化工原理課程設計---精餾塔

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。</p><p>　　蒸氣由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點)組分不斷地向蒸氣中轉移，蒸氣中的難揮發(fā)(高沸點)組分不斷地向下降液中轉移，蒸氣愈

2、接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸氣進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取出。</p><p>　　精餾原理 蒸餾的基本原理是將液體混合物部分氣化,利用其中各組份揮發(fā)度不同（相對揮發(fā)度，α）的特性，

3、實現分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。 本節(jié)以兩組分的混合物系為研究對象，在分析簡單蒸餾的基礎上，通過比較和引申，講解精餾的操作原理及其實現的方法，從而理解和掌握精餾與簡單蒸餾的區(qū)別（包括：原理、操作、結果等方面）。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 設計方案的論證1</p&

4、gt;<p>　　1.1 裝置流程的確定1</p><p>　　1.2 操作壓力的選擇2</p><p>　　1.3 進料狀況和加熱方式的選擇2</p><p>　　1.4回流比的選擇2</p><p>　　1.5 塔板的類型和選擇3</p><p>　　第2章 精餾塔設計任務書4</

5、p><p>　　2.1. 設計題目4</p><p>　　2.2.工藝條件4</p><p>　　2.3. 設計內容4</p><p>　　2.4. 設計結果總匯4</p><p>　　第3章 設計計算8</p><p>　　3.2 塔的物料衡算8</p><p>

6、;　　3.2.1 進料液及塔頂塔底產品的摩爾分數8</p><p>　　3.2.2 物料衡算8</p><p>　　3.3塔板數的確定9</p><p>　　3.3.1 理論板NT的求法9</p><p>　　3.4塔工藝條件及物性數據計算11</p><p>　　3.4.1操作溫度的計算11</p&

7、gt;<p>　　3.4.2平均摩爾質量計算11</p><p>　　3.4.3平均密度計算12</p><p>　　3.4.4液體平均表面張力12</p><p>　　3.4.5 液體平均粘度14</p><p>　　3.4.6 精餾塔氣液負荷計算14</p><p>　　3.4.7 精餾

8、塔的塔體工藝尺寸的計算15</p><p>　　3.4.8 塔板主要工藝尺寸的計算16</p><p>　　3.4.9篩板的流體力學驗算18</p><p>　　3.4.10精餾塔的工藝設計計算結果總表22</p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p><b&g

9、t;　　心得體會25</b></p><p>　　第1章 設計方案的論證</p><p>　　1.1 裝置流程的確定</p><p>　　蒸餾裝置包括精餾塔，原料預熱器，蒸餾釜（再沸器），冷凝器，釜液冷卻器和產品冷卻器等設備。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)蒸餾具有生產能力大，產品質量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產中以連續(xù)蒸餾為

10、主。間歇蒸餾具有操作靈活、適應性強等優(yōu)點，適合于小規(guī)模、多品種或多種組分物系的初步分離。</p><p>　　為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽送料，以免受泵操作波動的影響。</p><p>　　塔頂冷凝器裝置可采用全凝器、分凝器--全凝器兩種不同的設置。工業(yè)上以采用全凝器為主，以便于準確的控制回流比。</p><p>　　苯—甲苯混

11、合液原料經預熱器加熱到指定溫度后送入精餾塔進料板，在進料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進行熱和質的傳遞過程。操作時，連續(xù)的從再沸器取出部分液體作為塔底產品，部分液體氣化，產生上升蒸汽，一次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中被冷凝，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回流液，其余部分經冷凝器冷凝后送出作為塔頂產品，經冷凝器冷卻后送入貯槽。塔釜采用間接蒸汽和再沸器共熱

12、。塔底產品經冷卻后送入貯槽。 </p><p><b>　　裝置的確定：</b></p><p><b>　　圖1 流程圖如附圖</b></p><p>　　1.2 操作壓力的選擇</p><p>　　蒸餾過程按操作壓力不同，分為常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般，除熱敏性物系外，凡通過常壓蒸餾能

13、夠實現分離要求，并能用循環(huán)水將餾出物冷凝下來的物系，都應采用常壓橫流，本設計中采用常壓。</p><p>　　1.3 進料狀況和加熱方式的選擇</p><p>　　蒸餾操作有五種進料熱狀況，進料熱狀況不同，影響塔內各層塔板的氣、液相負荷。蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設置再沸器工業(yè)上多采用接近泡點的液體進料，所以本設計中采用泡點進料。</p><p>　　1.4 回流比

