化工原理课程设计说明书

1、银川能源学院化工原理课程设计说明书成绩 银川能源学院化工原理课程设计题 目 19万吨/年乙醇-水板式精馏塔设计学生姓名 学 号 指导教师 院 系 石油化工学院 专 业 化学工程与工艺 班 级 1201 化学工程教研室制目 录任 务 书- 1 -摘 要- 2 -Abstract- 2 -1.0综述- 3 -11 绪论- 3 -1.1.1 主要设备的型式- 3 -1.1.2 操作压力的确定- 3 -1.1.3 加热方式.- 3 -1.2 设计基础数据- 3 -1.3 工艺流程- 5 -2.0 塔板的工艺设计- 6 -2.1 精馏塔全塔物料衡算- 6 -2.2 物性参数的计算- 6 -2.2.1 温

2、度- 6 -2.2.2 密度- 7 -2.2.3混合液体表面张力计算- 9 -2.2.4混合物的粘度- 11 -2.3塔板数的计算- 11 -2.4 热量衡算- 12 -2.4.1 加热介质的选择- 12 -2.4.2 冷却剂的选择- 12 -2.4.3 比热容及潜化热的计算- 12 -2.4.4 热量衡算- 13 -2.5气液相体积流量计算- 14 -2.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 15 -2.7溢流装置- 16 -2.7.1堰长- 17 -2.7.2弓形降液管的宽度和横截面- 17 -2.7.3降液管底间隙高度- 18 -2.8 塔板分布- 18 -2.9塔板的流体力学计算- 19 -2

3、.9.1.塔板的压降- 19 -2.9.2淹塔- 19 -2.9.3雾沫夹带- 20 -2.10 塔板负荷性能图- 21 -2.10.1.雾沫夹带线- 21 -2.10.2液相负荷上限线- 21 -2.10.3液相负荷下限线- 22 -2.10.4漏液线- 23 -3. 板式塔的结构与附属设备- 24 -3.1 塔体结构- 24 -3.1.1 塔顶封头- 24 -3.1.2 塔顶空间- 24 -3.1.3 塔底空间- 24 -3.1.4 人孔- 24 -3.1.5 进料处板间距- 25 -3.1.6 裙座- 25 -3.1.7 塔的接管- 25 -4. 附属设备的选型和计算- 26 -4.1冷

4、凝器的选择- 27 -4.2再沸器的选择- 27 -参考文献- 28 -课程设计心得- 29 -任 务 书设计题目：19万吨/年乙醇水板式精馏塔设计设计条件：乙醇组成：18% 处理量：190000吨塔顶馏出液含水5 塔顶馏出液含乙醇95塔底釜残液含水95 塔底釜残液含乙醇5产品纯度95 操作周期7200小时/年 塔板效率60操作压力： 常压（表压）进料状态： 泡点进料塔底加热蒸汽压力300kpa (温度133.3C)(表压)单板压降： 0.7kpa 塔板类型： 浮阀塔工作日： 300天设计任务：1、设计方案的确定及工艺流程的组织与说明2、精馏过程的工艺计算3、塔和塔板主要工艺结构参数的设计计算

5、4、塔内流体力学性能的计算与校核5、绘制塔板负荷性能图6、绘制生产工艺流程图7、绘制精馏塔装配图8、塔的工艺计算结果汇总一览表9、塔附件及辅助设备的设计或选型计算10、带控制点的生产工艺流程图的及精馏塔设计工艺条件图的绘制11、对设计过程的评述及有关问题的讨论12、编制课程设计说明书13、参考文件摘 要精馏是分离液体混合物最常用的的一种单元操作。在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到

6、不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。本次设计的题目是乙醇-水板式精馏塔设计。在确定的工艺要求下，确定设计方案，设计内容包括精馏塔工艺设计计算，塔辅助设备设计计算，精馏塔工艺过程流程图，精馏塔设备结构图，设计说明书。关键词：乙醇-水；设备结构图； 设计说明书；工艺设计计算Abstractmakes thevolatile components(light component)continuou

7、sly from theliquid The selective evaporation separates the liquid mixture most commonly used one kind of unit operation. In industries and so on chemical industry, refinery, petroleum chemical industry obtains the widespread application. By difference ofthe components in the mixtureofvolatileability

8、,throughtheliquidandvaporphasereflow,thegas,liquid two-phasereversemulti contact,in theheat drivenandphase equilibrium relationshipconstraints,which phasetothegas phaseandtransfer,difficult volatile componentsfromthe gas phase to theliquid phasemigration,themixture to obtain aconstantseparation,thep

9、rocess iscalleddistillation.In this process,heat transfer,mass transfer process at the same time,a mass transfer process control.Raw materials fromthe centraltowerproper positioninto the tower,the toweris divided into two sections,the upper section isa rectification section,not includingfeeding,unde

