，可以减少物料的停留时间，避免长期受热。8沈阳化工大学 化工原理课程设计第三章 精馏塔设计计算2.1 操作条件及基础数据2.1.1操作压力精馏操作按操作压力可分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大，当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，对分离有利。但当压力太低时，对设备要求太高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏乙醇 —水系统在常压下挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。2.1.2回流比通常R（1.1~2.0)Rmin，此设计取R 1.8Rmin。2.1.3气液平衡关系与平衡数据气液平衡时，x、y、t数据如表1所示。表2-1常压下乙醇-水的气液平衡与温度关系温度t/℃乙醇摩尔分数温度t/℃乙醇摩尔分数气相y/%液相x/%气相y/%液相x/%100.000.000.0081.5032.7358.2695.501.9017.0080.7039.6561.2289.007.2039.9179.8050.7965.6486.709.6043.7579.7051.9865.9985.3012.3847.0479.3057.3268.4184.1016.6150.8978.7467.6373.859沈阳化工大学 化工原理课程设计82.7023.3754.4578.4174.7278.1582.3026.0855.8078.1589.4389.432.2 精馏塔工艺计算2.2.1 物料衡算⑴物料衡算图该填料精馏塔的物料衡算如图 2-1所示。VQL,xD D,xDF,xFV’W,xWL’QB图2-1 物料衡算图F——原料流量，kmol/h；D——馏出液流量，kmol/h；10沈阳化工大学 化工原理课程设计W——塔釜液流量，kmol/h；xF——原料中易挥发组分的摩尔分数；xD——馏出液中易挥发组分的摩尔分数；xW——釜液中易挥发组分的摩尔分数。⑵物料衡算已知:F 60000t/a,质量分数：xF 25%, xD 92%,xW 0.3%所以：F'60000103kg/h8333.33kg/h（1）30024由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。进料液的摩尔组成：xFM乙醇0.2546.070.1153xF0.2546.0710.25xFM乙醇1xF18.02M水2）同理可求得：塔顶馏出液的摩尔组成：0.9246.070.8181（3）xD10.920.9246.0718.02塔釜残液的摩尔组成：xW0.00346.070.0012（4）0.003/46.0710.00318.02原料液的平均摩尔质量：11沈阳化工大学 化工原理课程设计MFxFM乙醇1xFM水0.115346.071-0.115318.0221.25kg/kmol（5）塔顶产品的的平均相对分子质量：MD46.070.818118.02（10.8181）40.97kg/kmol（5）塔釜产品的平均相对分子质量：MW46.070.001218.02（10.0012）18.05kg/kmol（7）原料液：F8333.33/21.25392.16kmol/h（）8总物料：FDW(9易挥发组分：FxFDxDWxW（10）代入数据解得：D110.625kmol/hW281.535kmol/h塔顶产品质量流量：D' MDD 40.97110.625 4532.31kg/h11）塔釜产品质量流量：W' MWW 18.05 281.535 5081.71kg/h12）⑶各重要控制温度设塔顶气相、液相，进料和塔底的温度分别为： tLD，tVD，tW，tF12沈阳化工大学 化工原理课程设计查表2-1，用内插法解得塔顶：89.4381.8178.15tLDtLD78.25℃89.4374.7278.1578.4189.4381.8178.15tVDtVD78.33℃89.4378.1578.1578.41塔釜：0.120tW100tW99.72℃1.90095.5100进料12.38-11.5385.3tFtF85.73℃12.38-9.685.3-86.7精馏段平均温度：ttVDtF78.3385.73122（17）提馏段平均温度：tWtF99.7285.73t222（18）

