化工原理课程设计

乙醇-水连续精馏筛板塔的设计

前言

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。

化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。

要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。

本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。

本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。

目录

前言 ......................................................................................................................................................... 2 《化工原理》课程设计任务书 .......................................................... 6 第一章 设计概述 ..................................................................... 7

1.1塔设备在化工生产中的作用与地位 .............................................. 7 1.2塔设备的分类 ................................................................ 8 1.3板式塔 ...................................................................... 8 - -第 1 页 共 38 页

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1.3.1泡罩塔 ................................................................ 8 1.3.2筛板塔 ................................................................ 8 1.3.3浮阀塔 ................................................................ 9 第二章 设计方案的确定及流程说明 ..................................................... 9

2.1 塔型选择 .................................................................... 9 2.2 操作流程 .................................................................... 9 第三章 塔的工艺计算 ................................................................ 10

3.1查阅文献，整理有关物性数据 ................................................. 11 3.1.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 ..................................... 11

3.1.2平均摩尔质量 ......................................................... 11

3.2全塔物料衡算 ................................................................ 11 3.3塔板数的确定 ................................................................ 12 3.3.1理论塔板数的求取 ..................................................... 12

3.3.2全塔效率的估算 ....................................................... 15 3.3.3实际塔板数 ........................................................... 16

第四章 精馏塔主题尺寸的计算 ........................................................ 17 4.1求的塔顶、进料板、及塔釜的压力 ......................................... 17 4.2平均摩尔质量的计算：(kg/kmol)

.......................................................................... 17 4、3平均密度 ?m（Kg/m3）

.......................................................................... 18 4.4 精馏段与提馏段的汽液体积流量计算

.......................................................................... 20 4.5液体表面张力 ........................................................... 20 4.6塔径D的计算.................................................21 4.7 塔高的计算..................................................23 4.8 塔板结构尺寸的确定..........................................24

第五章 塔板的流体力学验算 .......................................................... 27 5.1 气体通过塔板的压力降m液柱 ............................................. 27

5.2液体在降液管内停留时间的校核 ........................................... 29 5.3 液沫夹带（雾沫夹带） ................................................... 29 5.4 漏液 ................................................................... 30 5.5 液泛 ................................................................... 31 第六章 塔板负荷性能图 .............................................................. 31

6.1精馏段塔板负荷性能图 ....................................................... 32 6.1.1漏液线 ............................................................... 32 6.1.2液沫夹带线 ........................................................... 32 6.1.3液相负荷下限线 ....................................................... 33 6.1.4液相负荷上限线 ....................................................... 33 6.1.5液泛线 ............................................... 错误！未定义书签。

6.2提馏段塔板负荷性能图 ....................................................... 35 6.2.1漏液线 ............................................................... 35

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6.2.2液沫夹带线 ........................................................... 35 6.2.3液相负荷下限线 ....................................................... 36 6.2.4液相负荷上限线 ....................................................... 37 6.2.5液泛线 ............................................................... 37

第七章 各接管尺寸的确定及选型 ...................................................... 39

7.1进料管尺寸的计算及选型 ..................................................... 39 7.2釜液出口管尺寸的计算及选型 ................................................. 39 7.3回流管尺寸的计算及选型 ..................................................... 40 7.4塔顶蒸汽出口径及选型 ....................................................... 40 7.5水蒸汽进口管口径及选型 ..................................................... 40 第八章 精馏塔的主要附属设备 ........................................................ 41

8.1冷凝器 ..................................................................... 41 8.2预热器............................................................................................................................................. 42 8.3预热器.................................................... .43 设计结果一览表..................................................................... 44 设计方案讨论....................................................................... 45

参考文献 ........................................................................... 46

化工原理课程设计任务书

一 设计题目：乙醇-水连续精馏筛板塔的设计

二 任务要求:

1. 设计一连续筛板精馏塔以分离乙醇和水，具体工艺参数如下：

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原料乙醇含量：质量分率＝（30+0.5*学号）%， 原料处理量：质量流量＝（10－0.1*学号） t/h [单号] （10 + 0.1*学号） t/h [双号]

产品要求：摩尔分率：xD＝0.83, xW＝0.10 [单号] ； xD ＝0.80, xW＝0.05 [双号]

2. 工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝，塔底间接加热，泡点进料，泡点回流，R =（1.2～2）Rmin。

三 主要内容:

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1. 确定全套精馏装置的流程，绘出流程示意图，标明所需的设备、管线及有关控制或观测所需的主要仪表与装

置；

2. 精馏塔的工艺计算与结构设计：

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物料衡算确定理论板数和实际板数；

按精馏段首、末板，提馏段首、末板计算塔径并圆整； 确定塔板和降液管结构；

按精馏段和提馏段的首、末板进行流体力学校核，并对特定板的结构进行个别调； 进行全塔优化，要求操作弹性大于2。

3. 计算塔高；

4. 估算冷却水用量和冷凝器的换热面积、水蒸气用量和再沸器换热面积； 5. 绘制塔板结构图（用计算纸或绘图纸）； 6. 列出设计参数总表。

四 参考书目:

第一章 设计概述

1.1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。

1.2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、填料塔两大类。

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