10、r the sectioncontainingfeedforenriching sectionfromthetopofthetower,thecondenserprovidedliquidrefluxandreboilerat the bottom of the toweris providedfrom thevapor phase reflow.Gas and liquidrefluxis an important feature ofdistillation. This design topic is the ethyl alcohol - water beat rectifying to

11、wer design.Under definite technological requirement, determination design proposal, design content including rectifying tower technological design computation, tower supporting facility design calculation, rectifying tower technological process flow chart, rectifying tower equipment structure drawin

12、g, design instruction booklet.Key words: Ethyl alcohol - water; Equipment structure drawing; Design instruction booklet; Technological design computation1.综述11 绪论1.1.1 设计方案的确定本次设计任务为分离乙醇和水的混合物。对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，故操作回流比取最小回流比的1.6倍。塔釜采

13、用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。塔板选择浮阀塔板。浮阀塔板结构简单，即在塔板上开若干个孔，在每个孔的上方装上可以上下浮动的阀片，操作时，浮阀可随上升气量的变化自动调节开度，当气量较小时，阀片的开度亦较小，从而可使气体能以足够的气速通过环隙，避免过多的漏液，当气量较大时，阀片浮起，开度增大，使气速不致过高。1.1.2 操作压力的确定精馏操作可在常压、减压和加压下进行。操作压强取决于冷凝温度。本设计是分离乙醇和水的混合物，属于非热敏性物料，应采用常压，P4 kPa (表压)。因为在处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上都比较合理。1.1.3 加热方式蒸馏釜的加热方式通常包括间接蒸汽加

14、热和直接蒸汽加热两种。一般情况下，塔底产物基本上是水，且在低浓度下溶液的相对挥发度较大时，便可采用直接蒸汽加热。因本设计是分离乙醇和水的混合物，可采用直接蒸汽加热。其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而可节省设备费用。值得一提的是，采用直接蒸汽加热，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即釜中的液柱静压力。1.2 设计基础数据 表1 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系温度t/液相组成x/%气相组成y/%1000095.51.9017.0089.07.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.89

15、82.723.3754.4582.326.0855.8081.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.43表2 不同温度下乙醇和水的密度温度/80735971885730968690724965395720961851007169584表3 不同温度下乙醇和水的表面张力温度/乙醇表面张力/（ ）水表面张力/（ ）701864.38017.1562.69016.260.710015.258.81.3 工艺流程如图1所示

16、。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。（A4流程图 图1 精馏塔的工艺流程简图2. 塔板的工艺设计2.1 精馏塔全塔物料衡算原料乙醇摩尔的组成： 塔顶产品乙

17、醇摩尔的组成： 塔底残液乙醇的摩尔组成：原料液：M=0.08146+（1-0.081）18=20.268 kg/kmol塔顶液：M= 0.881446+ (1-0.8814) 18=86.55kg/kmol塔底液：M=0.0246+（1-0.02）18=18.56kg/kmol 进料量F= =0.3628kmol/s 由式可知2.2 物性参数的计算2.2.1 温度进料温度： 塔顶温度：=78.17 塔底温度：- 7 -精馏段的平均温度：= 提馏段的平均温度：2.2.2 密度 塔顶温度： 气相组成： 进料温度： 气相组成： 塔底温度： 气相组成： 精馏段的平均液相组成：= 精馏段的平均气相组成：

18、=精馏段液相平均分子量：精馏段气相平均分子量：精馏段平均液相组成： 精馏段平均气相组成： 提馏段液相平均分子量： 提馏段气相平均分子量：求在、下的乙醇和水的密度（单位）- 8 - ， ， ， 所以 2.2.3混合液体表面张力计算二元有机物-水溶液表面张力可用下列公式计算其中 lg Q=0.441* A=B+Q A=lg 上式诸式中 下标W ,O ,S 分别代表乙醇 水及部分表面部分； 主体部分的分子数； 主体部分的分子体积； 分别为乙醇 水的表面张力；对于乙醇q=2 乙醇的表面张力： 同理可得： 水的表面张力： 利用公式可得塔顶表面张力： 原料液表面张力：塔底液表面张力：从而可得精馏段表面张力

19、： 提馏段表面张力 ：2.2.4混合物的粘度利用液体黏性共线图查出：； ;精馏段的黏度：相对挥发度：精馏段的平均相对挥发度 提馏段的平均相对挥发度 2.3塔板数的计算理论板：指离开这种板的气液相互成平衡，而且塔板上组成均匀计算方法： 逐板计算精馏段：理论板数 已知：塔板效率为：0.6所以：精馏段实际板层数：5块提馏段：理论板数：3已知：塔板效率为：0.6所以：提馏段实际板层数：5块全塔所需实际板数：（块）2.4 热量衡算2.4.1 加热介质的选择 常用的加热介质有饱和蒸汽水和烟道气。本设计选用300Kpa（温度133.3）的饱和蒸汽做热介质。因为水蒸气清洁易得，不易结垢，不腐蚀管道。饱和水蒸汽