13）14）（15）（16）82.03 ℃92.73 ℃⑷平均相对挥发度的计算此处取x-y曲线上两端点下的平均值。查表1可得：t95.50℃时，yAxBy(1x)17.00(1001.90)1yBxA(1y)x(10017.00)10.5751.90（19）t78.41℃时，yAxBy(1x)78.15(10074.72)2yBxA(1y)x(1001.2178.15)74.7220）所以1210.5751.215.89（21）2213沈阳化工大学 化工原理课程设计⑸求最小回流比及操作回流比此处使用解析法确定操作状态下的回流比。由于是泡点进 料（q 1）， xq xF所以最小回流比1xD(1xD)10.81815.89（10.8181）Rminxq1xq5.8910.11531.203110.1153（22）操作状态下的回流比R 1.8Rmin 1.81.203 2.1723）精馏段的气液相负荷LRD2.17110.625240.06kmol/h（24）LLqF240.061392.16632.22kmol/h（25）VLD(R1)D(2.171)110.625350.68kmol/h（26）VL'W350.68kmol/h（27）⑺物料衡算结果⑴至⑹的部分物料衡算结果列于表 2-2及表2-3中。表2-2物料衡算结果（a）物料流量(kmol/h)摩尔分数(%)进料F392.160.1153塔顶产品D110.6250.8181塔底釜液W281.5350.001214沈阳化工大学 化工原理课程设计表2-3物料衡算结果（b）物料物流kmol/h精馏段上升蒸气量V350.68提馏段上升蒸气量V350.68精馏段下降液体量L240.06提馏段下降液体量L632.222.2.2 热量衡算⑴加热介质的选择常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热系数很高，可以通过改变蒸汽压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达到100～1000℃，适用于高温加热。烟道气的缺点是比热容及传热系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa(温度为133.3℃)的饱和水蒸气作加热介质。水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本相应降低，塔结构也不复杂。⑵冷凝剂的选择常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜地加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10～25℃。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂、液氨等。本设计建厂地区为沈阳。沈阳市夏季最热月份平均气温为25℃。故选用的冷却水25℃的冷却水，选择升温10℃，故冷却水的出口温度是35℃。15沈阳化工大学 化工原理课程设计⑶冷凝器的热负荷QC（)*（ILD）（）LDIVD28式中IVD——塔顶上升蒸气的焓；ILD——塔顶馏出液的焓。（）HV水（29）IVD-ILDxDHV乙醇1-xD式中HV乙醇——乙醇的蒸发潜热；HV水——水的蒸发潜热。蒸发潜热的计算：乙醇及水的蒸发潜热数据如表 2-4所示。表2-4常用温度下乙醇及水的蒸发潜热t/℃020406080100（kJ/kmol）HV乙醇/453904391042300405303861036510（）44839.844033.443219.842391.841540.440651.2HV水/kJ/kmol经线性回归可知，乙醇及水的蒸发潜热在 0~100℃范围内均与摄乙醇：y 41.786x 44869氏温度具有线性关系，即为水：y 88.671 45642因此可以根据塔顶的定性温度计算两种物质的蒸发潜热 。塔顶气液相温度分别为 78.25℃和78.33℃，近似取为78.29℃。在此温度下，HV乙醇 41.786 78.29 44869 41597.57kJ/kmol 904.30kJ/kg30）16沈阳化工大学 化工原理课程设计HV水 88.67178.29 45642 38699.95kJ/kmol 2149.99kJ/kg31）所以QC(LD)*（ILD）IVD（LD）*（xDHV乙醇（1-xD）HV水)14367.42（0.92904.300.082149.99）1.44107kJ/h（32）⑷冷却水消耗量WCQC（33）CpC(t2t1)式中 WC——冷却水消耗量，kg/h；CpC——冷却介质在平均温度下的比热容， kJ/(kg℃·)；t1，t2——冷却介质在冷凝器进出口处的温度，℃。冷却水由25℃→35℃t1t2253530C（34）所以t22此温度下冷却水的比热容CpC4.174kJ/(kgC）（35）所以WcQCt1)1.441073.45105kg/h(36)CpC(t24.174（3525）⑸加热器热负荷及全塔热量衡算查得重要控制温度下乙醇及水的比热容 CP（单位：kJ/（kg·℃））如表2-5所示。17沈阳化工大学 化工原理课程设计表2-5重要控制温度下乙醇及水的比热容（单位：kJ/（kg·℃））塔顶塔釜进料精馏段提馏段乙醇（1）2.98383.28453.11033.04553.1973水（2）4.18884.21504.19954.19384.2073精馏段：乙醇（-tF）3.0455（78.2585.73）22.78kJ/kg（）Cp1tLD37水（-tF）4.1938（78.2585.73）31.369kJ/kg（）Cp2tLD38提馏段：乙醇（-tF）3.1973（99.7285.73）44.73kJ/kg(39)Cp1tW水（-）4.2073（99.7285.73）58.86kJ/kg（）Cp2tWtF40塔顶馏出液的比热容：CP1 CP1x'D (1-x'D)CP13.0455 0.92 (1 0.92) 4.19383.1374kJ/（kg C）41）塔釜馏出液的比热容：CP2 CP2x'W (1-x'W)CP23.1973. 