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1、吉林化工学院化工原理课程设计化工原理课程设计任务书 1. 设计题目 ： 苯甲苯二元物系板式精馏塔的设计2. 设计条件 ：常 压： （绝压） 处理 量： 100Kmol/h 进料组成： 馏出液组成： 釜液组成： （以上均为摩尔分率） 塔顶全凝器 泡点回流 回流比： 加料状态： 单板压降： 3设 计 任 务 ：1.完成该精馏塔的工艺设计（包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计计算）。2绘制带控制点的工艺流程图、精馏塔设备条件图。3撰写精馏塔的设计说明书。II目 录前 言摘 要第一章 绪 论1.1精馏流程设计方案的确定 .31.2设计思路31.2.1精馏方式的选定31.2.2加热方式1.2.3操作压力
2、的选取1.2.4回流比的选择1.2.5塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的选择1.2.6板式塔的选择1.2.7 关于附属设备的设计第二章 精馏塔工艺设计计算2.1物料衡算2.1.1塔的物料衡算2.2板数的确定2.2.1操作回流比的求取2.2.2 求精馏塔气液相负荷2.2.3 操作线方程的确定2.2.4精馏塔理论塔板数及理论加料位置2.2.5全塔效率的计算第三章 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.1操作压强 P的计算3.2操作温度 3.3物性数据计算3.3.1平均摩尔质量计算3.3.2平均密度的计算3.3.3液体平均表面张力计算3.4 精馏塔体工艺尺寸的计算3.4.1塔径的计算3.5 精馏段塔
3、和塔板主要工艺尺寸计算3.5.1精馏塔有效高度的计算3.5.2溢流装置计算3.5.3塔板布置3.6筛板的流体力学验算3.6.1塔板压降3.6.2液沫夹带量ev的验算3.6.3 漏液的验算3.6.4液泛验算3.7塔板负荷性能图3.7.1 漏液线3.7.2液沫夹带线3.7.3液相负荷下限线3.7.4液相负荷上限线3.7.5液泛线3.8板式塔的结构3.8.1塔体结构3.8.2 塔板结构第四章 热量衡算2041热量衡算204.1.1塔顶热量204.1.2塔底热量20计算结果总汇22致 谢23参考文献24主要符号说明25主要符号说明26附录27前 言课程设计是化工原理课程的一个非常重要的实践教学内容。不
4、仅能够培养学生运用所学的化工生产的理论知识，解决生产中实际问题的能力，还能够培养学生的工程意识。健全合理的知识结构可发挥应有的作用。此次化工原理设计是精馏塔的设计。精馏塔是化工生产中十分重要的设备。精馏塔内装有提供气液两相逐级接触的塔板，利用混合物当中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，塔釜产生的蒸汽沿塔板之间上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，气液两相在塔内实现多次接触，进行传质传热过程，轻组分上升，重组分下降，使混合物达到一定程度的分离。精馏塔的分离程度不仅与精馏塔的塔板数及其设备的结构形式有关，还与物料的性质、操作条件、气液流动情况等有关。本设计我们使用筛板塔。其突出
5、优点为结构简单，造价低板上液面落差小，气体压强低，生产能力较大，气体分散均匀，传质效率较高。筛板塔是最早应于手工业生产的设备之一。合理的设计和适当的操作筛板塔能够满足要求的操作弹性而且效率高。采用筛板塔可解决堵塞问题适当控制漏夜实际操作表明，筛板在一定程度的漏液状态下，操作是板效率明显降低，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的筛板塔其操作弹性仍可达到标准。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挥发度的不同，使易挥发组分由液相向
6、气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合物中各组分的分离。该过程是同时进行传热、传质的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的贮存、输送、传热、分离、控制等的设备、仪表。由这些设备、仪表等构成精馏过程的生产系统，即本次所设计的精馏装置。 课程设计是让同学们理论联系实践的重要教学环节，是对我们进行的一次综合性设计训练。通过课程设计能使我们进一步巩固和加强所学的专业理论知识，还能培养我们独立分析和解决实际问题的能力。更能培养我们的创新意识、严谨认真的学习态度。当代大学生应具有较高的综合能力，解决实际生产问题的能力，课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会，我们应充分利用这样的时机认
7、真去对待每一项任务，为毕业论文等奠定基础。更为将来打下一个稳固的基础。摘 要本次设计是针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。我们对此塔进行了工艺设计，包括它的辅助设备及进出口管路的计算，画出了塔板负荷性能图，并对设计结果进行了汇总。此次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计的精馏装置包括精馏塔，再沸器，冷凝器等设备，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，由塔顶产品冷凝器中的冷却介质将余热带走。本文是精馏塔及其进料预热的设计，分离摩尔分数为0.45的苯甲苯溶液，使塔顶产品苯的摩尔含量达到98.5%，塔底釜液摩尔分数
