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化工原理课程设计题目乙醇-水溶液连续精馏塔设计学院名称化学化工学院指导教师班级学号学生姓名2013目录前言第一章流程确定和说明一.加料方式二.精料状况三.塔顶冷凝方式四.回流方式五.加热方式六.再沸器型式第二章精馏塔的设计计算一操作条件与基础数据2.1.1.操作压力2.1.2.气液平衡关系及平衡数据2.1.2.相对挥发度的计算2.1.4.最小回流比及操作回流比的确定二精馏塔的工艺计算2.2.1.物料衡算2.2.2.热量衡算2.2.3.理论塔板数的计算2.2.4.全塔效率的估算2.2.5.实际塔板数三．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2.3.2.塔板工艺尺寸的计算2.3.3.筛板塔工艺尺寸计算与选取2.3.4.筛板的流力学验算四．塔板负荷性能图2.4.1液相下限线2.4.2液相上限线2.4.3漏液线2.4.4液沫夹带线第三章辅助设备及主要附件的选型设计3.1冷凝器的选择3.1.1冷凝剂的选择3.1.2冷凝器的热负荷3.1.3冷却介质消耗量3.2再沸器的选择3.3除沫器的选择3.4塔顶蒸汽出口管3.5入口，裙座等附件设计3.6精馏塔实际高度计算与设计第四章设计结果的自我总结与评价一精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表二设计结果的自我总结与评价附录一不同设计条件下设计结果比较二参考文献前言在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、蒸馏、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。塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。而实验表明筛板塔的优点是：结构简单，气体压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率均较泡罩塔高。泡罩塔板由于齿封开度是固定的，因此其对蒸汽负荷变动的适应性能不好。气速小时，气液接触不好；气速大时，又易使蒸汽吹开液体。多孔塔板虽然结构简单，处理能力大，但操作弹性比较小。对于筛板塔来说，塔板上开有许多均布的筛孔，筛孔在塔板上作正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层。操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层鼓泡而出，气、液间密切接触而进行传质。在正常的操作气速下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。所以，筛板塔的效率较高，操作弹性较大，能较好的适应进料量的变化。此外，筛板塔还具有结构简单、处理能力强等优点。由于筛板塔板的蒸汽是水平吸入液层的，因此气液搅动较好、雾沫夹带小、接触时间长、传质效果好、其效率比泡罩塔板约高15%。本次课程设计就是针对甲醇-水体系而进行的常压二元筛板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。流程确定和说明加料方式加料方式有两种：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。二.进料状况进料状况共有五种：冷夜进料，泡点进料，气液平衡进料，露点进料，过热蒸汽进料。但实际生产中常用冷夜进料和泡点进料。对于泡点进料来说，与冷液进料比较，其塔板数要较多，费用相对较多。而对于冷夜进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，省加热费用，而且塔板数也较少，易于控制。综合考虑，设计上选用冷液进料。塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。回流方式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。四．加热方式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。六．再沸器型式选择再沸器时，首先应满足工艺要求，即在相同的传热面积下要选择体积小的，可以节省费用。本次设计选用U型管式再沸器，因为与其它型式再沸器相比，它的塔和再沸器之间标高差减小，允许气化率高，操作弹性大，而且本身有蒸发空间。第二章精馏塔的设计计算一操作条件与基础数据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很大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利。减压时，相对挥发将增大，对分离有利。所以，我们选用表压为4kpa的操作压力。温度10098.597.396.194.192.491.2液相组成0,000.040.100.140.200.250.30气相组成0.0000.2730.4300.4820.5250.5510.575温度89.187.986.284.682.581.279.8液相组成0.350.400.450.500.550.600.65气相组成0.5950.6140.6350.6570.6780.6980.725由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需要先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。已知：=35%，=96%，=1%，=46kg/原料液的摩尔组成:===0.1740同理可求得：==0.904原料液的平均摩尔质量：同理可求得：kg/由得：进料：塔顶：塔釜：名称原料液（F）流出液（D）釜残液（W）a/%35961X(摩尔分数)0.17400.9040.00394平均摩尔质量/(kg/)23.8044.618.11温度t/94.3866.2799.88利用内插法计算精馏段和提馏段对应的气、液相摩尔分率，得：精馏段：将代入y=得所以a=2.1.4.