0.003 (1 0.003) 4.20734.204kJ/（kg C）43）18沈阳化工大学 化工原理课程设计为简化计算，以进料焓，即85.73℃时的焓值为基准。根据表2可得：D'4532.31kg/h，W'5081.71kg/hQDtLDCP1dtD'Cp1t4532.313.1374（78.2585.73）106363.13kJ/hD'tF（44）QWtWCP2dtW'Cp2t5081.714.204（99.7285.73）298875.49kJ/hW'tF（45）对全塔进行热量衡算：QFQSQDQWQCQF0QS106363.13298875.491.441071.459107kJ/h46）若塔釜热损失率为 10%，则 90%所以Q'SQS1.459107kJ/h1.621107kJ/h（）0.947式中 QS——加热器理想热负荷；Q'S——加热器实际热负荷；QD——塔顶馏出液带出热量；QS——塔釜馏出液带出热量；加热蒸气消耗量：查得：133.3℃、300kPa下， HV水蒸气 2168.1kJ/kgQ'S 1.621107Wh 7477.1kg/hHV 2168.1（48）19沈阳化工大学 化工原理课程设计⑹热量衡算结果⑶至⑸计算所得热量恒算结果列于表 2-6中。表2-6 热量衡算结果符号QCWCQFQDQWQ'SWhkJ/hkg/hkJ/hkJ/hkJ/hkJ/hkg/h数值1.4473.45105kg/h0106363.13298875.491.459107107477.12.2.3 理论塔板数的计算采用图解法求理论塔板数：精馏段操作线方程：RxxD2.170.8181yR1x0.685x0.258R12.1712.17149）提馏段操作线方程：L'WyL'WxL'WxW632.22x281.5350.0012632.22281.535632.22281.5351.801x0.8028由精馏段和提馏段方程，以及气液平衡数据，绘制操作线方程并画梯级，以此分析理论塔板数以及进料板、精馏段理论板数和提馏段理论板数。如下图所示：20沈阳化工大学 化工原理课程设计由图可知：总理论塔板数 N=17,精馏段理论塔板数 12，第十三块为进料板， 提馏段理论塔板数为 4块。2.3 精馏塔主要尺寸的设计计算2.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件查得塔顶、塔釜、进料板温度下乙醇及水的密度列于表 2-7中。21沈阳化工大学 化工原理课程设计表2-7几个特征温度下乙醇及水的密度温度C乙醇（/kgm3）水（/kgm3）tD78.29736.71972.89tW99.72717.75958.59tF85.73729.124968.12查得塔顶、塔釜、进料板温度下乙醇及水的黏度列于表 2-8中。表2-8 几个特征温度下乙醇及水的黏度温度C乙醇（）水（/mPas）/mPastD78.290.47040.3757tW99.720.32340.2847tF85.730.428860.33358查得塔顶、塔釜、进料板温度下乙醇及水的表面张力列于表 2-8。表2-8 三个特征温度下乙醇及水的表面张力表温度C乙醇（Nm-1）水（/Nm-1）/tD78.290.017300.0063tW99.720.015750.06129tF85.730.01660.0615⑴塔顶条件下的物性参数及质量流量①液相及气相平均相对分子质量MLD MVD 40.977kg/kmol52）22沈阳化工大学 化工原理课程设计②液相密度1xD1xD0.9210.92（53）736.71972.89LD乙醇水解得：LD751.3kg/m3（54）③气相密度VDPMD101.32540.971.4207kg/m3（55）RT8.314(273.1578.29)④液相黏度LD乙醇xD（）水1xD0.47040.81810.3757（10.8181）0.4532mPas（56）⑤液相平均表面张力LDxD乙醇1xD水0.81810.01730（10.8181）0.0630.0256Nm-1（57）⑥气体体积流量VsDVD8077.801.5793m3/s（58）VD1.42073600⑦出料质量流量D'DMLD110.62540.974532.31kg/h（59）表2-10塔顶条件下的物性参数及质量流量符号MLDMVDLDVDLDLDVsDD'kg/kmolkg/kmolkg/m3kg/m3mPasNm-1m3/skg/h23沈阳化工大学 化工原理课程设计数值40.9740.97751.31.42070.45320.02561.57934532.31⑵进料条件下的物性参数及质量流量①液相平均相对分子质量MLF21.25kg/kmol（60）②气相平均相对分子质量xF0.1153，依据相平衡方程yx可得1（1）xyF5.890.11530.438（61）1（5.891）0.1153MVFyM乙醇（y）M水F1F0.43846.07（10.438）18.0230.3059kg/kmol（62）③液相密度1xF1xF0.2510.25（63）729.124968.12LF乙醇水解得LF1117.57kg/m3（64）④气相密度VFPMF101.32521.250.722kg/m3（65）RT8.314(273.1585.73)⑤液相黏度LF乙醇xF（xF）水124沈阳化工大学 化工原理课程设计0.42886 0.1153 0.33358 （1 0.1153）0.3446mPas⑥进料板平面张力的计算LF xF 乙醇 1 xF 水0.1153 0.0166 （1 0.1153）0.0615

