【正文】 力可以確定為常壓，即是常壓精餾。(2) 考慮利用較高溫度的蒸氣冷凝熱，或可利用較低品位的冷源使蒸氣冷凝，且壓力提高后不致引起操作上的其他問題和設(shè)備費用的增加，可以使用加壓操作。因此如果在常壓下操作時，塔頂蒸氣可以用普通冷卻水進(jìn)行冷卻，一般不采用加壓操作。 操作壓力塔內(nèi)操作壓力的選擇不僅牽涉到分離問題，而且與塔頂和塔底溫度的選取有關(guān)。例如組分的分離順序（多組分體系）、塔設(shè)備的形式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸氣的冷凝方式、余熱利用的方案、安全、調(diào)節(jié)機構(gòu)和測量控制儀表的設(shè)置等。 設(shè)計步驟板式精餾塔的設(shè)計大體按以下步驟進(jìn)行： (1) 確定設(shè)計方案；(2) 平衡級計算和理論塔板的確定；(3) 塔板的選擇；(4) 實際板數(shù)的確定；(5) 使用化工流程模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行流程模擬；(6) 塔體流體力學(xué)計算；(7) 管路及附屬設(shè)備的計算與選型；(8) 撰寫設(shè)計說明書和繪圖。(3) 保證生產(chǎn)安全 生產(chǎn)中應(yīng)防止物料的泄露，生產(chǎn)和使用易燃物料車間的電器均應(yīng)為防爆產(chǎn)品。冷卻水的節(jié)省也對操作費用和設(shè)備費用有影響，減少冷卻水用量，操作費用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費用增加。(2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基建的費用，如合理利用塔頂和塔底的廢熱，既可節(jié)省蒸汽和冷卻介質(zhì)的消耗，也能節(jié)省電的消耗。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進(jìn)行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。由于正戊烷比正己烷在同樣的條件下更容易揮發(fā)，所以本設(shè)計采用精餾，其中正戊烷為易揮發(fā)組分，正己烷為難揮發(fā)組分。原料和中間產(chǎn)品有許多是由幾個組分液相組成的均相混合物，為了對某些組分進(jìn)行提純或回收其中的有用組分以達(dá)到生產(chǎn)的目的，通常需要對混合物進(jìn)行分離，蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作，它通過加熱造成氣、液兩相物系，利用物系的各組分揮發(fā)度不同的特性以實現(xiàn)分離的目的。其中由于蒸餾過程的原理是多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進(jìn)行分離。精餾過程在能量劑驅(qū)動下（有時加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同。繪制精餾塔的裝配圖一張（一號圖紙）。輔助裝置的設(shè)計和選型；估算冷卻水用量和冷凝器的換熱面積、水蒸氣用量。三、應(yīng)完成的工作量：確定全套精餾裝置的流程，繪制工藝流程示意圖，標(biāo)明所需的設(shè)備、管線及有關(guān)控制或觀測所需的主要儀表與裝置。冷卻水進(jìn)口溫度： 30 ℃，出口溫度自定。操作壓力：常壓。 設(shè)備的年運行時間平均為300天。產(chǎn)品要求：餾出液中的正戊烷含量為 95 %（質(zhì)量）。具體工藝參數(shù)如下：原料處理量：年處理 76550 噸正戊烷—正己烷混合物。通過對精餾塔進(jìn)行設(shè)計和物料衡算等方面的計算，進(jìn)一步加深了對化工原理、石油加工單元過程原理等的理解深度，開闊了視野，提高了計算、繪圖、計算機的使用等方面的知識和能力。