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1、广州大学化学化工学院化工原理课程设计精馏塔设计 设计项目：乙醇水混合溶液连续精馏塔设计姓名：班级：学号： 指导教师：郑文芝、陈胜洲、王振平设计日期：2015年1月前 言5化工原理课程设计任务书5第一章 设计方案的确定61.1 概述61.2 基本原理71.3 确定设计方案原则71.4 设计步骤81.5 设计方案的内容81.6 操作压力81.7 加热方式91.8 进料状态91.9 回流比91.10 热能利用101.11 工艺流程示意图10第二章 精馏塔的工艺设计计算122.1 设计任务和条件122.2 工艺计算132.2.1 精馏塔的物料衡算132.2.2 塔板数的确定14第三章 精馏塔的工艺条件
2、及有关物性数据的计算183.1 操作压力183.2 操作温度183.3 平均摩尔质量183.4 平均密度193.5 液体平均表面张力21第四章 精馏塔的塔体工艺尺寸计算224.1 塔径的计算224.2 精馏塔有效高度计算24第五章 浮阀塔的选定及工艺尺寸的确定245.1 溢流装置计算2427第六章 塔板流体力学验算296.1 精馏段流体力学验算296.1.1 气相通过浮阀塔的压降296.1.2 淹塔校核306.1.3 雾沫夹带校核316.2 提馏段流体力学验算326.1.1气相通过浮阀塔的压降326.1.2 淹塔校核336.1.3 雾沫夹带校核33第七章 塔板负荷性能图347.1 精馏段塔板负
3、荷性能图347.1.1雾沫夹带线347.1.2 液泛线357.1.3 液相负荷上限线367.1.4 漏液线367.1.5 液相负荷下限线367.2 提馏段塔板负荷性能图387.2.1 雾沫夹带线387.2.2 液泛线397.2.3 液相负荷上限线397.2.4 漏液线407.2.5 液相负荷下限线40第八章 热量衡算43 8.1.1冷凝器热负荷和冷却水消耗量448.1.2塔顶冷却器448.1.3塔顶全凝器458.2再沸器458.2.1再沸器的热负荷和加热蒸汽消耗量468.2.2塔釜残液冷凝器468.3进料预热器478.4 接管的尺寸以及选型488.4.1进料管488.4.2 回流管488.4.
4、3 塔顶蒸汽出料管498.4.5釜液出口管498.4.6加热蒸汽管（再沸器返塔蒸汽管）498.3.6全凝器冷凝水管50第九章 塔结构设计519.1 总体结构519.1.1基本结构529.1.2塔体的主要尺寸529.1.3 筒体与封头539.1.4塔体总有效高度539.2 塔板结构549.2.1 法兰55参考文献57结束语57附录58前 言化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有利用价值组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分液化或多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。精馏操作在化工、石油化工或轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，
5、熟悉各种塔形的操作特性，对选择、设计和分析分离中的各种参数是非常重要的。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本设计是针对工业生产中的乙醇水溶液这一二元物质中进行乙醇的提纯精馏方案，根据给出的原料性质及组成、产品性质及组成，对精馏塔进行设计和物料衡算。通过设计核算及试差等计算初步确定精馏塔的进料、塔顶、塔底操作条件及物料组成。同时对精馏的基本结构包括塔的主要尺寸进行了计算和选型，对塔顶冷凝器。塔底再沸器。相关管道尺寸及储罐等进行了计算和选型。在计算设计过程中参考了有关化工原理、化学工程手册、冷换设备工艺计算手册等方面的资料。为精馏塔的设计计算提供了技术支持和保证。通过对精馏塔进行设计和
6、物料衡算等方面的计算，进一步加深了对化工原理、石油加工单元过程原理等的理解深度，开阔了视野，提高了计算、绘图、计算机的使用等方面的知识和能力。化工原理课程设计任务书姓名： 朱志豪 学号： 1205200018 一、题目：酒精连续精馏板式塔设计二、设计原始数据：1、乙醇水混合物，含乙醇 15 %（质量），温度控制在接近饱和温度 ;2、产品：馏出液含乙醇 81 %（质量），温度 控制在接近饱和温度 ;按间接蒸汽加热计;3、塔底出料: 塔底液含乙醇 0.1 %（质量）4、生产能力：年产酒精（指馏出液） 40000 吨5、热源条件：加热蒸汽为饱和蒸汽，其绝对压强为0.5MPa。三、任务：1、确定精馏的
7、流程，绘出流程图，标明所需的设备、管线及其有关观测或控制所必需的仪表和装置。2、精馏塔的工艺设计和结构设计：选定塔板型，确定塔径、塔高及进料板的位置；选择塔板的结构型式、确定塔板的结构尺寸；进行塔板流体力学的计算（包括塔板压降、塔的校核几雾沫夹带量的校核等）。3、作出塔的操作性能图、计算其操作弹性。4、确定与塔身相连的各种管路的直径。5、计算全塔装置所用蒸汽量和冷却水量，确定每个换热器的传热面积并进行选型，若采用直接蒸汽加热，需确定蒸汽鼓泡管的形式和尺寸。6、其它。四、作业份量：1、设计说明书一份，其中设计说明结果要一项具体内容包括：塔板数、塔高、塔径、板间距、回流比、蒸汽上升速度、热交换面积
