化工原理課程設計--乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p>　　題 目 乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔設計 </p><p>　　學院名稱 化學化工學院 </p><p>　　指導教師 <

2、/p><p>　　班 級 </p><p>　　學 號 </p><p>　　學生姓名 </p><p><b>　　2013年1月6日</b></p><p>

3、;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　第一章 流程確定和說明</p><p><b>　　一. 加料方式</b></p><p><b>　　二. 精料狀況</b></p><p>

4、;<b>　　三. 塔頂冷凝方式</b></p><p><b>　　四. 回流方式</b></p><p><b>　　五. 加熱方式</b></p><p><b>　　六. 再沸器型式</b></p><p>　　第二章 精餾塔的設計計算</p

5、><p>　　一 操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</p><p>　　2.1.1. 操作壓力</p><p>　　2.1.2. 氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　2.1.2. 相對揮發(fā)度的計算</p><p>　　2.1.4. 最小回流比及操作回流比的確定</p><p>　　二 精餾塔的工藝計算

6、</p><p>　　2.2.1. 物料衡算</p><p>　　2.2.2. 熱量衡算</p><p>　　2.2.3. 理論塔板數(shù)的計算</p><p>　　2.2.4. 全塔效率的估算</p><p>　　2.2.5. 實際塔板數(shù)</p><p>　　三． 精餾塔主要尺寸的設計計算<

7、/p><p>　　2.3.1. 塔和塔板設計的主要依據(jù)和條件</p><p>　　2.3.2. 塔板工藝尺寸的計算</p><p>　　2.3.3. 篩板塔工藝尺寸計算與選取</p><p>　　2.3.4. 篩板的流力學驗算</p><p><b>　　四．塔板負荷性能圖</b></p>

8、<p>　　2.4.1 液相下限線</p><p>　　2.4.2 液相上限線</p><p><b>　　2.4.3 漏液線</b></p><p>　　2.4.4 液沫夾帶線</p><p>　　第三章 輔助設備及主要附件的選型設計</p><p>　　3.1 冷凝器的選擇<

9、;/p><p>　　3.1.1 冷凝劑的選擇</p><p>　　3.1.2 冷凝器的熱負荷</p><p>　　3.1.3 冷卻介質(zhì)消耗量</p><p>　　3.2 再沸器的選擇</p><p>　　3.3 除沫器的選擇</p><p>　　3.4 塔頂蒸汽出口管</p><

10、p>　　3.5 入口，裙座等附件設計</p><p>　　3.6 精餾塔實際高度計算與設計</p><p>　　第四章 設計結(jié)果的自我總結(jié)與評價</p><p>　　一精餾塔主要工藝尺寸與主要設計參數(shù)匯總表</p><p>　　二 設計結(jié)果的自我總結(jié)與評價 </p><p><b>　　附錄<

11、/b></p><p>　　一 不同設計條件下設計結(jié)果比較</p><p><b>　　二 參考文獻</b></p><p>　　前言 </p><p>　　在化學工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛應用的諸如吸收、解吸、蒸

12、餾、萃取等單元操作中，氣液傳質(zhì)設備必不可少。塔設備就是使氣液成兩相通過精密接觸達到相際傳質(zhì)和傳熱目的的氣液傳質(zhì)設備之一。 </p><p>　　塔設備一般分為級間接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。前者的代表是板式塔，后者的代表則為填料塔，在各種塔型中，當前應用最廣泛的是篩板塔與浮閥塔。</p&

13、gt;<p>　　而實驗表明篩板塔的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，氣體壓降小，板上液面落差也較小，生產(chǎn)能力及板效率均較泡罩塔高。泡罩塔板由于齒封開度是固定的，因此其對蒸汽負荷變動的適應性能不好。氣速小時，氣液接觸不好；氣速大時，又易使蒸汽吹開液體。多孔塔板雖然結(jié)構(gòu)簡單，處理能力大，但操作彈性比較小。對于篩板塔來說，塔板上開有許多均布的篩孔，篩孔在塔板上作正三角形排列。塔板上設置溢流堰，使板上能維持一定厚度的液層。操作時，上升氣流通過篩