在計算設(shè)計過程中參考了有關(guān)《化工原理》、《化學(xué)工程手冊》、《冷換設(shè)備工藝計算手冊》、《化工工藝設(shè)計手冊》、《化工設(shè)備用鋼》、《化工設(shè)計》、《化工設(shè)備》、《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》、《化工流程模擬實訓(xùn)－Aspen Plus教程》等方面的資料。同時對精餾的基本結(jié)構(gòu)包括塔的主要尺寸進(jìn)行了計算和選型，對塔頂冷凝器、塔底再沸器也進(jìn)行了相關(guān)的計算選型。本設(shè)計是針對工業(yè)生產(chǎn)中的正戊烷—正己烷這一二元物質(zhì)中進(jìn)行正戊烷的提純精餾方案，根據(jù)給出的原料性質(zhì)及組成、產(chǎn)品性質(zhì)及組成，對精餾塔進(jìn)行設(shè)計和物料衡算。為此，掌握氣液相平衡關(guān)系，熟悉各種塔形的操作特性，對選擇、設(shè)計和分析分離中的各種參數(shù)是非常重要的。正己烷連續(xù)精餾塔的設(shè)計前 言化工生產(chǎn)常需進(jìn)行二元液相混合物的分離以達(dá)到提純或回收有利用價值組分的目的，精餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分液化或多次部分冷凝達(dá)到輕重組分分離目的的方法。精餾操作在化工、石油化工或輕工等工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備類型之一。通過設(shè)計核算及試差等計算初步確定精餾塔的進(jìn)料、塔頂、塔底操作條件及物料組成。相關(guān)管道尺寸及儲罐等進(jìn)行了計算和選型。為精餾塔的設(shè)計計算提供了技術(shù)支持和保證。化工原理課程設(shè)計任務(wù)書班級 化工121班 姓名 魏淵 學(xué)號 1205200081 設(shè)計題目：正戊烷—正己烷連續(xù)精餾塔的設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)：試設(shè)計一連續(xù)浮閥精餾塔以分離正戊烷—正己烷混合物。原料液中含正戊烷 %（質(zhì)量），其余為正己烷。 釜液中的正戊烷含量不高于 2 %（質(zhì)量）。二、設(shè)計條件：加熱方式：自選。進(jìn)料狀況： 冷液進(jìn)料 。塔板形式：浮閥塔板。精餾塔的工藝設(shè)計，塔的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。編寫設(shè)計說明書一份。指導(dǎo)老師： 尚小琴（教授） 2015年 1 月 6 日第一章 設(shè)計方案的確定 概述精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工、煉油、石油化工等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。本設(shè)計任務(wù)為分離正戊烷一正己烷混合物，由于對物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。設(shè)計中采用過冷液體進(jìn)料，將原料液直接送人精餾塔內(nèi)。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 基本原理在化工、輕工、石油等生產(chǎn)過程中，混合物的分離是生產(chǎn)過程中的重要過程。當(dāng)混合物中各組分的揮發(fā)度相差不大，而又有較高的分離要求時，宜采用精餾。 確定設(shè)計方案原則總的原則是盡可能多地采用先進(jìn)的技術(shù)，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點：(1) 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計出來的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。設(shè)置必需的儀表并安裝在適宜部位，以便能通過這些儀表來觀測和控制生產(chǎn)過程?；亓鞅葘Σ僮髻M用和設(shè)備費用均有很大的影響，因此必須選擇合適的回流比。