————大学

化工原理课程设计 专 业：

班 级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

提交时间：

成 绩：说明书

化工原理课程设计任务书

专业 班级 设计人

一、设计题目

分离 乙醇-水 混合液（混合气）的 填料 精馏塔

二、设计数据及条件

生产能力：年处理 乙醇-水 混合液（混合气）：万吨（开工率300天/年）；

原 料： 乙醇 含量为 40 %（质量百分率，下同）的常温液体（气体）； 分离要求： 塔顶 乙醇 含量不低于（不高于） 93 %；

塔底 乙醇 含量不高于（不低于） 0.3 %。

建厂地址： 沈阳

三、设计要求

（一）编制一份设计说明书，主要内容包括：

1、前言；

2、流程的确定和说明（附流程简图）；

3、生产条件的确定和说明；

4、精馏（吸收）塔的设计计算；

5、附属设备的选型和计算；

6、设计结果列表；

7、设计结果的讨论与说明；

8、注明参考和使用的设计资料；

9、结束语。

（二）绘制一个带控制点的工艺流程图（2#图）

（三）绘制精馏（吸收）塔的工艺条件图（坐标纸）

四、设计日期： 2012 年 03 月 07 日至 2012 年 03 月 18 日

沈阳化工大学化工原理课程设计 目录

目 录

前言 ............................................................................................... 1

第一章 流程确定和说明 ............................................................... 2

1.1加料方式的确定..................................................................... 2

1.2进料状况的确定..................................................................... 2

1.3冷凝方式的确定..................................................................... 2

1.4回流方式的确定..................................................................... 3

1.5加热方式的确定..................................................................... 3

1.6再沸器型式的确定 ................................................................. 3

第二章 精馏塔设计计算 ............................................................... 4

2.1操作条件与基础数据 ............................................................. 4

2.1.1操作压力 .......................................................................... 4

2.1.2气液平衡关系与平衡数据 ................................................. 4

2.1.3回流比 ............................................................................. 4

2.2精馏塔工艺计算..................................................................... 5

2.2.1物料衡算 .......................................................................... 5

2.2.2 热量衡算 ......................................................................... 9

2.2.3理论塔板数的计算 ......................................................... 12

沈阳化工大学化工原理课程设计 目录

2.2.4实际塔板数的计算 ......................................................... 13

2.3精馏塔主要尺寸的设计计算 ................................................. 15

2.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件 .................................... 15

2.3.2. 塔体工艺尺寸的计算 .................................................... 18

2.3.3填料层高度的计算 ......................................................... 21

2.3.4填料层压降的计算 ......................................................... 22

2.3.5填料层的分段 ................................................................. 24

第三章 附属设备及主要附件的选型计算 .................................... 25

3.1 冷凝器的选择 ...................................................................... 25

3.1.1 冷凝剂的选择 ................................................................ 25

3.2再沸器的选择 ...................................................................... 26

3.2.1间接加热蒸气量 ............................................................. 26

3.2.2再沸器加热面积 ............................................................. 26

3.3 塔内其他构件 ...................................................................... 27

3.3.1 接管的计算与选择 ......................................................... 27

3.3.2 液体分布器 ................................................................... 29

3.3.3 除沫器的选择 ................................................................ 30

3.3.4 液体再分布器 ................................................................ 31

3.3.5填料及支撑板的选择 ...................................................... 31

3.3.6裙座的设计 .................................................................... 31

3.3.7手孔的设计 .................................................................... 32

沈阳化工大学化工原理课程设计 目录

3.3.8 塔釜设计 ....................................................................... 32

3.3.9 塔的顶部空间高度 ......................................................... 32

3.4精馏塔高度计算................................................................... 32

第四章 设计结果的自我总结和评价............................................. 34

4.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表 ........................ 34

4.2 精馏塔主要工艺尺寸 ........................................................... 34

4.3 同组数据比较 ...................................................................... 35

4.4设计结果的自我总结与评价 ................................................. 35

附录 ............................................................................................. 37

一、符号说明 ............................................................................ 37

二、不同设计条件下设计结果比较 ............................................ 38

沈阳化工大学化工原理课程设计 前言

前言 在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。但近年来又倾向于认为在一定塔径范围内，采用新型高效填料（如鲍尔环或鞍型填料）可以得到很好的经济效果。总之根据不同的具体情况（特别是在小直径塔，或压降有一定限制，或有腐蚀情况时），填料塔还是具有很多适用的。

本次课程设计就是针对乙醇-水体系而进行的常压二元填料精馏塔的设计及相关设备选型。

由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正。

1

沈阳化工大学化工原理课程设计 第一章 流程确定和说明

第一章 流程确定和说明

选择精馏设备，首先应从经济考虑，在充分考虑整个系统热能的利用，降低操作费用。另外还应考虑到它对操作稳定性的影响，塔的操作如不稳定就不能保证产品质量的均匀，具体情况如下：

1.1加料方式的确定

加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速，通过重力加料，可以节省一笔动力费用，但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单，安装方便。如果采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本设计采用高位槽进料。

1.2进料状况的确定

进料状况一般有冷液进料和泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，冷液进料会增加塔底蒸汽上升量，增加建筑费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。

1.3冷凝方式的确定

塔顶冷凝采用全冷凝器，用水冷凝，在常压下乙醇和水不反应，且容易冷

凝，故用全冷凝器符合要求。

1.4回流方式的确定

2

沈阳化工大学化工原理课程设计 第一章 流程确定和说明

回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔型，回流冷凝器一般安装在塔顶，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控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在此情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次设计为小型塔，故采用重力回流。