14、孔分散成</p><p>　　細小的流股，在板上液層鼓泡而出，氣、液間密切接觸而進行傳質(zhì)。在正常的操作氣速下，通過篩孔上升的氣流，應能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。所以，篩板塔的效率較高，操作彈性較大，能較好的適應進料量的變化。此外，篩板塔還具有結(jié)構(gòu)簡單、處理能力強等優(yōu)點。由于篩板塔板的蒸汽是水平吸入液層的，因此氣液攪動較好、霧沫夾帶小、接觸時間長、傳質(zhì)效果好、其效率比泡罩塔板約高15%。</p><

15、;p>　　本次課程設計就是針對甲醇-水體系而進行的常壓二元篩板精餾塔的設計及相關(guān)設備選型。由于此次設計時間緊張，本人水平有限，難免有遺漏謬誤之處，懇請老師指出以便修正。</p><p><b>　　流程確定和說明</b></p><p><b>　　加料方式</b></p><p>　　加料方式有兩種：高位槽加料和泵

16、直接加料。采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速，通過重力加料，可以節(jié)省一筆動力費用，但由于多了高位槽，建設費用相應增加；采用泵加料，受泵的影響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，從而影響了傳質(zhì)效率，但結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。如果采用自動控制泵來控制泵的流量和流速，其控制原理較復雜，且設備操作費用高。本設計采用高位槽進料。</p><p><b>　　二. 進料狀況</b><

17、;/p><p>　　進料狀況共有五種：冷夜進料，泡點進料，氣液平衡進料，露點進料，過熱蒸汽進料。但實際生產(chǎn)中常用冷夜進料和泡點進料。對于泡點進料來說，與冷液進料比較，其塔板數(shù)要較多，費用相對較多。而對于冷夜進料，當組成一定時，流量一定，對分離有利，省加熱費用，而且塔板數(shù)也較少，易于控制。綜合考慮，設計上選用冷液進料。</p><p><b>　　塔頂冷凝方式</b><

18、;/p><p>　　塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。</p><p><b>　　回流方式</b></p><p>　　回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小塔型，回流冷凝器一般安裝在塔頂，其優(yōu)點是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點是回流冷凝器回流控制較難。如果需要較高的塔處理量或塔板數(shù)較多時，回流冷凝器不適合于塔頂安裝，且塔頂冷凝器不易安裝、檢修和清

19、理。在此情況下，可采用強制回流，塔頂上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次設計為小型塔，故采用重力回流。</p><p><b>　　四． 加熱方式</b></p><p>　　加熱方式分為直接蒸汽加熱和間接蒸汽加熱，直接蒸汽加熱時蒸汽直接由塔底進入塔內(nèi)，由于重組分是水，故省略加熱裝置。但在一定的回流比條件下塔底蒸汽對回流液有</p><p&g

20、t;　　稀釋作用，使理論塔板數(shù)增加，費用增加。間接蒸汽加熱時通過加熱器使釜液部分汽化，維持原來的濃度，以減少理論板數(shù)，缺點是增加加熱裝置。本次設計采用間接蒸汽加熱。</p><p><b>　　六．再沸器型式</b></p><p>　　選擇再沸器時，首先應滿足工藝要求，即在相同的傳熱面積下要選擇體積小的，可以節(jié)省費用。本次設計選用U 型管式再沸器，因為與其它型式再沸

21、器相比，它的塔和再沸器之間標高差減小，允許氣化率高，操作彈性大，而且本身有蒸發(fā)空間。</p><p>　　第二章 精餾塔的設計計算</p><p>　　一 操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</p><p>　　2.1.1. 操作壓力</p><p>　　精餾操作按操作壓力可分為常壓，加壓和減壓操作，精餾操作中壓力影響很大。當壓力增大時，混合液的相對揮發(fā)