66）0.05632Nm⑦气体体积流量

-1

（67）符号

VsFVF350.68*30.30594.08m3/sVF0.7223600⑧进料质量流量F' 60000 103kg/h 8333.33kg/h24表2-11进料条件下的物性参数及质量流量MLFMVFLFVFLFkg/kmolkg/kmol3kg/m3kg/mmPas

（68）（69）LF VsF F'N m-1 m3/s kg/h数值

22.380 30.3059 1117.57 0.722 0.3446 0.05632 4.08 8333.33⑶塔釜条件下的物性参数及质量流量①液相平均相对分子质量MLW18.104kg/kmol（70）②气相平均相对分子质量xw0.0012，依据相平衡方程yx可得1（1）x25沈阳化工大学 化工原理课程设计yF5.890.00120.0069（71）（5.891）0.00121MVFyM乙醇（y）M水F1F0.0069 46.07 （1 0.0069）18.0218.213kg/kmol（72）③液相密度1xW1xW0.00310.003（73）717.75958.59LW12解得LW957.63kg/m3（74）④气相密度VWPMW101.32518.050.5899kg/m3（75）RT8.314(273.1599.72)⑤液相黏度LW乙醇xW（）水1xW0.3234 0.0012 0.2847 (1 0.0012)0.2848mPas（76）⑥塔釜液相平均表面张力计算LWxW乙醇1xW水0.00120.01575(10.0012)0.061290.06123Nm-1（77）⑦气体体积流量26符号数值

沈阳化工大学 化工原理课程设计VsWVW6329.7742.98m3/s（78）VW0.58993600⑧气相质量流量VWVWMWV18.05350.686329.774kg/m3（79）⑨液相质量流量LW MWL 18.05 88.42 1595.99kg/h（80）表2-12塔釜条件下的物性参数及质量流量MLWMVWLWVWLWLWVsWVWL'Wkg/kmolkg/kmolkg/m3kg/m3mPasNm-1m3/skg/hkg/h18.10418.213957.630.58990.28480.056322.986329.71595.9974⑷精馏段的物性参数及质量流量①液相平均相对分子质量MV精MVDMVF40.9730.305935.638kg/kmol（80）22②气相平均相对分子质量ML精MLDMLF40.9722.38031.675kg/kmol（82）22L精LDLF751.31117.57934.4kg/m3（83）22③气相密度V精VDVF1.42070.7221.07135kg/m3（84）2227沈阳化工大学 化工原理课程设计④液相黏度LDLF0.45320.3446（85）L精20.3989mPas2⑤精馏段液相平均表面张力的计算L精LDLF0.02560.056320.04096Nm-1（86）22⑥气体体积流量VS精VsFVsD4.080.157932.12m3/s（87）22⑦精馏段上升蒸气质量流量V精MV精V35.638350.6812497.23kg/h（88）⑧精馏段下降液体质量流量L精ML精L31.675240.067603.9kg/h（89）表2-13精馏段的物性参数及质量流量符号ML精MV精L精V精L精L精Vs精V精L精kg/kmolkg/kmolkg/m3kg/m3mPasNm-1m3/skg/hkg/h数值31.67535.638934.41.071350.39890.040962.1212497.7603.953⑸提馏段的物性参数及质量流量①液相平均相对分子质量ML提MLFMLW22.38018.10420.242kg/kmol2228沈阳化工大学 化工原理课程设计90）气相平均相对分子质量MVFMVW30.305918.213MV提20.242kg/kmol2291）液相密度L提LFLW1117.57957.631037.6kg/m3（92）22④气相密度V提VFVW0.7220.58990.656kg/m3（92）22⑤液相黏度L提LFLW0.34460.28480.3147mPas（93）22⑥提馏段液相平均表面张力的计算L提LFLW0.056320.061230.05878Nm-1（94）22⑦气体体积流量VS提VsFVsW4.082.983.53m3/s（96）22⑧提馏段上升蒸气质量流量V提 MV提V' 24.259350.68 8507.146kg/h （97）⑨提馏段下降液体质量流量29沈阳化工大学 化工原理课程设计符号数值

