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1、化工原理课程设计1 目录化工原理课程设计任务书一 设计概述-2 （一）塔设备在化工生产中的作用与地位-2 （二）塔设备的分类 -2 （三）板式塔 -2 二 设计方案的确定及流程说明-3 （一）塔类型的选用-3 （二）装置流程说明-3 三 设计方案中参数的确定 -4 （一）操作压力-4 （二）进料热状态-4 （三）加热方式-4 （四）回流比-4 （五）产品纯度或回收率-5 （六）热能的利用-5 四 塔的工艺计算-5 五 塔的工艺条件及物性数据计算-10 六 气液负荷计算-12 七 塔和塔板主要工艺尺寸计算 -13 八 流体力学验算-17 九 塔板负荷性能图 -19 （一）精馏段-19 （二）提馏
2、段-22 十 板式塔的结构与附属设备设计-25 （一）塔体结构 -26 （二）塔板结构 -26 （三）精馏塔的附属设备 -26 十一 辅助设备设计或选型 -28 （一）冷凝器 -28 （二）再沸器 -28 （三）加热蒸汽鼓泡管 -29 十二设计结果一览表-29 十三 设计评述及讨论 -30 十四 重要经验关联式-30 参考文献-30 化工原理课程设计2 一设计概述（一）塔设备在化工生产中的作用与地位塔设备是是化工、 石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或 液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的 单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体
3、的冷却与回收、气体的 湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境 保护等各个方面都有重大影响。塔设备的设计和研究受到化工炼油等行业的极大重 视。（二）塔设备的分类塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要， 为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压 塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔 和干燥塔；按形成相际界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界 面的塔，长期以来，人们最长用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料
4、塔两大类。（三）板式塔板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，注意 到的塔型是浮阀塔、筛板塔和泡罩塔。3.1 泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备 中曾占有主要的地位，泡罩塔具有一下优点： （1）. 操作弹性大 （2）. 无泄漏 （3）. 液气比范围大 （4）. 不易堵塞 泡罩他的不足之处在于结构复杂、 造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。3.2 筛板塔筛板塔液是很早就出现的板式塔，20世纪 50 年代起对筛板塔进行了大量工业 规模的研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点： （1）. 生产能力大（ 2040）
5、 （2）. 塔板效率高（ 1015） （3）. 压力降低（ 3050）而且结构简单，塔盘造价减少40左右，安 装维修都比较容易1。3.3 浮阀塔20 世纪 50 年代起，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减 压下的蒸馏、脱吸等传质过程。 浮阀式之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：化工原理课程设计3 （1）. 处理能力大 （2）. 操作弹性大 （3）. 塔板效率高 （4）. 压力降小 其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。 浮阀的形式有很多，目前常用的浮阀形式有F1型和 V-4 型，F1型浮阀的结构 简单，制造方便，节省材料，性能良好。F1型浮阀又分为轻阀和重阀两种。V-4 型 浮阀
6、其特点是阀孔冲成向下弯曲的文丘里型，以减小气体通过塔板的压强降，阀片 除腿部相应加长外，其余结构尺寸与F1 型轻阀无异， V-4 型阀适用于减压系统。二设计方案的确定及流程说明（一）塔类型的选用本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯-氯苯的分离。苯 - 氯苯体系比较容 易分离，待处理料液清洁，此次设计选用筛板塔。筛板塔，是扎板塔的一种，内装若干层 水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。操作时，液体由塔 顶进入，经溢流管（一部分经筛孔）逐板下降，并在板上积存液层。气体（或蒸气）由塔 底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充分接触，并相互作用。泡沫式 接触
7、气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。（二）装置流程说明精馏装置有精馏塔、 原料预热器、 再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。 热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却 器中的冷却介质将余热带走。 苯和氯苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预 热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加 热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气 相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的 冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点
8、，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停 留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做 回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸 器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料 口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与氯苯的分离。流程图如下图化工原理课程设计4 三设计方案中参数的确定设计方案包括精馏流程、设备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。（一）操
9、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： 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。 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
10、，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。 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。 此处选择在常压下操作。（二）进料热状态进料状态有 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，由此而导致的操作费用的变化与塔顶出料 量 D 和进料量 F 的比值 D/ F 有关；对于低温精馏，不论D/ F 值如何，采用较高的q 值为 经济；对于高温精馏，当D/ F 值大时宜采用较小的q 值，当 D/ F 值小时宜采用 q 值较大 的气液混合物。如果实际操作条件与上述要求不符，是否应对进料进行加热或冷却可依据 下列原则定性判断： 进料预热的热源温度低于再沸器的热源温度，可节省高温热源时，对进料预热有利， 但会增加提馏段的塔板数； 当塔顶冷凝器采用冷冻剂进行冷却，又有比较低的冷量可利用时，对进料预冷有利。 此设计采取泡点进料。泡点进料时的操作比较容易控制，且不受季节气温的影响；此外， 泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，设计和制造时比较方便。（三）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