22、度將減小，對分離不利。減壓時，相對揮發(fā)將增大，對分離有利。所以，我們選用表壓為4kpa的操作壓力。</p><p>　　由于精餾過程的計算均以摩爾分數(shù)為準，需要先把設計要求中的質(zhì)量分數(shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分數(shù)。</p><p>　　已知：=35%， =96%， =1%，=46kg/ 原料液的摩爾組成: </p><p><b>　　===0.174

23、0</b></p><p>　　同理可求得：==0.904</p><p>　　原料液的平均摩爾質(zhì)量：</p><p>　　同理可求得：kg/ </p><p><b>　　由得：</b></p><p><b>　　進料： </b>&l

24、t;/p><p><b>　　塔頂： </b></p><p><b>　　塔釜： </b></p><p>　　利用內(nèi)插法計算精餾段和提餾段對應的氣、液相摩爾分率，得：精餾段：</p><p>　　將代入y= 得 </p><p><b>　

25、　所以a=</b></p><p>　　2.1.4. 最小回流比及操作回流比的確定</p><p><b>　　泡料， </b></p><p><b>　　R=</b></p><p>　　二 精餾塔的工藝計算</p><p>　　2.2.1 物料衡算

26、</p><p><b>　　又 </b></p><p><b>　　總物料：F=D+W</b></p><p>　　易揮發(fā)組分：F 解得 W=177.4 D=32.68</p><p>　　塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流量 </p><p>　　塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量 <

27、;/p><p>　　進料質(zhì)量流量 </p><p>　　2.2.2. 理論塔板的計算</p><p>　　R=2.79，q=1 L=RD=2.7938.69=107.95</p><p>　　V=(R+1)D=3.7938.69=146.64</p><p>　　精餾段操作線方程 </p><

28、p>　　提餾段操作線方程 </p><p>　　利用精餾段操作線方程及平衡方程計算，，當時，改用提餾段操作線方程。直到時，停止計算。經(jīng)計算N=15塊。計算結(jié)果如下：</p><p>　　2.2.3. 全塔效率的估算</p><p>　　當?shù)脁=0.629 y=0.833</p><p>　　據(jù)相平衡方程得a=2.72</p&

29、gt;<p><b>　　全塔效率</b></p><p>　　2.2.4 實際塔板數(shù)</p><p>　　2.3.2.精餾塔主要尺寸的設計計算</p><p><b>　　空塔氣速計算</b></p><p>　　經(jīng)查表得氣相摩爾流量為284.41，液相摩爾流量133.45.<

30、/p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　取板間距，板上液層高度，那么分離空間，空塔氣速為 。</p><p>　　同理查表可求得提餾段 </p><p>　　板間距與精餾段的都一樣，，分離空間</p>

31、<p><b>　　空塔氣速為 </b></p><p>　　3.3.3 篩板塔工藝尺寸計算與選取</p><p>　　塔板間距直接影響塔高。此外，塔間距 HT 與塔的生產(chǎn)能力、操作彈性及塔板效率有關(guān)。在一定得生產(chǎn)任務下，采用較大的板間距，能允許較高的空塔氣速，因而塔徑可以小些，但塔高要增加。反之，采用較小的板間距，只能允許較小的空塔氣速，塔徑就要增加

32、，但塔高可以小些。對于板數(shù)較多的精餾塔，往往采用較小的板間距。適當加大塔徑以降低塔高。本設計采用板間距為0.8m。</p><p><b>　　有效塔板高度</b></p><p>　　2.3.3. 塔徑與實際空塔氣速</p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>

33、;　　提餾段</b></p><p>　　因取上下塔徑相同，故按精餾段塔徑圓整后為 </p><p>　　實際空塔氣速 提餾段 </p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　溢流裝置工藝尺寸</b></p><p>　　塔板布置采

34、用分塊式，查表得塔板分6塊</p><p>　　邊緣區(qū)寬度確定 取，</p><p><b>　　開孔面積 </b></p><p>　　2.3.4 篩板的流體力學驗算</p><p><b>　　一 干板阻力計算 </b></p><p><b>　　由計算&