L精 ML精L 31.678632.22 20027.47kg/h （98）表2-14 提馏段的物性参数及质量流量ML提MV提L提V提L提L提Vs提V提L提kg/kmolkg/kmolkg/m3kg/m3mPasNm-1m3/skg/hkg/h20.24224.2591037.60.6560.31470.058783.538507.120027.44672.3.2塔体工艺尺寸的计算⑴选择合适的填料填料是填料塔中汽液接触的基本构件，它提供了气液两相接触传质和传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。填料塔内所用的填料应根据生产工艺技术的要求进行选择，并对填料的品种、材质及尺寸进行综合考虑，应尽量选用技术资料齐全，使用性能成熟的新型塔填料。对性能相近的填料，应根据它们的特点进行技术、经济评价，使所选用的填料既能满足生产要求，又能使设备的投资和操作费用最低或较低。本设计选用规整填料，金属丝网波纹填料 BX。规整填料是一种在塔内按照均匀几何图形分布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和整流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同样的溶剂中可以达到更高的传质、传热效率。与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的气液通30沈阳化工大学 化工原理课程设计量，单位分离能力大。图2-2一种金属丝网波纹填料图2-2一种金属丝网波纹填料金属丝网波纹填料 BX的性能优于传统环式填料，具有以下特点：一、与常用的鲍尔环相比，比表面积增大了 2~3倍，填料压降降低，气液通量以及传质效率有大幅提高；二、不锈钢材质的填料BX，经过适当的表面处理后，表面润湿率高于塑料材质的丝网和板波纹填料；三、针对精馏操作中可能引入的第三相杂质，BX填料具有整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能；四、持液量小，对于难分离物系、昂贵产品、热敏性介质的精馏非常有利。鉴于以上特点，并且属于常压精馏，本设计选用金属丝网波纹填料BX。31沈阳化工大学 化工原理课程设计金属丝网波纹填料 BX的各项参数列入表 2-15备查。填料标记：HGT21559.3-2005-W500-300.表2-15金属丝网波纹填料BX的相关参数比表面积水力直径倾角空隙率材质（m2/m2）de（/mm）（/）/%a/不锈钢5007.53090气体负荷每块理论板压每米填料理滞留量操作压力30.5降/Pa论板数/%/PaVBX/[m/s（kg/m）]2.54054102~105