1.5加热方式的确定

加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内，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，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。

1.6再沸器型式的确定

再沸器的形式选用立式再沸器，在相同传热面积下，此种再沸器的体积小，节省费用，此外，蒸发釜的物料始终维持恒定的压力，传热情况稳定。在塔釜和蒸发釜以及相接管道内的落热量少，可以减少物料的停留时间，避免长期受热。

3

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

第二章 精馏塔设计计算

2.1操作条件与基础数据

2.1.1操作压力

精馏操作按操作压力可分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大，当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，对分离有利。但当压力太低时，对设备要求太高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏乙醇—水系统在常压下挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。

2.1.2气液平衡关系与平衡数据

表2-1 常压下乙醇-水的气液平衡与温度关系

液相乙醇摩尔分数(x)

0 0.0190 0.0721 0.0966 0.1238 0.1661 0.2337 0.2608 0.3273 0.3965 0.5079

0.5198 0.5732 0.6763 0.7472 0.8943

气相乙醇摩尔分数(y)

0 0.1700 0.3891 0.4375 0.4704 0.5089 0.5445 0.5580 0.5826 0.6122 0.6564 0.6599 0.6841 0.7385 0.7815 0.8943

温度/?C 100.0 95.5 89.0 86.7 85.3 84.1 82.7 82.3 81.5 80.7 79.8 79.7 79.3 78.74 78.41 78.15

2.1.3回流比

通常R=（1.1～2.0）Rmin,此设计取R=1.5Rmin

4

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

2.2精馏塔工艺计算

2.2.1物料衡算

⑴ 物料衡算图

图2-1 物料衡算图

F——原料流量，h； D——馏出液流量，h；

W——釜液流量，h； xF——原料中易挥发组分的摩尔分数； xD——馏出液中易挥发组分的摩尔分数；xW——釜液中易挥发组分的摩尔分数。

⑵ 物料衡算

??已知:F???7000ta,质量分数：x?F?40%, xD?93%, xW?0.3%

5

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

7000?103

kgKmol?972.22kgh 所以：F?=300?24

由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。

进料液、馏出液、釜残液的摩尔组成： xF??xFM乙醇

xFM乙醇???1?xF??M水???0.46.07?0.20680.446.07?1?0.4.02

同理可求得： xD?

xW?0.46.07?0.8386 0.46.07?1?0.92.020.46.07?0.0120 0.03/46.07?1?0.03.02

原料液的平均摩尔质量：MF?x?M乙醇??1?xF??M水

??18.02 ?0.2068?46.07??1-0.2068?23.82kg/Kmo l ??18.02 同理可求得：MD?0.8386?46.07??1-0.8386

?41.17kg/Kmo l

（1-0.0120）?18.02 MW?0.0120?46.07?

?18.36kg/Kmo l

塔顶液相、气相、塔釜、进料的温度分别为：tLD, tVD，tW，tF

查表2-1，用内插法解得 塔顶液相：

气相

塔釜： 0.8386?0.7472t?78.41?LD 解得: tLD?78.25?C 0.8943?0.747278.15?78.41t?78.410.8386?0.7815?VD 解得: tVD?78.28?C 0.8943?0.781578.15?78.410.019?095.5?100? 解得：tW?92.88?C 0.012?0tW?100

进料： 0.2337?0.166182.7?84.1 解得：tF?83.26?C ?0.2068?0.1661tF?84.1

tD?tF78.25?83.26??80.75?C 22

6 精馏段平均温度：t1?

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 提馏段平均温度：t2?

原料液：F?tW?tF2?92.88?83.26?88.07?C 2972.22?40.82Kmol/h 23.82

总物料衡算：F?D?W

易挥发组分衡算：F?xF?D?xD?W?xW

?D?9.62Kmol/h解得? W?31.20Kmol/h?

塔顶产品的的平均相对分子质量： 塔顶产品质量流量：D??MD?D?41.17?9.62?396.06kg/h 塔釜产品质量流量：W??MW?W?18.36?31.20?572.83kg/h

⑶ 相对挥发度的计算

① 精馏段：

t1?80.75?C

液相组成x1：

81.5?80.70.3273?0.3965? 解得：x1?0.3922 80.75?80.7x?0.3965

气相组成y1：

81.5?80.70.5826?0.6122 解得：y1?0.6103 ?80.7?80.750.6122?y1

精馏段：

?1?yAxAy1x20.6103??1?0.3922????2.43 ?0.3922yBxBy2x11?0.6103

② 提馏段：

t2?88.07?C

液相组成x2：

89.0?86.70.0721?0.0966? 解得：x2?0.0621 89.0?88.070.0721?x2

7

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 气相组成y2：

89.0?86.70.3891?0.4375? 解得：y2?0.3695 89.0?88.070.3891?y2

提馏段：

?2???8.85 0.3695??1?0.0621

1?0.3695?0.0621

⑷ 求最小回流比及操作回流比

由于泡点进料q?1,所以xq?xF?0.2068。由气液平衡数据表2-1，用内插法求yq, yq?0.50890.2068?0.1661?即 解得：yq?0.5303 0.2337?0.16610.5445?0.5089

Rmin?xD?yq

yq?xq?0.8386?0.5303?0.953 0.5303?0.2068

所以R?1.5Rmin?1.5?0.953?1.4

⑸ 精馏段的气液相负荷

L?R?D?1.4?9.62?13.47Kmol/h

L??L?q?F?13.47?1?40.82?54.29Kmol/h

V??V??R?1??D??1.4?1??9.62?23.09Kmol/h

⑹ 物料衡算结果

表2-2 物料衡算结果(a)

物料

进料F

塔顶产品D

塔底釜液W

流量Kmol/h 摩尔分数 40.82 9.62 0.2068 0.8386 0.012 31.20

8

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

表2-3 物料衡算结果（b）

物料

精馏段上升蒸气量V

提馏段上升蒸气量V?