8、为1.5%。综合工艺操作方便、经济及安全等多方面考虑，本设计采用了筛板塔对苯-甲苯进行分离提纯，塔板为碳钢材料，按照逐板计算求得理论板数为15。根据经验式算得全塔效率为0.532。塔顶使用全凝器，部分回流。精馏段实际板数为14，提馏段实际板数为16。实际加料位置在第13块板。精馏段弹性操作为3.12。塔径为1.6m。通过板压降、漏液、液泛、液沫夹带的流体力学验算，均在安全操作范围内。确定了操作点符合操作要求。关键词：苯-甲苯、精馏、逐板计算、负荷性能图、精馏塔设备结构第一章 绪 论 筛板精馏塔是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。它的出现仅迟于泡罩塔20年左右，当初它长期被认为
9、操作不易稳定，在本世纪50年代以前，它的使用远不如泡罩塔普遍。其后因急于寻找一种简单而价廉的塔型，对其性能的研究不断深入，已能作出比较有把握的设计，使得筛板塔又成为应用最广的一种类型。1.1精馏流程设计方案的确定本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用气液混合物进料，将原料液通过预热器加热至温度后送入精馏塔内。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，其余部分作为塔顶产品冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。流程参见附图。1.2设计思路在本
10、次设计中，我们进行的是苯和甲苯二元物系的精馏分离，简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的部分增浓，如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离，是精馏塔的基本原理。实际上，蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏，我们这次所用的就是筛板式连续精馏塔。蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，有时后可以考虑将余热再利用，在此就不叙述。要保持塔的稳定性，流程中除用 泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。回流比是精馏操作的重要工
11、艺条件。选择的原则是使设备和操作费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。1.2.1精馏方式的选定本设计采用连续精馏操作方式，其特点是：连续精馏过程是一个连续定态过程，能小于间歇精馏过程，易得纯度高的产品。1.2.2加热方式 本设计采用间接蒸汽加热，加热设备为再沸器。本设计不易利用直接蒸汽加热，因为直接蒸汽的加入，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，从而又增加了生产的费用，但也增加了间接加热设备。1.2.3操作压力的选取本设计采用常压操作，一般，除了热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能
12、用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统都应采用常压蒸馏。在化工设计中有很多加料状态，这次设计中采用气液混合物进料。1.2.4回流比的选择对于一般体系最小回流比的确定可按常规方法处理，但对于某些特殊体系，如乙醇水体系则要特殊处理，该体系最小回流比Rmin的求取应通过精馏段操作线与平衡线相切得到。而适宜回流比R的确定，应体现最佳回流比选定原则即装置设备费与操作费之和最低，我们推荐以下简化方法计算各项费用，从而确定最佳回流比。一般经验值为R=(1.1-2.0)Rmin.1.2.5塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的选择塔顶选用全凝器，因为后继工段产品以液相出料，但所得产品的纯度低于分凝器，因为分凝器的第
13、一个分凝器相当于一块理论板。 塔顶冷却介质采用自来水，方便、实惠、经济。1.2.6板式塔的选择板式塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括：板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学性能校核、负荷性能图以及塔高等。其设计计算方法可查阅有关资料。着重应注意的是：塔板设计的任务是以流经塔内气液的物流量、操作条件和系统物性为依据，确定具有良好性能（压降小、弹性大、效率高）的塔板结构与尺寸。塔板设计的基本思路是：以通过某一块板的气液处理量和板上气液组成，温度、压力等条件为依据，首先参考设计手册上推荐数据初步确定有关的独立变量，然后进行流体力学计算，校核其是否符合所规定的范围，如不符合要求就必须修改结
14、构参数，重复上述设计步骤直到满意为止。最后给制出负荷性能图，以确定适宜操作区和操作弹性。塔高的确定还与塔顶空间、塔底空间、进料段高度以及开人孔数目的取值有关，可查资料2。表1-1 参数选取项目方式压力加料状态加热方式回流比冷凝器冷却介质板式塔选 取连续精馏常压气液混合间接蒸汽R=(1.1-2.0)Rmin全凝器自来水筛板塔1.2.7 关于附属设备的设计附属设备的设计主要有：1）热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量；再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量；2）选定冷凝器和再沸器的型式求取所需的换热面积并查阅换热器标准，提出合适的换热器型号；第二章 精馏塔工艺设计计算2.1物料衡算2.1.1塔的物料衡算（1）苯的摩尔质量：甲苯的摩尔质量