密度 （/kgm3）250在泛点时的当量空气速度/（m/s）2.9⑵精馏段及提馏段泛点空塔气体流速的设计计算对于丝网波纹填料来说，泛点空塔气体流速可以用下式计算。uF1.2（99）ueFg式中uF——泛点空塔气速，m/s；ueF——丝网波纹填料在泛点时的当量空气速度，查表2-15得ueF2.9m/s；g——气相密度，查表2-13得g1.07135kg/m3。得：uF精1.22.91.23.069m/s（100）ueFg1.07135u精0.75uF精0.753.0692.302m/s（101）同理可得32沈阳化工大学 化工原理课程设计uF提1.22.91.2（102）ueF3.922m/sg0.656u提0.6uF提0.63.8592.363m/s（103）⑶塔径设计计算按照精馏段泛点空塔气速计算塔径：4Vs精42.12（104）DT精3.140.938muF精3.069圆整后：DT精900mm，代入上式中计算得u3.334m/s。（105）按照提馏段泛点空塔气速计算塔径：4Vs提4*3.53（106）DT提3.141.071muF提3.922圆整后：DT提1000mm，代入上式中计算得u4.497m/s。（107）精馏段及提馏段塔径圆整后 DT 1000mm，为精馏塔的塔径。2.3.3填料层高度的计算查得使用BX在气体负荷60%、75%时的相关数据列于表2-16中。表2-16金属丝网波纹填料BX在气体负荷为60%和75%时的部分特性气体负荷/%6075每米填料的理论板数5.855.10每米填料的压降/Pa133.5253.6滞料量/%2.84.1Z精12（108）2.3529m,5.10Z提4（109）0.68376m5.8533沈阳化工大学 化工原理课程设计ZZ精Z提2.35290.683763.03666m（110）采用上述方法计算出填料层高度后，还应留出一定安全系数。根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z' 1.2~1.5Z，本设计取Z' 1.3Z。Z'1.3Z1.33.036663.948m（111）2.3.4填料层压降的计算⑴精馏段P133.52.3529314.112Pa（112）精即：精馏段填料压降 314.112Pa。⑵提馏段提0.68376173.4Pa（113）P253.6即：提馏段填料压降173.4Pa。全塔压降T精提314.112173.4487.512Pa（）PPP1142.3.5填料层的分段塔体工艺尺寸计算结果列于表2-17中。表2-17塔体工艺尺寸计算结果精馏段提馏段全塔内径/mm90010001000填料层高度/m2.35290.683763.0366634沈阳化工大学 化工原理课程设计填料压降/Pa314.112173.4487.512*：未考虑安全系数。假定安全系数为 1.3时，设计全塔填料高度3.948m。第四章 附属设备及主要附件的选型计算3.1冷凝器的选择本设计选用重力回流的直立管壳式冷凝器。 对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用管壳式冷凝器或者空气冷凝器、螺旋板式换热器。本设计管采用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排除冷凝液。冷却剂循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费。3.1.1 冷凝剂的选择本设计建厂地址为沈阳，沈阳市夏季最热月份平均气温为t125C。冷却剂用深井水，冷却水出口温度一般不超过40C，否则易结垢，选择升温为10C，即冷却水出口温度为t235C。⑴被冷凝气体质量流量塔顶液相温tVD78.33C，即T178.33C；tLD78.25C，即T278.25C。由表2-6可得QC1.44107kJ/h。35沈阳化工大学 化工原理课程设计⑵计算冷却水流量GcQc1.44107Cpt2t14.170345323.7kg/h3525115）3.1.2 冷凝器的计算与选择t1T1t278.333543.3C（116）t2T2t178.252553.25C（117）tm冷t2t153.2543.3（118）48.114Clnt2ln53.25t143.3取冷凝系数K 500kcal/（m2h C） 2090kJ/（m2h C） （119）所以冷凝器面积AQC1.44107143.2m2（120）Ktm209048.114设操作弹性为1.85，（121）查取有关数据如表 3-1所示。表3-1用于冷凝器的固定管A'1.85A1.85143.2265m2板式换热器的参数公称直径/mm管程数管数中心排管管长/mm换热面积/m2公称压力/MPa90011009354500265136沈阳化工大学 化工原理课程设计3.2再沸器的选择再沸器的选择决定于处理能力，操作条件及操作方法，本设计采用立式热虹吸式再沸器，经处理后，放在塔釜内，选择133.3℃饱和水蒸气加热，传热系数K'1000kcal/（m2hC）4186kJ/（m2hC）（122）tm再133.3-10033.3C（123）由表2-6可得Q'S1.621107kJ/hA再Q'S1.621107116.29m2（124）K'tm再418633.3查取有关数据如表 3-2所示表3-2 用于再沸器的固定管板式换热器的参数公称直径/mm 管程数 管数 中心排管 管长/mm 换热面积/m2 公称压力/MPa600 1 430 22 4500 116.29 2.53.3塔内其他构件3.3.1接管的计算与选择⑴进料管本次加料选用高位槽进料，所以 WF可取0.4～0.8m/s。本次设计取WF 0.7m/s。37沈阳化工大学 化工原理课程设计dF4F48333.333600WFLF0.0614m36003.140.71117.57125）式中F——进料液质量流量，kg/h；LF——进料条件下的液体密度，kg/m3。圆整后dF60mm，查得合适的进料管参数列于表3-3中。表3-3进料管参数表内管d2s2外管d1s1半径RH1H2内管重/（kg/m）253764751201501.63⑵回流管冷凝管安装在塔顶时，回流液在管道中的流速一般不能过高，否则冷凝器高度也要相应提高，对于重力回流，一般取速度WR为0.2～0.5m/s，本次设计取WR0.3m/s。dR4LR49835.1133600WRLD36000.124m3.140.3751.3126）式中LRRD'2.174532.319835.113kg/h（）127LR——回流液体质量流量，kg/h；LD——塔顶液相密度，kg/m3。圆整后dR125mm，查得合适的回流管参数列于表3-4中。表3-4回流管参数表38沈阳化工大学 化工原理课程设计内管d2s2外管d1s1半径RH1H2内管重/（kg/m）89413342651201508.58⑶塔顶蒸气接管从塔顶至冷凝器的蒸气导管，尺寸必须适合，以免产生过压降，特别在减压过程中，过大压降会影响他的真空度。操作压力为常压，蒸气速度WP 12～20m/s，本次设计取WP 15m/s。dP4VP414231.453600WPV0.482m36003.14151.4207128）式中VP（1）'（2.171）4532.3114231.45kg/h（）RD129VP——塔顶蒸气质量流量，kg/h；VD——塔顶气相密度，kg/m3。圆整后dP486mm，查得合适的塔顶蒸气管参数列于表3-5中。表3-5塔顶蒸气管参数表内管d2s2外管d1s1半径RH1H2内管重/（kg/m）2196273865015020031.52⑷塔釜出料管塔釜流出液体的速度 WW一般可取0.5～1.0m/s，本次设计取39沈阳化工大学 化工原理课程设计WW0.9m/s。dP4W'45081.713600WWLW0.0457m36003.140.9957.63130）式中W'——塔釜流出液质量流量，kg/h；LW——塔釜液相密度，kg/m3。圆整为dP46mm，查得合适的塔釜出料管参数列于表3-6中。表3-6塔釜出料管参数表内管d2s2外管d1s1半径RH1H2内管重（/kg/m）57.3510841501201504.623.3.2液体分布器采用莲蓬头式喷淋器。选用此装置能使截面积的填料表面较好的润湿。结构简单，制造了和维修方便，喷洒比较方便，安装方便。⑴回流液分布器流速系数取0.82~0.85，推动力液柱高度H可取0.12~0.15m以上。本次设计取0.83，H推取0.16m。则小孔中液体流速W孔2gH推0.8329.8070.161.470m（131）小孔输液能力计算40沈阳化工大学 化工原理课程设计Q输RLR9835.1133.636103m3/s（132）LD3600751.33600由Q输RfW孔得小孔总面积Q3.63610332fR输R2.9810m（133）W孔0.831.470所以，小孔数nf2.9810377.578（个）（134）3.14271032d孔44式中d孔——小孔直径，一般取4～10m，本次设计取7mm。喷洒器球面中心到填料表面距离h喷rcotgr2（135）2W孔2sin2式中r——喷射圆周半径，DT75～1001000280420mm0.42mr2——喷射角，即小孔中心线与垂直轴线间的夹角，40，取40所以gr2h喷rcot2W孔2sin20.42cot409.8070.4222（sin40）221.471.55m（136）41沈阳化工大学 化工原理课程设计⑵进料液分布器由前知，小孔流速 W孔 1.470m/s小孔的输液能力Q输FF8333.332.07103m3/s（137）LF36001117.713600取d孔4mm，0.83，小孔总面积fFQ输F2.071031.697103m2（138）W孔0.831.470所以，小孔数fF1.69710nF3.14d孔241044