精馏段下降液体量L

提馏段下降液体量L? 物流?Kmol/h? 23.09 23.09 13.47 54.29

2.2.2 热量衡算

⑴ 加热介质的选择

常用的加热剂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系数很高，可以通过改变蒸汽压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达到100～1000?C，适用于高温加热。烟道气的缺点是比热容及传热系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300KPa(温度为140?C)的饱和水蒸气作加热介质。

原因，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本相应降低，塔结构也不复杂。

⑵ 冷凝剂的选择

常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜地加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10～25?C。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为沈阳。沈阳市夏季最热月份平均气温为25?C。故选用的冷却水25?C的冷却水，选升温13?C，故冷却水的出口温度是38?C。

⑶ 热量衡算

塔顶温度tD?78.25?C，塔底温度tW?92.88?C，进料温度tF?83.26?C

tD温度下：CP1?137.52KJ/?Kmol?K?

CP2?75.48KJ/?Kmol?K?

CPD?CP1xD?CP2?1?xD?

?137.52?0.8386?75.48??1?0.8386?

9

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

?127.51KJ/?Kmol?K?

tW温度下：CP1?146.87KJ/?Kmol?K?

CP2?75.79KJ/?Kmol?K?

CPW?CP1?xW?CP2?1?xW?

?146.87?0.012?75.79??1?0.012?

?76.64KJ/?Kmol?K?

tF温度下：CP1?140.62KJ/?Kmol?K?

CP2?75.58KJ/?Kmol?K?

CPF?CP1?xF?CP2??1?xF?

?140.62?0.2068?75.58?(1?0.2068)

?89.03KJ/?Kmol?K?

tD温度下: ?1?842.50KJ/Kg

?2?2310.2KJ/Kg ??1?xD??2?1?xD?

.2?(1?0.8386) ?842.50?0.8386?2310

?1079.39KJ/Kg

① 0?C时塔顶气体上升的焓QV

塔顶以0?C为基准，

QV?V?CPD?tD?V???MD

?23.09?127.51?(78.25?273.15)?23.09?1079.3?41.17

?2060678.62KJ/h

② 回流液的焓QR

注：此为泡点回流，求得组成下的泡点tD，用内插法求得回流液组成下的t'D。 求得t'D?78.25?C

10

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 此温度下：CP1?137.52KJ/?Kmol?K?

CP2?75.48KJ/(Kmol?K) CP?CP1?xD?CP2?(1?xD)

?137.52?0.8386?75.48??1?0.8386?

?127.51KJ/?Kmol?K?

注：回流液组成与塔顶组成相同

QR?L?CP?t?D

?9.62?127.51?(78.25?273.15)

?603550.48KJ/h

③ 塔顶流出液的焓QD 因馏出口与回流口组成一样，所以CP?127.51KJ/Kmol?K

QD?D?CP?tD

?9.62?127.51?(78.25?273.15)

?431043.47KJ/h

④ 冷凝器消耗的焓QC

QC?QV?QR?QD

?2060678.62?603550.48?431043.47

?1026084.65KJ/h

⑤ 进料口的焓QF

QF?F?CPF?tF?40.82?89.03?(83.26?273.15)

?1295266.86KJ/h

⑥ 塔底残液的焓QW

QW?W?CPW?tW?31.20?76.64?(92.88?273.15)

?875239.2KJ/h

⑦ 再沸器QB

塔釜热损失为10%，η=0.9

11

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 设再沸器损失能量Q损?0.1QB,QB?QF?QC?QW?Q损?QD

加热器实际热负荷

0.9QB?QC?Qw?QD?QF

?1026084.65?875239.2?431043.47?1295266.86

?1037110.46

解得：QB?1152333.84KJ/h

表2-4 热量衡算表

项目

平均比热

热量Q 进料 冷凝器 塔顶流出液 塔底残液 再沸器 KJ/?Kmol?K?89.03 127.51 76.64

KJh 1295266.86

1026084.65 431043.47 875239.2 1152333.84

2.2.3理论塔板数的计算 精馏段操作线方程：y?