最小回流比及操作回流比的确定泡料，R=二精馏塔的工艺计算2.2.1物料衡算又总物料：F=D+W易挥发组分：F解得W=177.4D=32.68塔顶产品质量流量塔釜产品质量流量进料质量流量2.2.2.理论塔板的计算R=2.79，q=1L=RD=2.7938.69=107.95V=(R+1)D=3.7938.69=146.64精馏段操作线方程提馏段操作线方程利用精馏段操作线方程及平衡方程计算，，当时，改用提馏段操作线方程。直到时，停止计算。经计算N=15块。计算结果如下：最小回流比1.7实际回流比2.79塔顶采出量38.69塔底采出量177.4进料位置8理论板数152.2.3.全塔效率的估算当得x=0.629y=0.833据相平衡方程得a=2.72全塔效率2.2.4实际塔板数2.3.2.精馏塔主要尺寸的设计计算空塔气速计算经查表得气相摩尔流量为284.41，液相摩尔流量133.45.精馏段则取板间距，板上液层高度，那么分离空间，空塔气速为。同理查表可求得提馏段板间距与精馏段的都一样，，分离空间空塔气速为3.3.3筛板塔工艺尺寸计算与选取塔板间距直接影响塔高。此外，塔间距HT与塔的生产能力、操作弹性及塔板效率有关。在一定得生产任务下，采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，因而塔径可以小些，但塔高要增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增加，但塔高可以小些。对于板数较多的精馏塔，往往采用较小的板间距。适当加大塔径以降低塔高。本设计采用板间距为0.8m。有效塔板高度2.3.3.塔径与实际空塔气速精馏段提馏段因取上下塔径相同，故按精馏段塔径圆整后为实际空塔气速提馏段精馏段溢流装置工艺尺寸项目精馏段0.910.0420.1740.1110.02提馏段0.910.0330.1740.1110.06塔板布置采用分块式，查表得塔板分6块边缘区宽度确定取，开孔面积2.3.4筛板的流体力学验算一干板阻力计算由计算，查表得精馏段提馏段二液层阻力计算精馏段b=0.58提馏段b=0.59三液面落差对于筛板塔液面落差很小，且本设计塔径和流量均不大，故可以忽略落差的影响。四液沫夹带线由精馏段提馏段所以本设计符合要求。五漏液精馏段稳定系数

同理提馏段稳定系数所以无明显漏液。2.4塔板负荷性能图一液相下限线当由公式计算的在符合性能图做垂线得到液相下限线二液相上限线由此得与气体流量无关的垂直液相负荷上限线三漏液线()0.0040.0100.9440.945可得液漏线四也沫夹带线0.0040.0103.1732.768得到液泛线第三章辅助设备及主要附件的选型设计3.1.1冷凝剂的选择本设计建厂在衡阳，衡阳在夏季平均温度，所以选用平均温度下的冷却水，冷却出口温度.3.1.2冷凝器的热负荷其中------塔顶上升蒸汽的焓--------塔顶流出液的焓经查表得出相关数据3.1.3冷却介质消耗量本设计采用逆流查表公称直径（mm）管数换热面积管程数管长（mm）公称压力80044410363050303.3除沫器的选择当空塔气速较大，塔顶溅液现象严重，以及工艺过程不允许出现出塔气体夹带雾低的情况下设置除沫器以保证传质效率，降低有价值物料的损失和改善分离塔压缩机的操作。K=0.107-----气体处理量-----操作气速-------除沫直径3.4塔顶蒸汽出口塔顶蒸汽出口管径必须有一定适宜的尺寸，否则产生大压降。本设计取。管径3.5入口，裙座等附件设计（1）人孔是安装或者检修人员进出塔器的唯一通道。人孔的设计应便于人员进出任意一层塔板，但由于设计人孔处的踏板间距要增大，且人孔设施过多会使制造塔体的弯曲度难以达到要求，所以一般板式塔每隔10-20层或5-10米塔段设置一个人孔，本设计共43块板，人孔数为3，塔板间距至少比人孔大150mm，且不得小于600mm。塔顶和塔釜也应各设置一个人孔。（2）裙座起到支撑塔体的作用，裙座的选择还应考虑到载荷，塔的操作条件及塔釜风头的材料等因素，对于在室外操作的塔，还应考虑环境温度、裙座的结构性能等。本设计采用圆筒型裙座，高度为3.5m（3）吊柱的设置对于补充和更换填料安装和拆卸内件，是既经济又方便的一项设置，一半在15m以上的塔都设置吊3.6精馏塔实际高度计算与设计塔高包括塔的有效高度、顶部空间和底部空间高度及塔裙高度。塔高度塔有效高度塔底部空间高度查表得出相关数据裙座高度3.5m第四章设计结果的自我总结与评价一精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表主要参数名称塔顶塔底进料精馏段提馏段液相质量流量0.070.0560.114.85.76摩尔率0.950.003940.2071平均分子质量44.618.1123.8液相平均密度1.120.590.951.040.77温度74.7799.8884.879.78592.33液体粘度0.350.330.350.340.32液体表面张力22.258.850.3736.354.6主要尺寸理论板层数15实际板层数30塔径1.4塔高18.69二同组数据的比较通过与宿舍的同学的数据比较，发现在回流比增大其他值不变的情况下，塔高度逐渐增加，但在数据计算处理和选择其他条件时，存在误差或不足的地方，造成结果存在一定的偏差。三设计结果的自我总结与评价本次课程设计的要求为设计分离乙醇-水混合液（混合气）的筛板精馏塔，通过本次课程设计我学到了很多东西。本次课程设计需要大量的化工原理计算，这是我们学习化工原理的一次实践，不仅巩固了我们的学习成果，也使我们了解了各种计算在实际生产中的应用与方法。通过具体的筛板精馏塔的设计，我熟悉了精馏塔的结构、反应过程、生产流程，还了解了生产过程中附属设备的设计选择。这不是一个单一设备的设计，而是一整套生产系统的设计。它使我们学会了怎样从实际生产出发，周全的考虑问题，从宏观的角度统筹生产，从微观的角度设计好每一个细节。在本次的课程设计中，我查阅了很多资料，了解了许多课堂上学不到的东西。通过对学术期刊的