化工原理课程设计乙醇水溶液分离的常压筛板精馏塔.doc

化工原理课程设计––乙醇-水溶液分离的常压筛板精馏塔 学院：化学与化工学院专业：化学工程与工艺 班级：化工0802 学号：0815010215 指导老师： 姓名： 目 录绪论第一节 概述1.1精馏操作对塔设备的要求 1.2板式塔类型第二节 设计方案简介2.1 操作条件的确定2.1.1操作压力2.1.2进料状态2.1.3加热方式2.1.4 冷却剂与出口温度2.1.5热能利用2.2 确定设计方案的原则第三节 板式精馏塔的设计计算3.1 精馏塔全塔物料衡算3.2 常压下乙醇—水平衡组成（摩尔）与温度的关系3.3 塔板的计算3.4 精馏塔主要尺寸的计算3.5 塔板主要工艺尺寸的计算3.6 筛板的流体力学验算3.7 塔板负荷性能计算以及负荷性能图3.8 筛板塔全塔数据汇总第四节 附属设备设计4.1 冷凝器的选择4.2 再沸器的选择第五节 塔附件设计5.1 接管5.2 筒体与封头5.3 液体分布器5.4 除沫器5.5 裙座5.6 吊柱5.7 人孔5.8 塔总体高度的设计第六节 课程设计心得体会附件：工艺流程图 精馏塔设备图绪 论一、化工原理课程设计的目的和要求课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。

在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践 通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力；4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力二．对于本次课题的初步认识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 塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。

筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修本次设计就是针对水—乙醇体系，而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型 由于学生水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望各位老师指出，以便订正第一节 概 述1.1精馏操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： (１) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象 (２) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。

(３) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作 (４) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易 (５) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修 (６) 塔内的滞留量要小实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型1.2板式塔类型 气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔 板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。

目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计1.2.1筛板塔筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： (１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右 (２) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％ (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右 (４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右 筛板塔的缺点是： (１) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀 (２) 操作弹性较小(约2～3) (３) 小孔筛板容易堵塞1.2.2浮阀塔 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。

国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： (１) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔 (２) 操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右 (４) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2 (５) 液面梯度小 (６) 使用周期长粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作７) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％本书虽未包括其它塔板的设计资料，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同的学生在设计时，可以根据具体条件进行板塔的选型，而不限于选用上述两种塔板第二节 设计方案的确定2.1操作条件的确定 确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。

2.1.1操作压力 蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗2.1.2 进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便2.1.3加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器有时也可采用直接蒸汽加热若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。

直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面这样，可节省一些操作费用和设备费用然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加但对有些物系(如酒精与水的二元混合液)，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力对于酒精水溶液，一般采用0.4~0.7KPa（表压）饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节同时，饱和水蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂但若要求加热温度超过180℃时，应考虑采用其它的加热剂，如烟道气或热油当采用饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高传热效率，但蒸汽压力的提高对锅炉提出了更高的要求同时对于釜液的沸腾，温度差过大，形成膜状沸腾，反而对传热不利2.1.4冷却剂与出口温度冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。

如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂如果能用常温水作冷却剂，是最经济的水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50℃，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热2.1.5热能的利用精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措若不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷凝器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量，其数量是相当。