?xRx?D R?1R?11.30.8386x? 1.3?11.3?1

?0.565x?0.365

由图解法求理论塔板数，根据乙醇—水的气液平衡数据可作气液相平衡方程，由 图2-2可知理论板数NT?12(包括再沸器)，进料位置为第9块板NF?9，精馏段理论板数NT1?8，提馏段理论板数NT2?4。

12

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

图2-2 理论板数图解法

2.2.4实际塔板数的计算

用康奈尔法?o?cnenell?对全塔效率进行估算：

表2-5 不同温度下乙醇—水的粘度?mPa?s? 温度/?C

70

0.50 0.39

80

0.43 0.33

90

0.34 0.28

?乙醇 ?水

根据表2-5，利用内插法计算得： 乙醇：水：

0.34?0.430.34??乙醇

? 解得：?乙醇?0.42mPa?s

90?8090?80.75

0.28?0.330.28??水

? 解得：?水?0.326mPa?s

90?8090?80.75

乙醇：

0.34?0.430.34??乙醇

? 解得：?乙醇?0.36mPa?s

90?8090?88.07

13

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 水：0.28?0.33?0.28??水 解得：?水?0.29mPa?s 90?8090?88.07

因为?L??xi?i

精馏段粘度：?L1??乙醇x1??水?1?x1?

?0.42?0.3922?0.326?(1?0.3922)

?0.363mPa?s

提馏段粘度：?L2??乙醇x2??水?1?x2?

?0.36?0.0621?0.29??1?0.0621?

?0.294mPa?s

⑴ 塔板效率的估算

塔板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反应了实际塔板上传质过程进行的程度。塔板效率可用奥康尔公ET?0.49???L?

式中：?——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；

?L——塔顶与塔底平均温度下的液相粘度mPa?s

精馏段：

已知：?1?2.43，?L1?0.363mPa?s

?0.245所以ET?0.49(??L）

?0.245（2.43?0.363） ?0.49? ?0.245计算。

?0.51

同理可知提馏段：

已知?2?8.85，?L2?0.294mPa?s

所以ET??0.49?(8.85?0.294)?0.245

?0.39

⑵ 实际塔板数

NP1?NT110??20块 ET0.51

14

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 NP2?4?10.3?11块 0.39

实际塔板数NP?NP1?NP2?20?11?31块 全塔效率：E?NT14??100%?45.16% NP31

2.3精馏塔主要尺寸的设计计算

2.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件

表2-6 不同温度下乙醇—水的密度

744.33726.26

738.24 972.87 963.95 970.36 tD?78.25 tW?92.88 tF?83.26

⑴ 塔顶条件下的流量及物性参数 MD?41.17kgKmol

1

?L1?x?D?1?1?x?D?2?0.931?0.93 ?744.33972.87

?1.321?10?3kgm3

?L1?756.77kgm3

?V1?PMD101.325?41.17??1.43kgm3 RT8.314?(273.15?78.25)

V1?MD?V?41.17?23.09?950.62kgh

L1?MD?L?41.17?13.47?554.16kgh

⑵ 进料条件下的流量及物性参数

MF?23.82kgKmol

1

?L2?x?F?1?1?x?F?2?0.41?0.4 ?738.24970.36

15

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 ?1.16?10?3kgm3 ?L2?862.07kgm3

?V2?PMF101.325?23.82??0.81kgm3

RT8.314?(273.15?83.26) V2?V2??MF?V?23.82?23.09?550.00kgh

精馏段： L2?MF?L?23.82?13.47?320.86kgh ??MF?L??23.82?54.29?1293提馏段：L2.19kgh

⑶ 塔底条件下的流量及物性参数

MW?18.36kgKmol

1

?L3??xW?1??1?xW?2?0.0031?0.003 ?726.26963.95

?1.038?10?3kgm3

?L3?963.39kgm3

?V3?PMW101.325?18.36??0.61kgm3 RT8.314?(273.15?92.88)

V3?V3??MW?V?18.36?23.09?423.9kgh

??MW?L??18.36?54.29?996.76kgh L3

⑷ 精馏段的流量及物性参数

?V?

?L?

V?L??V1??V22??1.43?0.81?1.12kgm3 2?L1??L22756.77?862.07?809.42kgm3 2V1?V2950.62?550.00??750.31kgh 22L1?L2554.12?320.86??437.49kgh 22

16

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 ⑸ 提馏段的流量及物性参数

?V??V2??V3

2?0.81?0.61?0.71kgm3 2

?L?

V?L??L2??L32?862.07?963.39?912.73kgm3 2V2??V3?550.00?423.9??486.95kgh 22??L3?1293.19?996.76L2??1145.00kgh 22

⑹体积流量 塔顶：Vs1?

进料：Vs2?V1?V1V2??950.62?0.1847m3s 1.43?3600550.00?0.1886m3s 0.81?3600

?423.9?0.1930m3s 0.61?3600?V2?塔底：Vs3?

精馏段：Vs?

提馏段：Vs'?V3??V3Vs1?Vs20.1847?0.1886??0.1866m3s 22Vs2?Vs30.1886?0.1930??0.1908m3s 22

⑺ 液体平均表面张力计算

液相平均表面张力依下式计算 ， ?Lm??xi??i

塔顶液相平均表面张力的计算 查手册得，?2?62.89m

?LDm?xD?1??1?xD??2?0.8386?17.5?(1?0.8386)?62.89?24.83m

均表进料板平面张力的计算 查手册得?2?61.98m

17

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 ?LFm?xF?1??1?xF??2?0.2068?17.0??1?0.2068??61.98?52.68m