3135.1 136（个） （139）32仍然假定40，h喷rcotgr22W孔2sin20.42cot409.8070.4221.4702sin24021.55m（140）莲蓬头直径d喷可取(0.2～0.3)DT，选择d喷0.25DT0.251000250mm。（141）3.3.3除沫器的选择为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。常用的除沫器装置有折板除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。本设计塔径较小，且气液分离，故采用小型丝网除沫器，装入设备上盖。42沈阳化工大学 化工原理课程设计气速计算WKKLDVD（142）VD式中 K———常数，取0.107；LD、VD———塔顶气体和液体密度3。（kg/m）WK0.107751.31.4207（143）2.458m/s1.4207气体处理量V处V12497.533.24m3/s（144）3600V精36001.07135除沫气体器直径4V处43.24（145）D除3.141.296mWK2.4583.3.4液体再分布器因为规整填料具有使液体均匀分布的性能，故本次设计不需设液体再分布器。3.3.5填料支撑盘填料为金属丝网波纹填料 BX，塔内径为1000mm，精馏段、提馏段填料高度分别为 2.3529m、0.68376m。查HGT21559.3-2005《不锈钢丝网波纹填料》后进行填料支撑盘的设计。43沈阳化工大学 化工原理课程设计此塔内径大于 400mm，取盘高 110mm，则精馏段、提馏段分别有16盘、31盘。每盘填料有上下两箍，上箍宽40mm，下箍宽45mm，下箍翻边宽6.2mm。箍的尺寸为：径向间隔2.0mm，上翻边尺寸3.5mm，切缝长度8mm，切缝间距10mm。盘间隔10mm，填料盘总间距460mm。3.3.6裙座的设计塔底常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。考虑到工艺中采用直立式再沸器，裙座高度取0.3m，Db1 820mm，Db2 1100mm。3.3.7手孔的设计手孔是指手和手提灯能伸入的设备孔口，用于不便进入或不必进入设备即能清理、检查或修理的场合。本设计采用了波纹填料，不需考虑经常拆卸的问题。在进料管的对面、精馏段上方、提馏段下方各设计一个手孔。由于塔径为D 1000mm，所以手孔可设计为直径为 D孔 500mm大小的圆孔。3.3.8塔釜设计料液在釜内停留15min，装料系统取0.5，塔底高（h）：塔径（d）=2：1。塔底料液量44沈阳化工大学 化工原理课程设计L底VS提3.53m3/s（146）塔底体积底L底3.537.06m3/s（147）V0.50.5V底d2h（148）4d32V底327.062.12m（149）3.14h2d22.12m4.24m（150）3.3.9塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取 1.2～1.5m，本设计取1.2m。3.4精馏塔高度计算经过工艺计算，精馏塔各部分的高度列于表3-7中。表3-7精馏塔各部分高度列表（单位：mm）塔顶塔釜裙座填料层高度塔釜法兰高120042403003948200填料盘总间距喷淋高度塔顶接管高度喷头弯曲半径喷头上方空隙46094415090200本次设计的填料塔的实际高度为：11732mm45沈阳化工大学 化工原理课程设计第五章 设计结果的自我总结和评价4.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表表4-1 精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表名称摩尔分数/%平均分子质量 /（kg/kmol）温度（/C）气体摩尔流量 （/kmol/h）液体摩尔流量 （/kmol/h）液相平均密度（/kg/m3）气相平均密度 （/kg/m3）液体表面张力（/N/m-1）

