2023年化工原理课程设计填料精馏塔

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐化工原理课程设计填料精馏塔.doc填料精馏塔实例甲醇和水

名目

第1章概述(1)

1.1与物性有关的因素(1)

1.2与操作条件有关的因素(1)

1.3本章小结(2)

第2章流程确定和讲明(3)

2.5加热方式(4)

2.6加热器(4)

2.7本章小结(4)

第3章精馏塔的设计计算(5)

3.1操作条件与基础数据(5)

3.2精馏塔工艺计算(7)

3.3精馏塔要紧尺寸的设计计算(12)

3.4填料的挑选(17)

3.5塔径的设计计算(18)

3.6填料层高度的计算(19)

3.7本章小结(20)

第4章附属设备及要紧附件的选型计算(21)

4.1冷凝器(21)

4.2加热器(21)

4.3塔内管径的计算及挑选(21)

4.4液体分布器(20)

4.5填料及支撑板的挑选(21)

4.6塔釜设计(22)

4.7除沫器(22)

4.8本章小结(22)

结论(26)

在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大，应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、汲取、萃取、洗涤、传热等单元操作中。因此塔设备的研究向来是国内外学者普遍关注的重要课题。塔设备按其结构形式都是可分为两类：板式塔和填料塔。往常，在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采纳填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开辟，既提高了塔的经过能力和分离效能又保持了压落小以性能稳定等特点。所以填料塔已被推广到大型汽液操作中。在某些场合还代替了传统的板式塔。现在，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开辟，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。板式塔为逐级接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、操作弹性大、持液量小等优点。并且也有投资费用较高、填料易阻塞等缺点。本设计目的是分离甲醇-水混合液，处理量别大，故选用填料塔。塔型的挑选因素非常多。要紧因素有物料性质、操作条件、塔设备的创造安装和维修等。

1.1与物性有关的因素

①易起泡的物系在板式塔中有较严峻的雾沫夹带现象或引起液泛，故选用填料塔为宜。因为填料别易形成泡沫。本设计为分离甲醇和水，故选用填料塔。

②关于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，关于别腐蚀的介质，则可选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属填料

1.2与操作条件有关的因素

①传质速率受气膜操纵的系统，选用填料塔为宜。因为填料塔层中液相为膜状流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。

②难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数非常多时，可采纳高效填料。

③若塔的高度有限制，在某些事情下，选用填料塔可落低塔高，为了节省能耗，故本设计选用填料塔。

④要求塔内持液量、停留时刻短、压强小的物系，宜用规整填料

1.3本章小结

本章要紧叙述了板式塔与填料塔的比较，对塔型的吧挑选因素的介绍，从物料性质、操作条件两方面来挑选塔的类型。以此确定选用填料塔来分离甲醇—水的混合物。

第2章流程确定和讲明

2.1加料方式

加料方式有两种：高位槽加料和泵直截了当加料。采纳高位槽加料，经过操纵液位高度，能够得到稳定的流量和流速。经过重力加料，能够节约一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用增加；采纳泵加料，受泵的妨碍，流量别太稳定，流速也忽大忽小，从而妨碍了传质效率，但结构简单、安装方便；如采自动操纵泵来操纵泵的流量和流速，其操纵原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采纳高位槽进料。

2.2进料状况

进料状况普通有冷液进料、泡点进料。关于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节约加热费用。但冷液进料受环境妨碍较大，关于沈阳地区来讲，存在较大温差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。采纳泡点进料，别仅对稳定塔操作较为方便，且别受季节温度妨碍。综合思考，设计采纳泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，创造上较为方便。

2.3塔顶冷凝方式

塔顶冷凝采纳全凝器，用水冷凝。甲醇和水别反应。且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度别高，冷凝后回流液和产品温度别高无需进一步冷却。此次分离也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求。

2.4回流方式

回流方式可分为重力回流和强制回流。关于小型塔，回流冷凝器普通安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流操纵较难。假如需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器别适合于塔顶安装。且塔顶冷凝器别易安装、检修和清理。在这种事情下，可采纳强制回流，塔顶上升蒸汽采纳冷凝冷却器以冷回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故采纳重力回流。

2.5加热方式

加热方式分为直截了当蒸汽和间接蒸汽加热。直截了当蒸汽加热是用蒸汽直截了当由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，但理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是经过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液举行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次实验采纳间接蒸汽加热。

2.6加热器

采纳U型管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，如此釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少了理论板数。