精馏段液相平均表面张力的计算

?L1??LDm??LFm

2?24.83?52.68?38.76mNm 2

塔底液相平均表面张力计算

?2?60.15m

?LWm?xW?1??1?xW??2?0.012?16.2??1?0.012??60.15?59.62m

提馏段液相平均表面张力的计算

?L2??LWm??LFm

2?59.62?52.68?56.15mNm 2

2.3.2. 塔体工艺尺寸的计算

⑴ 填料选择

填料塔内所用的填料应根据生产工艺技术的要求进行选择，并对填料的品种、 材质及尺寸进行综合考虑，应尽量选用技术资料齐全，使用性能成熟的新型塔填料。对性能相近的填料，应根据它们的特点进行技术、经济评价，使所选用的填料既能满足生产要求，又能使设备的投资和操作费用最低或较低。

填料是填料塔中汽液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间，及环内表面的利用率，气流阻力小液体分布均匀，与拉西环相比，其通量可增加50%以上，传质效率可提高30%左右，鲍尔环是目前应用较广的填料之一。

对填料的基本要求有比表面积和孔隙率较大，堆积密度较小，有足够的机械强度，有良好的化学稳定行及液体的湿润性，价格低廉等

综合以上因素及鲍尔环的优点，本设计选用DN38型填料。

18

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

表2-7 填料尺寸性能表

⑵精馏段

L??V?437.49?1.12?

?x????????0.022??V??L?750.31?809.42?代入y?0.565x?0.365 解得：y?0.377

表2-8 不同温度下水的密度

12

12

C kg?m?3

971.785 965.304 958.345

??

80 90

100

注：摘自《化工原理》附录三P359 精馏段平均温度：t1?80.75?C 内插法：

90?8090?80.75

解得：?水?971.30kgm3 ?

965.304?971.785965.304??水

又因??

?L809.42??0.833，?L?0.363mPa?s ?水971.30

查得?F?117m?1(此为泛点填料因子) 注：见《化工原理课程设计》P95表5-7 由

?F????V??L0.2?uF2

y??0.377

g??L

得uF?

0.377?9.8?809.42

?5.79ms 0.2

117?0.833?1.12?0.363

19

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 取u?0.5 解得u?2.86s uF

因为D?4Vs4?0.1866??0.287m ??u3.14?2.89

因为常用的标准塔径最小是400mm，故圆整后D?400mm

式中 uF——泛点气速，ms；

G——重力加速度，9.8s2；

?V、?L——气相、液相密度，kgm3；

?L——液体粘度，mPa?s；

?F——泛点填料因子，m?1；

?——液体密度校正系数。

⑶ 提馏段

11

x?L??22

V???V??

???1145.00???0.71???0

L??486.95?912.73?.066

代入y?0.565x?0.365 解得：y?0.402 提馏段平均温度：t2?88.07?C 内插法：90?8090?88.07

965.304?971.785?965.304?? 解得：

水

???L

??912.73

.55?0.944,?L?0.294mPa?s

水966

?F?117m?1

??F????V??0.2

L?u2

yg???0.393

L

u0.402?9.8?912.73

F?117?0.944?0.71?0.2940.2?7.65s 取u

u?0.5 解得：u?3.825s

F

20 ?水?966.55kgm3

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 D?4Vs4?0.1908??0.252m ??u3.14?3.825

因为常用的标准塔径最小是400mm，故圆整后D?400mm，

所以取全塔塔径D?400mm。

注：应尽量使两段求得的D相等。若不等，可通过调整uuF的取值，使两段相等且尽量圆整成小塔径，节省材料；若无法使两段D相等，则将D圆整为数值较大的D。

⑷ 实际空塔气速的计算

① 精馏段的计算

u?4Vs4?0.1866??1.48ms 22?D3.14?0.4

② 提馏段的计算

u?4Vs4?0.1908??1.51s 22?D3.14?0.4

2.3.3填料层高度的计算

⑴ 等板高度设计计算

① 精馏段

ln?HETP??h?1.292ln?L?1.47ln?L

式中HETP——等板高度，mm；

?L—— 液体表面张力，Nm；

?L——液体粘度，Pa?s；

h——常数；DN38型其值为7.0779 已知：?L1?38.76m?38.76?10?3Nm，?L1?0.363mPa?s?0.363?10?3Pa?s，h?7.0779

带入上式，ln?HETP??7.0779?1.292?ln38.76?10?3?1.47?ln0.363?10?3??0.367 解得HETP?0.69m ????

Z1?HETP?NT1?0.69?10?6.9m

21

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算

② 提馏段 已知：?L2?56.15m?56.15?10?3Nm，?L2?0.294mPa?s?0.294?10?3Pa?s， 同理得：ln?HETP??7.0779?1.292?ln56.15?10?3?1.47?ln0.294?10?3?-1.155 HETP?0.32m ????

Z2?HETP?NT2?0.32?4?1.28m

Z?Z1?Z2?6.9?1.28?8.18m

采用上述方法计算出填料层高度后，还应留出一定安全系数。根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z'??1.2~1.5?Z，本次取Z'?1.3Z。