20、压力越高，冷凝温差越大。其次，饱和蒸汽的价格较低廉，温度可通过压力调节。2.4.2 冷却剂与出口温度 冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。因为是分离乙醇和水的混合物，所以选常用的冷却剂水和空气。本设计在宁夏银川永宁地区。永宁夏季最热月份日平均气温为28摄氏度。故选用28摄氏度的冷凝水，选升温10摄氏度，即冷却水的出口温度为38摄氏度。2.4.3 比热容及潜化热的计算t=78.17，Cpo=3.46KJ/(Kg.K)=159.16KJ/(kmol.K)解得Cpw.78.17=4.194KJ/(Kg.K)=75.48KJ/(Kmol.K)=CpX+Cpw(1-X)=159.160.8814+75.48

21、(1-0.8814)=149.26KJ/(kmol.K)t=88.16，Cpo=3.65KJ/(Kg.K)=167.9KJ/(kmol.K)解得Cpw.88.16=4.21KJ/(Kg.K)=75.78KJ/(Kmol.K)=CpX+Cpw(1-X)=167.90.081+75.78(1-0.081)=83.24KJ/(kmol.K)Tw=95.26，Cpo=3.76KJ/(Kg.K)=172.96KJ/(kmol.K)Cpw.95.26=4.214KJ/(Kg.K)=75.85KJ/(Kmol.K）=CpoX+Cpw(1-X)=172.960.02+75.85(1-0.02)=77.79KJ

22、/(Kmol.K）塔顶温度t下的汽化潜热：=598.0KJ/Kg w=1241.0KJ/Kg =X+（1-X）=598.00.8814+1241.0（1-0.8814）=674.26KJ/Kg 2.4.4 热量衡算0时塔顶上升的热量Q,塔顶以0为基准：Q=Vt+V=0.1343600149.2678.17+0.134674.26360042.80=19549734kJ/h回流液的热量QR：t=78.此温度下 =148.02KJ/=Lt=0.1283600148.0278.00=5320194.0kJ/h塔顶流出液的热量Q：=148.02KJ/Q=Dt=0.02673600148.0278.17

23、=1112177.9kJ/h进料的热量：=Ft=0.3628360083.2488.16=9584587.6kJ/h塔底残液的热量：=0.336177.79360095.26=8966136.8kJ/h冷凝器消耗的热量：=Q-Q=19549734-5320194 -1112177.9=13117362.1kJ/h再沸器提供热量：塔釜热损10%，则 Q损=0.1再沸器的实际热负荷：0.9 2.5气液相体积流量计算 R=1.6=1.63.002=4.80精馏段：已知：提馏段：2.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算U=（安全系数）x； 安全系数=0.6-0.8 精馏段横坐标数值：取板间距： 查得： 塔径圆整

24、：横截面积： 提馏段横坐标数值： 取板间距：查的： 塔径圆整：横截面积：2.7溢流装置板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分，如下图所示。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。 图2 塔板的结构参数2.7.1堰长出口堰高：本设计采用平直堰，堰上高度精馏段：提馏段：2.7.2弓形降液管的宽度和横截面 查的验算降液管内停留的时间：精馏段：提馏段： 停留时间Q5S 故降液管可使用。2.7.3降液管底间隙高度精馏段： 提馏段： 因为不小于20mm 故满足要求2.8 塔板分布本设计塔径D=2m 采

25、用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。精馏段：取阀孔动能因子。 则孔速为：每层塔板上浮阀数目为：提馏段：取浮孔动能因子。 则孔速：每层塔板上浮阀数目：2.9塔板的流体力学计算2.9.1.塔板的压降依据：精馏段：干板阻力 故板上充气液层阻力取，。则液体表面张力所造成的阻力，此阻力很小，通知可忽略不计。与气体流体流经塔板的降压相当的液柱高度为：提馏段：干板阻力 故板上充气液层阻力取，。则液体表面张力所造成的阻力，此阻力很小，通知可忽略不计。与气体流体流经塔板的降压相当的液柱高度为：2.9.2淹塔为防止淹塔现象的发生，要求控制将液管中的清液层高度 精馏段：单层气体通过板塔的降压相当的液柱：液体通过塔板