因此，設(shè)計時應(yīng)全面考慮，力求總費用盡可能低一些。塔體大都安裝在室外，為能抵抗大自然的破壞，塔設(shè)備應(yīng)具有一定剛度和強度。 設(shè)計方案的內(nèi)容設(shè)計方案包括精餾流程、設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型和操作參數(shù)等的確定。限于篇幅，僅對其中一些內(nèi)容作些闡述，其他內(nèi)容可見參考文獻(xiàn)。根據(jù)所處理的物料性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性來綜合考慮，一般有下列原則：(1) 壓力增加可提高塔的處理能力，但會增加塔身的壁厚，導(dǎo)致設(shè)備費用增加；壓力增加，組分間的相對揮發(fā)度降低，回流比或塔高增加，導(dǎo)致操作費用或設(shè)備費用增加。 才能使普通冷卻水冷卻塔頂蒸氣時，應(yīng)對低壓、冷凍劑冷卻和高壓、冷卻水冷卻的方案進(jìn)行比較后，確定適宜的操作方式。(3) 真空操作不僅需要增加真空設(shè)備的投資和操作費用，而且由于真空下氣體體積增大，需要的塔徑增加，因此塔設(shè)備費用增加。 加熱方式塔釜一般采用間接蒸汽加熱，但對塔底產(chǎn)物基本是水，且在低濃度時的相對揮發(fā)度較大的體系，也可采用直接蒸汽加熱。但由于直接蒸汽加入，對釜內(nèi)溶液起一定稀釋作用，在進(jìn)料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需在提餾段增加塔板以達(dá)到生產(chǎn)要求。本次設(shè)計采用熱蒸汽間接加熱。進(jìn)料為過冷液體：q＞1；飽和液體（泡點）：q＝1；氣、液混合物：0＜q＜1；飽和蒸氣（露點）：q＝0；過熱蒸氣：q＜0。如果實際操作條件與上述要求不符，是否應(yīng)對進(jìn)料進(jìn)行加熱或冷卻可依據(jù)下列原則定性判斷：(1) 進(jìn)料預(yù)熱的熱源溫度低于再沸器的熱源溫度，可節(jié)省高溫?zé)嵩磿r，對進(jìn)料預(yù)熱有利，但會增加提餾段的塔板數(shù)；(2) 當(dāng)塔頂冷凝器采用冷凍劑進(jìn)行冷卻，又有比較低的冷量可利用時，對進(jìn)料預(yù)冷有利。（塔內(nèi)物料示意圖如下）圖11進(jìn)料狀況示意圖 回流比影響精餾操作費用的主要因素是塔內(nèi)蒸氣量 V。實際回流比總是介于最小回流比和全回流兩種極限之間。適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算決定，即操作費用和設(shè)備折舊費之和為最低時的回流比為適宜回流比。(1) 根據(jù)本設(shè)計的具體情況，參考生產(chǎn)上較可靠的回流比的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定；(2) 先求出最小回流比Rmin，~2 倍，即R＝（~2）Rmin；(3) 在一定的范圍內(nèi)，選5 種以上不同的回流比，計算出對應(yīng)的理論塔板數(shù)，作出回流比與理論塔板數(shù)的曲線。因此可在斜線部分區(qū)域選擇一適宜回流比。 熱能利用精餾過程的熱效率很低，進(jìn)入再沸器的能量的95%以上被塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)帶走，僅約5%的能量被有效地利用。該方法不僅可節(jié)省大量的加熱蒸汽，而且還節(jié)省了大量的冷卻介質(zhì)。在考慮充分利用熱能的同時，還應(yīng)考慮到所需增加設(shè)備的投資和由此給精餾操作帶來的影響。圖13 精餾工藝流程圖(3)全凝器內(nèi)物流的走向圖注：全凝器內(nèi)物料走殼程，冷卻水走管程。圖13再沸器物流流程圖第二章 精餾塔的工藝設(shè)計計算 設(shè)計任務(wù)和條件（一）設(shè)計任務(wù)：試設(shè)計一連續(xù)浮閥精餾塔以分離正戊烷—正己烷混合物。原料液中含正戊烷 %（質(zhì)量），其余為正己烷。 釜液中的正戊烷含量不高于 2 %（質(zhì)量）。