35、lt;/b></p><p><b>　　，查表得</b></p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　二 液層阻力</b></p><p>　　計算

36、 精餾段 b=0.58 </p><p>　　提餾段 b=0.59 </p><p><b>　　三 液面落差</b></p><p>　　對于篩板塔液面落差很小，且本設計塔徑和流量均不大，故可以忽略落差的影響。</p><p><b>　　四 液沫夾帶線</b></p>

37、<p><b>　　由</b></p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p>　　所以本設計符合要求。</p><p><b>　　五 漏液</b></p><

38、p>　　精餾段 穩(wěn)定系數(shù)同理 提餾段 穩(wěn)定系數(shù) 所以無明顯漏液。</p><p>　　2.4 塔板負荷性能圖</p><p><b>　　一 液相下限線 </b></p><p><b>　　當 由公式計算的</b></p><p>　　在符合性能圖做垂線得到

39、液相下限線</p><p>　　二 液相上限線 </p><p>　　由此得與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限線</p><p>　　三 漏液線 </p><p><b>　　可得液漏線</b></p><p>　　四 也沫夾帶線 </p><p>&l

40、t;b>　　得到液泛線</b></p><p>　　第三章 輔助設備及主要附件的選型設計</p><p>　　3.1.1 冷凝劑的選擇</p><p>　　本設計建廠在衡陽，衡陽在夏季平均溫度，所以選用平均溫度下的冷卻水，冷卻出口溫度.</p><p>　　3.1.2 冷凝器的熱負荷 </p><

41、p>　　其中 ------塔頂上升蒸汽的焓</p><p>　　--------塔頂流出液的焓</p><p>　　經(jīng)查表得出相關(guān)數(shù)據(jù) </p><p>　　3.1.3 冷卻介質(zhì)消耗量</p><p><b>　　本設計采用逆流 </b></p><p><b>　　查表&l

42、t;/b></p><p>　　3.3 除沫器的選擇</p><p>　　當空塔氣速較大，塔頂濺液現(xiàn)象嚴重，以及工藝過程不允許出現(xiàn)出塔氣體夾帶霧低的情況下設置除沫器以保證傳質(zhì)效率，降低有價值物料的損失和改善分離塔壓縮機的操作。</p><p><b>　　K=0.107</b></p><p>　　-----氣體

43、處理量</p><p><b>　　-----操作氣速</b></p><p>　　-------除沫直徑</p><p>　　3.4 塔頂蒸汽出口</p><p>　　塔頂蒸汽出口管徑必須有一定適宜的尺寸，否則產(chǎn)生大壓降。本設計取。</p><p><b>　　管徑</b&g

44、t;</p><p>　　3.5 入口，裙座等附件設計</p><p>　?。?）人孔是安裝或者檢修人員進出塔器的唯一通道。人孔的設計應便于人員進出任意一層塔板，但由于設計人孔處的踏板間距要增大，且人孔設施過多會使制造塔體的彎曲度難以達到要求，所以一般板式塔每隔10-20 層或5-10 米塔段設置一個人孔，本設計共43 塊板，人孔數(shù)為3 ，塔板</p><p>　　

45、間距至少比人孔大150 mm，且不得小于600mm。塔頂和塔釜也應各設置一個人孔。</p><p>　　（2）裙座起到支撐塔體的作用，裙座的選擇還應考慮到載荷，塔的操作條件及塔釜風頭的材料</p><p>　　等因素，對于在室外操作的塔，還應考慮環(huán)境溫度、裙座的結(jié)構(gòu)性能等。本設計采用圓筒型裙座，</p><p><b>　　高度為3.5m</b>

46、;</p><p>　?。?）吊柱的設置對于補充和更換填料安裝和拆卸內(nèi)件，是既經(jīng)濟又方便的一項設置，一半在15m以上的塔都設置吊</p><p>　　3.6 精餾塔實際高度計算與設計</p><p>　　塔高包括塔的有效高度、頂部空間和底部空間高度及塔裙高度。</p><p><b>　　塔高度 </b><