Z'——设计时的填料高度，m；

Z——工艺计算时得到的填料高度，m；

Z'?1.3Z?1.3?8.18?10.634m

2.3.4填料层压降的计算

⑴ 精馏段

有上述计算可知

?L?809.42kgm3，?L?0.363mPa?s，??0.833，u?1.48s，

查得?P?114m?1（压降填料因子）

?P????V??L0.2?u2

y?g??L

114?0.833?1.12?0.3630.2?1.482

??0.0240 9.81?809.42

由前计算x?0.021，查埃克特通用关联图见图2-3

?P?1.15?9.81?11.28Pam Z

?P??P?Z1?11.28?6.9?77.83Pa Z

⑵提馏段

有上述计算可知

?L?912.73kgm3，?V?0.71kgm3，?L?0.294mPa?s，??0.944，

22

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 u?1.51s

?P????V??L0.2?u2

y?g??L

114?0.944?0.71?0.2940.2?1.512

??0.0152 9.81?912.73

由前计算x?0.066，查埃克特通用关联图见图3-1

?P?P?0.37?9.81?3.63Pam，?P??Z2?3.63?1.28?4.65Pa ZZ

全塔填料层总压强

?P??P1??P2?77.83?4.65?82.48Pa

图2-3 埃克特通用关联图表

23

沈阳化工大学化工原理课程设计 第二章 精馏塔设计计算 表2-9 填料层高度和压降计算汇总表

总

压降Pa

m

77.83 6.9 4.65 1.28 82.48 8.18 2.3.5填料层的分段

由于Z'?10.634m?hmax?6m，故填料层分两段，每段5.317m。

24

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算

第三章 附属设备及主要附件的选型计算

3.1 冷凝器的选择

本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器原理。对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排除冷凝液。

冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费。

3.1.1 冷凝剂的选择

本设计建厂地址为沈阳，沈阳市夏季最热月份平均气温为t1?25?C。 冷却剂用深井水，冷却水出口温度一般不超过40?C，否则易结垢，选择升温为13?C，即冷却水出口温度为t2?38?C。

⑴ 冷却介质消耗

塔顶液相温tVD?78.28?C，即T1?78.28?C；tLD?78.25?C，即T2?78.25?C。由表2-4可得QC?1026084.65KJ/h

⑵ 计算冷却水流量

Gc?Qc1026084.65??58.25kgh

Cp?t2?t11355.1?38?25

逆流：

?t1?T1?t2?78.28?38?40.28?C

25

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算 ?t2?T2?t1?78.25?25?53.25?C

?t2??t153.25?40.28??46.5?C 2lnln?t140.28?tm?

K?500(m2?h??C)?2090KJm2?h??C

QC?KA?tm ??

A?QC1026084.65??10.56m2 K?tm2090?46.5

操作弹性为1.2 ，A'?1.2A?12.67m2

查取有关数据如下

表3-1

1500

9.46400 IV 86 1.6

注：摘自《金属设备》上册P118表2-2-5和P132表2-2-8。

3.2再沸器的选择

再沸器的选择决定于处理能力，操作条件及操作方法，本设计采用立式虹吸式再沸器，经处理后，放在塔斧内，选择蒸气选择133.3℃饱和水蒸气加热，传热系数K取600m2?h??C)?2508KJm2?h??C，??513kg。 ??

3.2.1间接加热蒸气量

GB?QB?1152333.84?536.5kgh 513?4.1868?

3.2.2再沸器加热面积

tW1?92.88?C为再沸器液体入口温度；

tW2?92.88?C为回流汽化为上升蒸气时的温度；

t1?133.3?C为加热蒸气温度；

t2?133.3?C为加热蒸气冷凝为液体的温度。

26

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算 用潜热加热可节省蒸气量从而减少热量损失

?t1?t1?tW1?133.3?92.88?40.42?C

?t2?t2?tW2?133.3?92.88?40.42?C 因为?t240.42??1?2 ?t140.42

?t2??t140.42?40.42??40.42?C 22?tm?

QB?KA?tm

A?QB1152333.84??13.64m2 K?tm2090?40.42

表3-2

mm 管程数 管数 mm m2 MPa

1500 10

9.46400 IV 86 1.6

注：摘自《金属设备》上册P118表2-2-5和P132表2-2-8。

3.3 塔内其他构件

3.3.1 接管的计算与选择

⑴ 进料管

本次加料选用高位槽进料，所以WF可取0.4～0.8 m/s（见《浮阀塔》P195）。本次设计取WF?0.7s。

dF?4F?4?972.22??0.0239m 3600?WF?LF3600?3.14?0.7?862.07

式中 F?——进料液质量流量，kgh；

?L——进料条件下的液体密度，kgm3。

圆整后dF?25mm内管重/(kg/m)

27

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算 表3-4 进料管参数表

内管d2?s2 外管d1?s1 半径R H1 H2 内管重?kgm?

25?3 76?4 75 120 150 1.63

注：摘自《浮阀塔》P197表5-3。

⑵ 回流管

冷凝管安装在塔顶是，回流液在管道中的流速一般不能过高，否则冷凝器高度也要相应提高，对于重力回流，一般取速度WR为0.2～0.5ms，本次设计取WR?0.3ms。 dR?4L14?544.12??0.0279m 3600?WR?L3600?3.14?0.3?809.42

圆整后dR?28mm

表3-5 回流管参数表

内管 d2?s2 外管d1?s1 半径R H1 H2 kgm?

28?3 57?3.5 50 120 150 1.11

注：摘自《浮阀塔》P197表5-3。

⑶ 塔顶蒸气接管

从塔顶至冷凝器的蒸气导管，尺寸必须适合，以免产生过压降，特别在减压过程中，过大压降会影响他的真空度。

操作压力为常压，蒸气速度WP?12～20ms，本次设计取WP?15s。dP?4V14?950.62??0.1415m，圆整后dP?142mm 3600?WP?V3600?3.14?15?1.12

⑷ 塔釜出料管

塔釜流出液体的速度WW一般可取0.5～1.0ms，本次设计取WW?0.6s。 dW?