二、設(shè)計條件：加熱方式：自選。進(jìn)料狀況： 冷液進(jìn)料 。塔板形式：浮閥塔板。（1） 查找個體系的汽液相平衡數(shù)據(jù)（《化工原理第四版》化學(xué)工業(yè)出版社）表22 正戊烷－正己烷的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系溫度/℃P176。B/kPa溫度/℃P176。B/kPa554060456550總壓為P=根據(jù)拉烏爾定律，理想溶液上方的平衡分壓為式中 P溶液上方組分的平衡壓強Pa P176。氣液平衡下液相組成與平衡溫度間的關(guān)系為（tx關(guān)系式）氣液平衡下氣相組成與平衡溫度間的關(guān)系為（ty關(guān)系式）計算結(jié)果列于下表23表23 正戊烷（A)－正己烷（B）溶液的txy計算數(shù)據(jù)（）溫度/℃xy溫度/℃xy1155406045655000根據(jù)上表中計算數(shù)據(jù)畫出正戊烷—正己烷混合液的t－x－y圖和x－y圖：圖21 正戊烷—正己烷混合液的t－x－y圖圖22 正戊烷—正己烷圖烷混合液的x－y圖（2）求最小回流比和操作回流比 因為是冷液進(jìn)料，故需要先確定q值。則原料液的汽化熱為由圖11查出進(jìn)料組成為時溶液的泡點溫度為49℃，平均溫度為。圖23 q線與相圖交點的確定使用作圖法來求最小回流比，讀圖可以得到q線與x－y圖的交點d的坐標(biāo)為（，），即，故最小回流比為：實際回流比在實際操作中，常取最小回流比的（～）倍作為實際回流比，在本設(shè)計系統(tǒng)中，當(dāng)回流比最小時，塔板數(shù)為無窮大，故設(shè)備費為無窮大。當(dāng)R繼續(xù)增加時，塔板數(shù)固然仍隨之減少，但已較緩慢。精餾過程的操作費用主要包括再沸器加熱介質(zhì)和冷凝器冷卻介質(zhì)的費用?？傎M用是設(shè)備費用與操作費用之和，在設(shè)計時，當(dāng)總費用最小時的R即為適宜的回流比。先確定最少理論板數(shù)，按照經(jīng)驗公式確定最少理論塔板數(shù)(不包括再沸器）故最優(yōu)操作回流比R為（公式來源：見參考文獻(xiàn)[9]）（3） 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷圖24 進(jìn)料狀況示意圖 由于進(jìn)料方式為冷夜進(jìn)料，故： （4）精餾段操作線方程為（5）提餾段操作線方程為采用如圖解法求理論板層數(shù)。求解結(jié)果為：總理論板層數(shù) NT=11（不包括再沸器）精餾段理論板層數(shù) NT精=4提餾段理論板層數(shù) NT提=7（包括進(jìn)料板）進(jìn)料板位置 NF=52. 實際塔板數(shù)的求?。?）操作溫度的計算塔底組成 塔頂組成圖27 xD、xW的確定根據(jù)正戊烷－正己烷的溫度－組成（txy圖）查得下列溫度① 泡點溫度：=℃② 塔頂溫度：=℃③ 塔釜溫度：=℃ 全塔平均溫度 ℃（2）相對揮發(fā)度計算（，）由Antoine方程（）求算正戊烷、正己烷的飽和蒸汽壓。表33 揮發(fā)度相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)記錄項目進(jìn)料塔頂塔底輕組分的摩爾分?jǐn)?shù)物系溫度t/℃正戊烷的飽和蒸汽壓P0A/kPa正己烷的飽和蒸汽壓P0B/kPa平均相對揮發(fā)度 所以，全塔平均相對揮發(fā)度為 精餾段平均相對揮發(fā)度為 提餾段平均相對揮發(fā)度為（3） 塔板總效率的計算根據(jù)知O’connell公式得全塔效率：注：由于O’connell公式適用于較老式的工業(yè)塔及試驗塔的總效率關(guān)聯(lián)，所以對于新型高效的精餾塔來說，總效率要適當(dāng)提高。第三章 ASPEN PLUS精餾塔分離單元模擬 蒸餾過程的簡捷法計算一般采用手工計算，也可以應(yīng)用流程模擬軟件進(jìn)行計算，目前主要的流程模擬軟件有ASPEN PLUS、HYSIS、PROII等。ASPEN PLUS簡捷法精餾（設(shè)計型）計算可對一個