塔顶塔釜进料精馏段提馏段0.81810.00120.115340.9718.0522.3878.2599.7285.7382.0392.73197.13199.13111.69564.20751.3957.631117.57934.41037.61.42070.58990.7221.071350.6560.02560.061230.056320.040960.058784.2精馏塔主要工艺尺寸表4-2 精馏塔主要工艺尺寸（ mm）46沈阳化工大学 化工原理课程设计塔顶塔釜裙座填料层高度塔釜法兰高120042403003948200填料盘总间距喷淋高度塔顶接管高度喷头弯曲半径喷头上方空隙46094415090200全塔高度H11732mm。附录一、主要符号说明表4-1 主要符号说明符号 意义 计量单位D塔顶馏出液kmol/hF进料液kmol/hW塔釜残液kmol/htD塔顶温度CtW塔釜温度CtF进料温度Ct1精馏段平均温度Ct2提馏段平均温度CxD塔顶组成xF进料组成47沈阳化工大学xWRLVLVMDMWMFCPWCQDQCQFQW

塔釜组成回流比精馏段下降液体量精馏段上升蒸汽量提馏段下降液体量提馏段上升蒸汽量塔顶平均摩尔质量塔釜平均摩尔质量进料平均摩尔质量比热容表面张力冷却水消耗量塔顶馏出液带出热量冷凝器热负荷进料热量塔釜馏出液带出热量密度黏度

化工原理课程设计kmol/hkmol/hkmol/hkmol/hkg/kmolkg/kmolkg/kmolkJ/（kmol C）m-1kg/hkJ/hkJ/hkJ/hkJ/hkg/m3mPas48DZAH

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