化工原理课程设计完整版..doc

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————大学

化工原理课程设计

说明书

专业：

班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

提交时间：

成绩：

化工原理课程设计任务书

专业班级设计人

一、设计题目

分离乙醇-水混合液（混合气）的填料精馏塔

二、设计数据及条件

生产能力：

年处理乙醇-水混合液（混合气）：

0.7万吨（开工率300天/年）；

原料：

乙醇含量为40%（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）93%；

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

（一）编制一份设计说明书，主要内容包括：

1、前言；

2、流程的确定和说明（附流程简图）；

3、生产条件的确定和说明；

4、精馏（吸收）塔的设计计算；

5、附属设备的选型和计算；

6、设计结果列表；

7、设计结果的讨论与说明；

8、注明参考和使用的设计资料；

9、结束语。

（二）绘制一个带控制点的工艺流程图（2#图）

（三）绘制精馏（吸收）塔的工艺条件图（坐标纸）

四、设计日期：

2012年03月07日至2012年03月18日

沈阳化工大学化工原理课程设计目录

目录

前言 1

第一章流程确定和说明 2

1.1加料方式的确定 2

1.2进料状况的确定 2

1.3冷凝方式的确定 2

1.4回流方式的确定 3

1.5加热方式的确定 3

1.6再沸器型式的确定 3

第二章精馏塔设计计算 4

2.1操作条件与基础数据 4

2.1.1操作压力 4

2.1.2气液平衡关系与平衡数据 4

2.1.3回流比 4

2.2精馏塔工艺计算 5

2.2.1物料衡算 5

2.2.2热量衡算 9

2.2.3理论塔板数的计算 12

2.2.4实际塔板数的计算 13

2.3精馏塔主要尺寸的设计计算 15

2.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件 15

2.3.2.塔体工艺尺寸的计算 18

2.3.3填料层高度的计算 21

2.3.4填料层压降的计算 22

2.3.5填料层的分段 24

第三章附属设备及主要附件的选型计算 25

3.1冷凝器的选择 25

3.1.1冷凝剂的选择 25

3.2再沸器的选择 26

3.2.1间接加热蒸气量 26

3.2.2再沸器加热面积 26

3.3塔内其他构件 27

3.3.1接管的计算与选择 27

3.3.2液体分布器 29

3.3.3除沫器的选择 30

3.3.4液体再分布器 31

3.3.5填料及支撑板的选择 31

3.3.6裙座的设计 31

3.3.7手孔的设计 32

3.3.8塔釜设计 32

3.3.9塔的顶部空间高度 32

3.4精馏塔高度计算 32

第四章设计结果的自我总结和评价 34

4.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表 34

4.2精馏塔主要工艺尺寸 34

4.3同组数据比较 35

4.4设计结果的自我总结与评价 35

附录 37

一、符号说明 37

二、不同设计条件下设计结果比较 38

沈阳化工大学化工原理课程设计前言

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。

39

沈阳化工大学化工原理课程设计第一章流程确定和说明

第一章流程确定和说明

选择精馏设备，首先应从经济考虑，在充分考虑整个系统热能的利用，降低操作费用。

另外还应考虑到它对操作稳定性的影响，塔的操作如不稳定就不能保证产品质量的均匀，具体情况如下：

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再沸器型式的确定

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。

沈阳化工大学化工原理课程设计第二章精馏塔设计计算

第二章精馏塔设计计算

2.1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气液平衡关系与平衡数据

表2-1常压下乙醇-水的气液平衡与温度关系

液相乙醇摩尔分数（x）

气相乙醇摩尔分数（y）

温度/

0

0

100.0

0.0190

0.1700

95.5

0.0721

0.3891

89.0

0.0966

0.4375

86.7

0.1238

0.4704

85.3

0.1661

0.5089

84.1

0.2337

0.5445

82.7

0.2608

0.5580

82.3

0.3273

0.5826

81.5

0.3965

0.6122

80.7

0.5079

0.6564

79.8

0.5198

0.5732

0.6599

0.6841

79.7

79.3

0.6763

0.7385

78.74

0.7472

0.7815

78.41

0.8943

0.8943

78.15

2.1.3回流比

通常R=（1.1～2.0）Rmin,此设计取R=1.5Rmin

2.2精馏塔工艺计算

2.2.1物料衡算

⑴物料衡算图

图2-1物料衡算图

——原料流量，；——馏出液流量，；

——釜液流量，；——原料中易挥发组分的摩尔分数；

——馏出液中易挥发组分的摩尔分数；——釜液中易挥发组分的摩尔分数。

⑵物料衡算

已知:

质量分数：

,

所以：

=

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、馏出液、釜残液的摩尔组成：

同理可求得：

原料液的平均摩尔质量：

同理可求得：

塔顶液相、气相、塔釜、进料的温度分别为：

，，

查表2-1，用内插法解得

塔顶液相：

解得:

气相解得:

塔釜：

解得：

进料：

解得：

精馏段平均温度：

提馏段平均温度：

原料液：

总物料衡算：

易挥发组分衡算：

解得

塔顶产品的的平均相对分子质量：

塔顶产品质量流量：

塔釜产品质量流量：

⑶相对挥发度的计算

①精馏段：

液相组成：

解得：

气相组成：

解得：

精馏段：

②提馏段：

液相组成：

解得：

气相组成：