8、、单位产品热交换面积、蒸汽用量、单位产品蒸汽用量、冷却水用量、单位产品冷却水用量、操作压强、附属设备的规格、型号及数量等。2、（1）设计说明书电子版及打印版，草稿各一份，若为手写版只交纸质版一份；（2）塔装配图（1号图纸）电子版及打印版1份。 第一章 设计方案的确定1.1 概述精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛的应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同。使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不
9、同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计任务为分离乙醇一水混合物，由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热
10、源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。1.2 基本原理在化工、轻工、石油等生产过程中，混合物的分离是生产过程中的重要过程。原料和中间产品有许多是由几个组分液相组成的均相混合物，为了对某些组分进行提纯或回收其中的有用组分以达到生产的目的，通常需要对混合物进行分离，蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，它通过加热造成气、液两相物系，利用物系的各组分挥发度不同的特性以实现分离的目的。当混合物中各组分的挥发度相差不大，而又有较高的分离要求时，宜采用精馏。由于乙醇比水在同样的条件下更容易挥发，所以本设计采用精馏，其中乙醇为易挥发组分，水为难挥发组分。1.3 确定设计方案原则总的原则是尽可
11、能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点：(1) 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。(2) 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省
12、也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。(3) 保证生产安全 生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。1.4 设计步骤板式精馏塔的设计大体按以下步骤进行：(1) 确定设计方案；(2) 平衡级计算和理论塔板的确定；(3) 塔板的选择；(4) 实际板数的确定；(5) 塔体流体力学计算；(6) 管路及附属设备的计算与选型；(7) 撰写设计说明书和绘图。1.5 设计方案的内容设计方案包括精馏流程、设备
13、的结构类型和操作参数等的确定。例如组分的分离顺序（多组分体系）、塔设备的形式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸气的冷凝方式、余热利用的方案、安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。限于篇幅，仅对其中一些内容作些阐述，其他内容可见参考文献。1.6 操作压力塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则：(1) 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸气可以用普通冷
14、却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa 才能使普通冷却水冷却塔顶蒸气时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。(2) 考虑利用较高温度的蒸气冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。(3) 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。本设计是分离乙醇和水的混合物，由于两者都是液体，因此操作压力可以确定为常压，即是常压精馏。1.7 加热方式塔釜一般采用间接蒸汽加热，但对塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可利用压力较低的蒸汽加热，塔釜只须安装鼓泡管，一般可节省设备费用和操作费用。但由于直接蒸汽加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需在提馏段增加塔板以达到生产要求。间接加热方式的优点是可以提供足够的热量，而且不会稀释釜内溶液的浓度。本次设计采用间接加热。1.8 进料状态进料状态有5种，可用进料状态参数q 值来表示。进料为过冷液体：q1；饱和液体（泡点）：q1；气、液混合物：0q1；饱和蒸气（露点）：q0；过热蒸气：q0。q 值增加，冷凝器负荷降低而再沸器负荷增加，由