4W4?572.83??0.0192m3600?WW?LW3600?3.14?0.6?912.73

28

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算

表3-7 塔釜蒸气管参数表

内管d2?s2 外管d1?s1 半径R H1 H2 ?kgm?

1.63 25?3 76?4 75 120 150

3.3.2 液体分布器

采用莲蓬头式喷淋器。选用此装置能使截面积的填料表面较好的润湿。结构简单，制造了和维修方便，喷洒比较方便，安装方便。

⑴回流液分布器

测量系数?取0.82~0.85，本次设计?取0.82，推动力液柱高度H取0.06m。 则小孔中液体流速W??2gH?0.82?2?9.81?0.06?0.89s 小孔输液能力计算

Q?L1554.16??2.03?10?4m2s ?L1?3600756.77?3600

由Q??fW得 小孔总面积

Q1.03?10?4

f???2.78?10?4m2 ?W0.82?0.89

所以，小孔数 2.78?10?4?0.89n???19.7?20?孔? 223.14d?4?10?3

44f?W??

式中，d——小孔直径，一般取4～10 m,视介质污洁而异，本次设计取4mm。 喷洒器球面中心到填料表面距离计算

gr2

h?rcot?? 222Wsin?

式中 r——喷射圆周半径，r?D400??75～100???75?125mm?0.125m 22

?——喷射角，即小孔中心线与垂直轴线间的夹角，??40?，取??40?

gr2

h?rcot?? 2W2sin2?

29

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算 9.81?0.1252

?0.125?cot40??222?0.89?sin40?

?0.383m?383mm

⑵ 进料液分布器

由前知，小孔流速 W?0.89ms

小孔的输液能力

Q?F?972.22??3.13?10?4m2s ?L2?3600862.07?3600

取d?4mm，??0.82

小孔总面积

Q3.13?10?4

f???4.29?10?4m2 ?W0.82?0.89

4.29?10?4

?所以，小孔数n?23.14d?4?10?3

44f??2?34.16?35?孔?

??40?

gr2

h?rcot?? 222Wsin?

9.81?0.1252

?0.125?cot40?? 2?0.892?sin240?

?0.383m?383mm

因为莲蓬头直径d可取(0.2～0.3)D，本设计选d?0.2D?0.2?400?80mm

3.3.3 除沫器的选择

为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。常用的除沫器装置有折板除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。本设计塔径较小，且气液分离，故采用小型除沫器，装入设备上盖。

气速计算

WK?K?L1??V1 ?V1

30

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算 式中 K———常数，取0.107；

?L1、?V1———塔顶气体和液体密度?kgm3?。

WK?0.107?756.77?1.43?2.46ms 1.43

除沫气体器直径计算：D?4V4?0.1847??0.309m ?WK3.14?2.46

式中，V———气体处理量 m3s

3.3.4 液体再分布器

液体在乱堆填料层内向下流动时，有偏向塔壁流动饿现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿。塔径越小，对应单位截面积的周边越长，这种现象越严重。为将流动塔壁处得液体重新汇集并引向塔中心区域，可在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置，每段填料层得高度因填料种类而定，对鲍尔环，可为塔径的5～10倍，但通常不超过6m。

此次设计填料层的高度选塔径的10倍，故每0.4?10?4m处装一再分布器。选用截锥式在分布器，因其适用于直径0.6～0.8m以下的小塔。

3.3.5填料及支撑板的选择

本设计采用波纹板网板支撑板，板网支撑的结构简单，重量轻，自由截面大，但强度较低。本设计填料高度较低，所以此支撑板适用。

表3-8 不锈钢波纹板网支撑的设计参数表

注：摘自《塔设备设计》P268表5-36。

表3-9 支撑圈尺寸参数表（采用不锈钢）

注：摘自《塔设备设计》P273表5-41。 3.3.6裙座的设计

31

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算

塔底常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。考虑到工艺中采用直立式再沸器，裙座高度取0.3m,Db1?820mm,Db2?1100mm。

3.3.7手孔的设计

手孔是指手和手提灯能伸入的设备孔口，用于不便进入或不必进入设备即能清理、检查或修理的场合。手孔又常用作小直径填料塔装卸填料之用，在每段填料层得上下方各设置一个手孔。

由于塔径为D?400mm，所以手孔可设计为直径为D孔?200mm大小的圆孔。

3.3.8 塔釜设计

料液在釜内停留15min，装料系统取0.5

塔底高?h?:塔径?d??2:1

塔底料液量 LW?VS提?0.1908m3s

塔底

因为 VW??

4d2h， h?2 d

1所以 VW??d3 2

d?2VW

??2?0.129?0.435m 3.14

h?2?d?2?0.435?0.87m

3.3.9 塔的顶部空间高度

塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取1.2～1.5m，本设计取1.2m。

3.4精馏塔高度计算

32

沈阳化工大学化工原理课程设计 第三章 附属设备及主要附件的选型计算 表3-10 精馏塔各部分高度列表 单位：mm

塔顶

1200

喷淋高度

383 塔釜 870 塔顶接管高度 150 裙座 300 喷头弯曲半径 90 填料层高度 10634 喷头上方空隙 200 塔釜法兰高 200

本次设计的填料塔的实际高度为：

H=1200+870+300+10634+200+383+150+90+200=14027

33

沈阳化工大学化工原理课程设计 第四章 设计结果的自我总结和评价

第四章 设计结果的自我总结和评价

4.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表

表4-1 精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表

名称

塔顶

塔釜

进料

精馏段

提馏段

摩尔分数

平均分子质量kgKmol

温度??C?