2.7本章小结

本章要紧分析了操作流程怎么确定，并讲明此流程采纳高位槽泡点进料、塔顶全凝器、塔底再沸器的重力回流的间接蒸汽加热方式，明确讲明了各流程的优缺点。

第3章精馏塔的设计计算

3.1操作条件与基础数据

3.1.1操作压力

精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力妨碍很大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离别利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力别太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。所以在设计时普通采纳常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采纳加压或减压蒸馏。关于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采纳常压精馏。

3.1.2气液平衡关系及平衡数据

表3-1甲醇-水平衡时的t、x、y数据]1[

依照以上数据绘出x-y平衡图]2[

图3-1甲醇-水平衡图

3.1.3物料平衡计算

①物料衡算

已知：F”=600t,F

x'=70%,

D

x'=98%,W

x'=2%(质量百分比)，MOHCH3=32.04kg/kmol，MOH2=18.02

kg/kmol

摩尔分率：

进料平均相对分子质量

②依照气液平衡表（

x-y-t表）利用内插法求塔顶温度tLD，tVD，塔釜温度tW，进料温度tF

a.塔顶温度tLD，tVD

b.塔釜温度tW

c.进料温度t

F

③回流比确定

由图（图3-1）可知进料平衡曲线为别正常平衡曲线，为减小误差，用作图法求最小回流比Rmin。由点a(xD,xD)向平衡线作切线，交轴于b(0,31.8)，即精馏段操作线截距，因此。操作回流比可取为最小回流比的1.1—2.0倍，因此取

。因此回流比确定为

④相对挥发度

t=92.9℃时，

t=66.9℃时，

3.2精馏塔工艺计算]2[

3.2.1物料衡算

①物流示意图

图3-2精馏塔的物料衡算

②物料衡算]2[

a.已知：F”=0.6?104t，年开工300天，

进料摩尔流量：F=06

.262430010106.03

4????=31.98kmol/h

总物料F=D+W

易挥发组分WDFxWxDxF?+?=?解得：D=18.68kmol/hW=13.3kmol/h

b.塔顶产品的平均相对分子质量

塔顶产品流量：D=18.68?31.549=589.335kg/h

c.塔釜产品的平均相对分子质量

塔釜产品流量：W=13.3?18.178=241.767kg/h

F=D+W=831.102kg/h

表3-2物料衡算结果表

3.2.2热量衡算

①热量衡算

a.加热介质和冷却剂的挑选(a)加热介质的挑选

常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数非常高，能够经过改变蒸汽的压力准确地操纵加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数非常低，加热温度操纵困难。本设计选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、别易腐蚀加热管，别但成本会相应落低，塔结构也别复杂。(b)冷却剂的挑选

常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水普通为10~25℃。如需冷却到较低温度，则需采纳低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为哈尔滨。哈尔滨市夏季最热月份日平均气温为24℃。故选用24℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为34℃。b.冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷

其中

—塔顶上升蒸汽的焓；

—塔顶馏出液的焓。

其中

—甲醇的蒸发潜热；—水的蒸发潜热。

蒸发潜热与温度的关系：38

..0121211?

???

?

?--?=?γγTTHHV

其中

—对照温度。

表3-3沸点下蒸发潜热列表

/K

由沃森公式计算塔顶温度下的潜热

38

..0121211?

???

?

?--?=?γγTTHHV

65.66℃时，对甲醇：

蒸发潜热

对水，同理得：

，

蒸发潜热

对全凝器作热量衡算（忽略热量损失）

挑选泡点回流，因为塔顶甲醇含量非常高，与露点相接近，因此

代入数据得：

Qc=(3.05+1)?18.68?8472.888=641007.869kcal/hc.冷却介质消耗量Wc=

)(12ttCQpcc-=

787.64100)

2434(1869

.641007=-?kg/hd.加热器的热负荷及全塔热量衡算

选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气为加热介质

列表计算甲醇、水在别同温度下混合的比热容[

单位：kcal/(kg·℃)]

3-4甲醇、水比热容表

甲醇：86.4)86.7131.65(731.0)(*-=-?=-FLDplttC

水：

依照表3-2D=589.335

kg/h,W=241.767kg/hQD=D?

?=31.6XXX

.71DdtCppCt?=589.335?(-4.82)=-2840.60kcal/h

QW=W?

?=52

.9886

.71WdtCppCt?=241.767?26.547=6418.19kcal/h

对全塔举行热量衡算：

为了简化计算，以进料焓，即78.43℃