26、的降压相当的液柱高度：板上液层高度：，则取。以已知 则则 所以符合防止淹塔的要求提馏段：单层气体通过板塔的降压相当的液柱：液体通过塔板的降压相当的液柱高度：板上液层高度： 则取。以已知 则则 所以符合防止淹塔的要求。2.9.3雾沫夹带精馏段：泛点率=板上流体流经的长度板上液流面积取物性数据K=1.0，泛点负荷系数泛点率=对于大塔，为了避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，雾沫夹带能够满足气要求。提馏段：取物性数据K=1.0，泛点负荷系数泛点率=对于大塔，为了避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，雾沫夹带能够满足气要求。2.10 塔板负荷性能图2.10

27、.1.雾沫夹带线泛点率=据此式可作出负荷性能图中的雾沫夹带线。按泛点率80%计算。精馏段：泛点率=0.8=由上式知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，可算出.提馏段：泛点率=0.8=在操作范围内任取两个值，可算出. 精馏段 提馏段0.002 6.5 0.0028.890.01 6.04 0.01 8.272.10.2液相负荷上限线液体的最大流量应保证降液管内停留时间不低于35s。液体在降液管内停留时间以作为液体在降液管内停留时间的下限，则2.10.3液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限线条件，作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的直线。去E=1.0,则计算的 图3 塔板负荷

28、性能图2.10.4漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则精馏段：提馏段：3. 板式塔的结构与附属设备3.1 塔体结构3.1.1 塔顶封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径 查的曲面高度 直边高度 内表面积，容积。则封头高度3.1.2 塔顶空间取塔顶间距考虑到需要安装除沫器，所以选择塔顶空间1.2m。3.1.3 塔底空间塔底空间高度是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m。则3.1.4 人孔对板式塔，为安装塔、检修的需要，一般每隔6-8塔板设一人孔，本塔中共有19块塔板，需设置1个人孔，每个人孔直径为450mm

29、，在设置人孔处450mm，在设置人孔板间距。3.1.5 进料处板间距考虑到在进口处安装防冲设施，取进料板处板间距3.1.6 裙座塔底常用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙座。由于裙座内径700mm,故裙座壁厚取15mm。基础环内径： 基础环外径： 圆整：塔体总高度： 3.1.7 塔的接管3.1.7.1.进料管进料管的结构类型很多，本设计采用直管进料管，管径计算如下：取 则查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.2 回流管采用直管回流管，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.3塔底出料管采用直管出料，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.4 塔顶蒸汽出料管采用直管出气，取

30、 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.5 塔底蒸汽进气管采取直管进气，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。4.附属设备的选型和计算塔体是塔设备的外壳。常见塔体由等直径，等壁厚的圆筒及椭圆形封头的顶盖和底盖构成。随着化工装置的大型化，为了节约原材料，有用不同直径、不同壁厚的塔体。塔体的厚度除应满足工艺条件下的强度外，还应校核风力、地震、偏心载荷所引起的强度和刚度，同时要考虑水压实验、吊装、运输、开停工的情况。 塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分，一般采用裙座，其高度由工艺条件的附属设备（如再沸器、泵）及管道布置决定。它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，为此，它应具有足

31、够的强度和刚度。 除沫器用于捕集在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于提高分离效率，改善塔后设备的操作状况，回收昂贵的物料以及减少对环境的污染都是非常重要的。常用的有丝网除沫器和折板除沫器。 接管是用以连接工艺管路，使之与相关设备连成系统。有进液管、出液管、回流管、进气管、出气管、侧线抽出管、取样管、液面计接管及仪表接管等。 手孔、人孔和视孔是为了安装、检查的需要而设置的。吊柱设置在塔顶，用于安装和检修时运送塔内件。4.1冷凝器的选择本设计取。出料液温度（饱和气）（饱和液），冷凝水温度逆流操作： 传热面积：根据全塔热量衡算，得取安全系数1.04，则需传热面积 设备型号：BES300-1.6-1

32、08-6/194浮头式换热器4.2再沸器的选择选择饱和水蒸气加热，传热系数取。料液温度：，水蒸气温度：逆流操作：，传热面积：根据全塔热量衡算，得取安全系数1.04，则需传热面积选择BES1000-1.6-311-6/19 6浮头式换热器参考文献1 姚玉英主编.化工原理（新版）上、下册 天津大学出版社1999年8月第1版.2 马晓迅 夏素兰 曾庆荣 主编.化工原理上、下册 化学工业出版社 2014年1月第一版.3 王卫东 主编.化工原理课程设计 化学工业出版社 2013年9月.4 申迎华 郝晓刚主编.化工原理课程设计 化学工业出版社 2005年2月.5 匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程

33、教材 化学工业出版社，2009.5.课程设计心得 时间如过隙白驹，转瞬即逝。历时两周的课程设计很快就要过去了，这是我们学习化工原理以来第一次独立的工业课题设计。化工原理课程设计是重点培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 时间虽然只有短短的两周，但是我却收获颇多。从开始的一头雾水，到同学讨论，再到查阅各种书籍资料。再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。 我们从中也明白了学无止境的道