【正文】 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 1 目錄 第一章 概述 ……………………………………………………………………… 3 塔設(shè)備的類型 …………………………………………………………………… 3 板式塔與填料塔的比較及選型 ………………………………………………… 3 板式塔與填料塔的比較及選型 ………………………………………… 3 塔設(shè)備的選型 …………………………………………………………… 4 第二章 設(shè)計任務(wù) …………………………………………………………………… 5 設(shè)計摘要 ………………………………………………………………… 5 設(shè)計任務(wù)及條件 ………………………………………………………… 6 設(shè)計任務(wù)書 ……………………………………………………………… 6 第三章 設(shè)計方案簡介 ……………………………………………………………… 8 設(shè)計方案的確定 ……………………………………………………………… 8 裝置流程的確定 ……………………………………………………… 8 操作壓力的選擇 ……………………………………………………… 8 進(jìn)料狀況的選擇 ………………………………………………… …… 9 加熱方式的選擇 ……………………………………………………… 9 回流比的選擇 ………………………………………………………… 9 塔板的類型與選擇 …………………………………………………………… 9 塔板的類型 …………………………………………………………… 9 塔板的選擇 …………………………………………………………… 11 第四章 浮閥塔精餾工藝設(shè)計 …………………………………………………… 11 工藝計算 ………………………………… …………………………………… 11 全塔物料衡算 ………………………………………………………… 11 Rmin的確定………………………………………………………… … 12 塔板數(shù)的確定 ……………………………………………………… 14 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 ………………………………… 19 操作壓力 ……………………………………………………………… 19 操作溫度 ……………………………………………………………… 19 平均摩爾質(zhì)量 ………………………………………………………… 20 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 2 平均密度 ……………………………………………………………… 21 液體平均表面張力計算 ……………………………………………… 22 精餾塔的塔體工藝尺寸計算 ………………………………………………… 24 塔徑的計算 …………………………………………………………… 24 精餾塔有效高度的計算 ……………………………………………… 27 塔高的計算 ………………………………… ………………………… 27 塔板主要工藝尺寸的計算 …………………………………………………… 28 溢流裝置計算 ………………………………………………………… 28 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 ………………………………………… 31 塔板流體力學(xué)驗(yàn)算 …………………………………………………………… 33 氣相通過浮閥塔板的壓降 …………………………………………… 33 淹塔 …………………………………………………………………… 34 霧沫夾帶 …… ………………………………………………………… 35 塔板負(fù)荷性能圖 ……………………………………………………………… 37 霧沫夾帶線 …………………………………………………………… 37 液泛線 ………………………………………………………………… 38 液相負(fù)荷上限線 ……………………………………………………… 39 漏液線 ………………………………………………………………… 39 液相負(fù)荷下限線 ……………………………………………………… 40 工藝 設(shè)計計算結(jié)果與主要符號說明 ……………………………………………… 44 主要參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………… 46 課程設(shè)計心得 ……………………………………………………………………… 46 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 3 第一章 概述 塔設(shè)備的類型 塔設(shè)備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。 板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上的液層，進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下 ，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。 填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流向上（有時也采用并流向下）流動，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作狀況下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，氣相組成呈連續(xù)變化，屬微分接觸逆流操作過程。 