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1、 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 乙醇乙醇-水水 混合液（混合气）的 填料填料 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
2、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
3、 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 沈阳化工大学化工原理课程设计 目录 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
4、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 沈阳化工大学化工原理课程设计 目录 3.3.8 塔釜设计.32 3.3.9 塔的顶部空间高度.32 3
5、.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 0 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
6、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
7、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
8、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。 沈阳化工大学化工原理课程设计 第一章 流程确定和说明 1 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： 1.11.1 加料方式的确定加料方式的确定 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
9、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。 1.21.2 进料状况的确定进料状况的确定 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。
10、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。 1.31.3 冷凝方式的确定冷凝方式的确定 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。 1.41.4 回流方式的确定回流方式的确定 沈阳化工大学化工原理课程设计 第一章 流程确定和说明 2 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
11、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。 1.51.5 加热方式的确定加热方式的确定 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。 1.61.6 再沸器型式的确定再沸器型式的确定 再沸器的形式选用立式再沸器，在相同传热面积下，此种再
12、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 3 第二章 精馏塔设计计算 2.12.1 操作条件与基础数据操作条件与基础数据 2.1.12.1.1 操作压力操作压力 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
13、易分离，故本设计采用常 压精馏。 2.1.22.1.2 气液平衡关系与平衡数据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/C 00100.0 0.01900.170095.5 0.07210.389189.0 0.09660.437586.7 0.12380.470485.3 0.16610.508984.1 0.23370.544582.7 0.26080.558082.3 0.32730.582681.5 0.39650.612280.7 0.50790.656479.8 0.5198 0.5732 0.6599
14、 0.6841 79.7 79.3 0.67630.738578.74 0.74720.781578.41 0.89430.894378.15 2.1.32.1.3 回流比回流比 沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 4 通常 R=（1.12.0）Rmin,此设计取 R=1.5Rmin 2.22.2 精馏塔工艺计算精馏塔工艺计算 2.2.12.2.1 物料衡算物料衡算 物料衡算图物料衡算图 图 2-1 物料衡算图 原料流量，； 馏出液流量，；FhKmolDhKmol 釜液流量，； 原料中易挥发组分的摩尔分数；WhKmol F x 馏出液中易挥发组分的摩尔分数；釜液中易挥发组分的
15、摩尔分数。 D x W x 沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 5 物料衡算物料衡算 已知:,质量分数：, , atF7000 %40 F x%93 D x%3 . 0 W x 所以：= F hkgKmolkg22.972 24300 107000 3 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： 2068 . 0 2.018.40107.464 . 0 07.464 . 0 1 水乙醇 乙醇 MxMx Mx x FF F F 同理可求得： 8386 . 0 2.018.920107.4692 . 0 07.4693 . 0 D x 0120 . 0 2.018.030107.46/03 . 0 07.4603 . 0 W x 原料液的平均摩尔质量： 水乙醇 MxMxM FF 1 2.0182068. 0-107.