气体摩尔流量?h? 液体摩尔流量?h? 液相平均密度kgm 气相平均密度kgm 液体表面张力?m?

0.8386 0.0120 0.2068

41.17 18.36 23.82

78.25 92.88 83.26 80.75 88.07

23.09 23.09

13.47 54.29

??

3

??

756.77 1.43 24.83

963.39 0.61 59.62

862.07 0.81 52.68

809.42 1.12 38.76

912.73 0.71 56.15

3

4.2 精馏塔主要工艺尺寸

表4-2 精馏塔主要设备参数（mm） 精馏段填料

高 8970 喷淋高度 383

提馏段填料

高 1664 塔顶接管高

度

150

填料层高度 10634 喷头弯曲半

径

90

裙座 300 喷头上方空

隙

200

塔釜直径 870 塔顶空隙 1200

塔釜法兰高

200 塔高 14027

34

沈阳化工大学化工原理课程设计 第四章 设计结果的自我总结和评价

4.3 同组数据比较

表 4–3 组内结果汇总表

姓名 F（万

吨） RRmin

q xD

92.0%

xF xW NT 塔高m 0.70 1.5 1 40% 0.3% 14 13.89 0.4

0.70 1.5 1 94% 40% 0.3% 14 5.88 0.4 0.70 1.5 1 93% 40% 0.3% 12 14.03 0.4 通过以上数据可以看出，在塔釜液相流量xD增大其他不变的情况下，塔径相同。

4.4设计结果的自我总结与评价

本次课程设计的要求为设计分离乙醇-水混合液（混合气）的筛板精馏塔，通过本次课程设计我学到了很多东西。

本次课程设计需要大量的化工原理计算，这是我们学习化工原理的一次实践，不仅巩固了我们的学习成果，也使我们了解了各种计算在实际生产中的应用与方法。

通过具体的筛板精馏塔的设计，我熟悉了精馏塔的结构、反应过程、生产流程，还了解了生产过程中附属设备的设计选择。这不是一个单一设备的设计，而是一整套生产系统的设计。它使我们学会了怎样从实际生产出发，周全的考虑问题，从宏观的角度统筹生产，从微观的角度设计好每一个细节。

在本次的课程设计中，我查阅了很多资料，了解了许多课堂上学不到的东西。通过对学术期刊的查阅和网络信息的搜索，增强了我获取信息的本领，这对我以后的学习和生活都会起到莫大的帮助。

计算机辅助设计现在已经被广泛应用于生产中，学会和掌握这些新技术是我们现代工程技术人员所必须的，在本次课程设计中，我使用了计算机辅助设计。

35

沈阳化工大学化工原理课程设计 第四章 设计结果的自我总结和评价

本次课程设计基本上是成功的，但其中还有一些不足之处。比如。我们的设计都是基于理想状态的，而实际生产环境将更复杂，系统中还有不少地方需要改进和完善。还有设计过程中带来了一些误差，通过作图法完成的。

通过本次课程设计我将理论与实践联系到了一起，知识和能力都得到了提高，这些知识与经验对自己以后的学习和工作来说都是一笔宝贵的财富。

最后，我要感谢我的指导老师，感谢他在本次课程设计中对我的指导和帮助。 设计人：

201 年 月 日

36

沈阳化工大学化工原理课程设计 附录

附录

一、符号说明

表4-1 符号说明

符号

意义 塔顶馏出液 进料液 塔釜残液 塔顶温度 塔釜温度 进料温度 塔顶组成 进料组成 塔釜组成 回流比 精馏段下降液体量 精馏段上升蒸汽量 提馏段下降液体量 提馏段上升蒸汽量

摩尔质量 比热容

计量单位

D F

h

h h

W

tD

?C ?C

tW tF xD

?C

xF

xW

R L

h h h

V L? V?

h kgKmol KJKmol?K?

M

CP

37

沈阳化工大学化工原理课程设计 附录

?

WC QD

表面张力 冷却水消耗量 塔顶馏出液带出热量 冷凝器热负荷 进料热量 塔釜馏出液带出热量

密度 塔径 黏度 填料层高度 面积 塔高 直径 压降填料因子 液体密度校正系数

等板高度

m KJh KJh KJh

QC QF

KJh KJh

kg/m

3

QW

?

D

m

mPa?s

?

Z A H

m

m2

m m

m?1

d

?P ?

HETP

mm

二、不同设计条件下设计结果比较

38

沈阳化工大学化工原理课程设计 附录

表4-2 不同设计条件下设计结果比较

三、参考文献

（1）北京化工研究院“板式塔”专题组.浮阀塔.北京：燃料化学工业出版社，1972.12. （2） 王志魁.化工原理第三版.北京：化学工业出版社，2004.10.

39

沈阳化工大学化工原理课程设计 附录

（3） 王国胜·化工原理课程设计·大连：大连理工大学出版社，2006.

（4）化工设备设计手册编写组.金属设备.上海：人民出版社，1975.3.

（5） 化学工程手册编辑委员会.化学工程手册(1).北京：化学工业出版社，1989.10.

（6） 化学工程手册编辑委员会.化学工程手册（3）.北京：化学工业出版社，1989.10.

40