板式塔與填料塔的比較及選型 板式塔與填料塔的比較 工業(yè)上評價塔設(shè)備的性能指標(biāo)主要有以下幾個方面：生產(chǎn)能力；分離效率；塔壓降；操作彈性；結(jié)構(gòu)、制造及造價等?，F(xiàn)就板式塔與填料塔的性能比較如下： （ 1） 生 產(chǎn)能力 板式塔與填料塔的液體流動和傳質(zhì)機(jī)理不同。板式塔的傳質(zhì)是通過上升氣體穿過板上的液層來實(shí)現(xiàn)的，塔板的開孔率一般占塔截面積的 7%~10%；而填料塔的傳質(zhì)是通過上升氣體和靠重力沿填料表面下降的液體接觸實(shí)現(xiàn)。填料塔內(nèi)件的開孔率通常在 50%以上，而填料層的空隙率則超過 90%，一般液泛點(diǎn)較高，故單位塔截面積上填料塔的生產(chǎn)能力一般均高于板式塔。 （ 2） 分離效率 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 4 一般情況下，填料塔具有較高的分離效率。工業(yè)上常用填料塔每米理論級為 2~8 級。而常用的板式塔，每米理論板最多不超過 2 級。研究表明，在壓力小于 時，填料塔的 分離效率明顯優(yōu)于板式塔，在高壓下，板式塔的分離效率略優(yōu)于填料塔。 （ 3） 塔壓降 填料塔由于空隙率高，故其壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板式塔。一般情況下，板式塔每個理論級的壓降為 ~，填料塔為 ~。通常，板式塔的壓降高于填料塔 5 倍左右。壓降低不僅能降低操作費(fèi)用，節(jié)約能耗，對于精餾過程，還可使塔釜溫度降低，有利于熱敏性物系的分離。 （ 4） 操作彈性 一般來說，填料本身對氣液負(fù)荷變化的適應(yīng)性很大，故填料塔的操作彈性取決于塔內(nèi)件的設(shè)計，特別是液體分布器的設(shè)計，因而可根據(jù)實(shí)際需要確定填料塔的操作彈性。而板式塔的 操作彈性則受到塔板液泛、液沫夾帶及降液管能力的限制，一般操作彈性較小。 （ 5） 結(jié)構(gòu)、制造及造價等 一般來說，填料塔的結(jié)構(gòu)較板式塔簡單，故制造、維修也較為方便，但填料塔的造價通常高于板式塔。 應(yīng)予指出，填料塔的持液量小于板式塔。持液量大，可使塔的操作平穩(wěn)，不易引起產(chǎn)品的迅速變化，故板式塔較填料塔更易于操作。板式塔容易實(shí)現(xiàn)側(cè)線進(jìn)料和出料，而填料塔對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜情況不太適合。對于比表面積較大的高性能填料，填料層容易堵塞，故填料塔不宜直接處理有懸浮物或容易聚合的物料。 塔設(shè)備的選型 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 5 工業(yè)上，塔設(shè)備主要用 于蒸餾和吸收傳質(zhì)單元操作過程。傳統(tǒng)的設(shè)計中，蒸餾過程多選用板式塔，而吸收過程多選用填料塔。近年來，隨著塔設(shè)備設(shè)計水平的提高及新型塔構(gòu)件的出現(xiàn)，上述傳統(tǒng)已逐漸打破。在蒸餾過程中采用填料塔及在吸收過程中采用板式塔已有不少應(yīng)用范例，尤其是填料塔在精餾過程中的應(yīng)用已非常普遍。 對于一個具體的分離過程，設(shè)計中選擇何種塔型，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)能力、分離效率、塔壓降、操作彈性等要求，并結(jié)合制造、維修、造價等因素綜合考慮。例如， （ 1）對于熱敏性物系的分離，要求塔壓降盡可能低，選用填料塔較為適宜； （ 2）對于有側(cè)線進(jìn)料和出料的工藝 過程，選用板式塔較為適宜； （ 3）對于有懸浮物或容易聚合物系的分離，為防止堵塞，宜選用板式塔； （ 4）對于液體噴淋密度極小的工藝過程，若采用填料塔，填料層得不到充分潤濕使其分離效率明顯下降，故宜選用板式塔； （ 5）對于易發(fā)泡物系的分離，因填料層具有破碎泡沫的作用，宜選用填料塔。 第二章 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計摘要 今采用一 F1 型浮閥塔進(jìn)行乙醇 水二元物系的精餾分離，要求乙醇的生產(chǎn)能力為 3000t/年，塔頂溜出液中乙醇濃度不低于 94%，殘液中乙醇含量小于 3%。原料液中含乙醇為 40%，其余為水（以 上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。且精餾塔頂壓力為 4KPa（表壓），單板壓 降≤ 。 本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇和水的混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用常壓下的連續(xù)精餾裝置。本設(shè)計采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器（再沸器）加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲罐。該物系屬不分離物系，鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 6 最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，釜底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 設(shè)計任務(wù)和條件 （ 1) 原料液含 乙醇 40％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為水。 （ 2）產(chǎn)品乙醇含量不低于 94％。 （ 3）殘液中乙醇含量小于 3％。 （ 4）生產(chǎn)能力為年產(chǎn) 3000t 的乙醇產(chǎn)品。 （ 5）操作條件 精餾塔的塔頂壓力 4kPa（表壓） 進(jìn)料狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)料 回流比 R= 加熱蒸汽壓力 （表壓） 單板壓降 不大于 （表壓） (6) 設(shè)備型式為浮閥塔（ F1 型）。 （ 7）廠址位于鹽城地區(qū)。 （ 8）設(shè)備工作日為 300天 /年， 24h 連續(xù)運(yùn)行。 （ 9）鹽城地區(qū)夏天水溫為 16~18℃。 （ 10）鹽城當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?。 設(shè)計任務(wù)書 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計任務(wù) 設(shè)計題目：乙醇 — 水精餾浮閥塔設(shè)計 課程設(shè)計的目的與意義： (1) 初步掌握化工單元操作設(shè)計的基本方法和程序； (2) 訓(xùn)練我們的基本技能，如計算、繪圖、運(yùn)用設(shè)計資料（手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范）、使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算和處理數(shù)據(jù)等； (3) 提高 運(yùn)用工程語言（簡潔的文字、清晰的圖表、正確的計算）表達(dá)設(shè)計思想能力。 (4) 培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已學(xué)過的理論和實(shí)際鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 7 知識去分析和解決工程問題的能力。 課程設(shè)計的內(nèi)容： 設(shè)計一個常壓浮閥精餾塔，分離含乙醇 （以下皆為質(zhì)量分率）的乙醇 —水混合液，進(jìn)料溫度為 35℃，要求獲得 的塔頂產(chǎn)品和 的塔釜產(chǎn)品，年生產(chǎn)量為 3000t,再沸器用 2atm 的水蒸汽作為加熱介質(zhì)，塔頂全凝器采用冷水為冷凝介質(zhì)。通過翻閱大量的資料進(jìn)行工藝計算、物性數(shù)據(jù)處理、塔體塔板尺寸計算、流體力學(xué)計算、 畫負(fù)荷性能圖等對浮閥塔展開了全方面的設(shè)計。 工藝操作條件： 精餾塔的塔頂壓力 4kPa 進(jìn)料狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)料 回流比 R= 加熱蒸汽壓力 單板壓降 不大于 設(shè)備型式為浮閥塔（ F1 型） 課題設(shè)計任務(wù)： （ 1） 完成主題設(shè)備的工藝設(shè)計與計算； （ 2） 有關(guān)附屬 設(shè)備的設(shè)計和選型； （ 3） 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程簡圖和主體設(shè)備的工藝條件圖； （ 4） 編寫設(shè)計說明書。 主要參考書： [1]王國勝 .化工原理課程設(shè)計 .大連：大連理工大學(xué)出版社， [2]申迎華、郝曉剛 .化工原理課程設(shè)計 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [3]賈紹義，柴誠敬等 .化工原理課程設(shè)計 .天津：天津大學(xué)出版社， [4]付家新、王為國、肖穩(wěn)發(fā) .化工原理課程設(shè)計（典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計） .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [5]任曉光 .化工原理課程設(shè)計指導(dǎo) .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [6]濮存恬 .精細(xì)化工過程及設(shè)備 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1996 [7]夏清、陳常貴 .化工原理（上冊） .天津：天津大學(xué)出版社， [8]夏清、陳常貴 .化工原理（下冊） .天津：天津大學(xué)出版社， 鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計 8 第三章 設(shè)計方案簡介 設(shè)計方案的確定 裝置流程的確定 蒸餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器，蒸餾釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過程按操作方式的不同，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾兩種流程。連續(xù)蒸餾具有