47、/p><p><b>　　塔有效高度 </b></p><p>　　塔底部空間高度 </p><p>　　查表得出相關(guān)數(shù)據(jù) </p><p><b>　　裙座高度3.5m</b></p><p>　　第四章 設計結(jié)果的自我總結(jié)與評價</p><

48、p>　　一 精餾塔主要工藝尺寸與主要設計參數(shù)匯總表</p><p>　　二 同組數(shù)據(jù)的比較</p><p>　　通過與宿舍的同學的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)在回流比增大其他值不變的情況下，塔高度逐漸增加，但在數(shù)據(jù)計算處理和選擇其他條件時，存在誤差或不足的地方，造成結(jié)果存在一定的偏差。

49、 三 設計結(jié)果的自我總結(jié)與評價</p><p>　　本次課程設計的要求為設計分離 乙醇-水 混合液（混合氣）的篩板精餾塔，通過本次課程設計我學到了很多東西。</p><p>　　本次課程設計需要大量的化工原理計算，這是我們學習化工原理的一次實踐，不僅鞏固了我們的學習成果，也使我們了解了各種計算在實際生產(chǎn)中的應用與方法。通過具體的篩板精餾塔的設計，我熟悉了精餾塔

50、的結(jié)構(gòu)、反應過程、生產(chǎn)流程，還了解了生產(chǎn)過程中附屬設備的設計選擇。這不是一個單一設備的設計，而是一整套生產(chǎn)系統(tǒng)的設計。它使我們學會了怎樣從實際生產(chǎn)出發(fā)，周全的考慮問題，從宏觀的角度統(tǒng)籌生產(chǎn)，從微觀的角度設計好每一個細節(jié)。</p><p>　　在本次的課程設計中，我查閱了很多資料，了解了許多課堂上學不到的東西。通過對學術(shù)期刊的查閱和網(wǎng)絡信息的搜索，增強了我獲取信息的本領(lǐng)，這對我以后的學習和生活都會起到莫大的幫助。計

51、算機輔助設計現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用于生產(chǎn)中，學會和掌握這些新技術(shù)是我們現(xiàn)代工程技術(shù)人員所必須的，在本次課程設計中，我使用了計算機輔助設計。本次課程設計基本上是成功的，但其中還有一些不足之處。比如。我們的設計都是基于理想狀態(tài)的，而實際生產(chǎn)環(huán)境將更復雜，系統(tǒng)中還有不少地方需要改進和完善。還有設計過程中帶來很大的幫助。</p><p>　　計算機輔助設計現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用于生產(chǎn)中，學會和掌握這些新技術(shù)是我們現(xiàn)代工程技術(shù)人員

52、所必須的，在本次課程設計中，我使用了計算機輔助設計。</p><p>　　本次課程設計基本上是成功的，但其中還有一些不足之處。比如。我們的設計都是基于理想狀態(tài)的，而實際生產(chǎn)環(huán)境將更復雜，系統(tǒng)中還有不少地方需要改進和完善。還有設計過程中帶來了一些誤差，通過作圖法完成的。</p><p>　　通過本次課程設計我將理論與實踐聯(lián)系到了一起，知識和能力都得到了提高，這些知識與經(jīng)驗對自己以后的學習和工

53、作來說都是一筆寶貴的財富。</p><p>　　最后，我要感謝我的指導老師，他給了我很多建議和意見，感謝他在本次課程設計中對我的指導和幫助。</p><p><b>　　附錄 </b></p><p>　　1 姚玉英等·化工原理（下）·天津：天津大學出版社</p><p>　　2 夏清，陳常貴等&#

54、183;化工原理（下冊修訂版）天津：天津大學出版社</p><p>　　3 王國勝·化工原理課程設計·大連：大連理工大學出版社</p><p>　　4 天津大學化工原理教研室·化工原理課程設計·天津：天津科學技術(shù)出版社</p><p>　　5 化學工程手冊編寫委員會·化學工程手冊（1）·北京：北京化學工程出