14、的選擇</p><p>　　回流比是精餾操作的重要工藝條件，其選擇的原則是使設備費和操作費用之和最低。設計時，應根據實際需要選擇回流比。本設計中取實際回流比是最小回流比的1.78倍，經計算實際回流比為4。</p><p>　　1.5 塔板的類型和選擇</p><p>　　工業(yè)應用以錯流式塔板為主，本設計使用篩板塔，它是優(yōu)點是結構簡單、造價低廉，因而對大規(guī)模生產具有重

15、大意義。經過長期系統(tǒng)研究和大量的工業(yè)生產實踐，目前已形成較完善的設計方法，只要設計合理，篩板可具有足夠的操作彈性。此外，篩板塔壓降小，液面落差也較小，生產能力及塔板效率都較泡罩塔高，已廣泛應用于工業(yè)生產裝置中。</p><p>　　第2章 精餾塔設計任務書</p><p><b>　　2.1. 設計題目</b></p><p><b&g

16、t;　　苯與甲苯精餾塔設計</b></p><p><b>　　2.2.工藝條件</b></p><p>　　原料組成：苯41% 甲苯59%（質量分數，下同），</p><p>　　產品組成：餾出液 99%的苯，釜液2%的苯</p><p>　　處理量：4600Kg/h</p><p>

17、;　　操作壓力：塔頂壓強為4KPa</p><p>　　進料熱狀態(tài)：q=1/3</p><p>　　加熱方式：直接蒸汽加熱</p><p><b>　　回流比： 自選</b></p><p><b>　　2.3. 設計內容</b></p><p>　　1 確定精餾裝置流程

18、;</p><p>　　2 工藝參數的確定</p><p>　　基礎數據的查取及估算，工藝過程的物料衡算及熱量衡算，理論塔板數，塔板效率，實際塔板數等。</p><p>　　3 主要設備的工藝尺寸計算</p><p>　　板間距，塔徑，塔高，溢流裝置，塔盤布置等。</p><p><b>　　4 流體力

19、學計算</b></p><p>　　流體力學驗算，操作負荷性能圖及操作彈性。</p><p>　　2.4. 設計結果總匯</p><p>　　將精餾塔的工藝設計計算的結果列在精餾塔的工藝設計計算結果總表中。</p><p><b>　　2.5. 參考文獻</b></p><p>　　列

20、出在本次設計過程中所用到的文獻名稱、作者、出版社、出版日期。</p><p><b>　　流程的設計及說明</b></p><p>　　工藝流程：原料液由高位槽經過預熱器預熱后進入精餾塔內。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經過冷卻器冷卻

21、。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經過冷凝器后被送出作為塔頂產品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設置原料槽。產品槽和相應的泵,有時還要設置高位槽。為了便于了解操作中的情況及時發(fā)現問題和采取相應的措施，常在流程中的適當位置設置必要的儀表。比如流量計、溫度計和壓力表等，以測量物流的各項參數。</p><p><b>　　設備簡圖:</b></p>

22、<p><b>　　圖2 設備簡圖</b></p><p>　　圖3 工藝流程方塊圖</p><p><b>　　第3章 設計計算</b></p><p>　　3.1.精餾流程的確定：</p><p>　　苯和甲苯的混合液體經過預熱到一定的溫度時送入到精餾塔，塔頂上升蒸氣采用全凝器冷

23、若冰霜凝后，一部分作為回流，其余的為塔頂產品經冷卻后送到貯中，塔釜采用間接蒸氣再沸器供熱，塔底產品經冷卻后送入貯槽。</p><p>　　3.2 塔的物料衡算</p><p>　　3.2.1 進料液及塔頂塔底產品的摩爾分數</p><p>　　進料組成: </p><p><b>　　塔頂組成： </b>&

24、lt;/p><p><b>　　塔底組成： </b></p><p>　　3.2.2 平均摩爾質量</p><p>　　3.2.3 物料衡算</p><p>　　每小時處理的摩爾量：</p><p><b>　　總物料衡算： </b></p><p&

25、gt;　　易揮發(fā)組分物料衡算：</p><p><b>　　聯(lián)立以上三式可得：</b></p><p><b>　　式中： </b></p><p>　　F —— 原料夜流量，53.6756</p><p>　　D —— 塔頂產品（餾出液）流量，23.65</p><

26、p>　　W —— 塔釜產品（釜液）流量，30.0256</p><p>　　xF—— 原料液組成（摩爾分數）0.45</p><p>　　—— 塔底產品組成（摩爾分數）0.0235</p><p>　　—— 塔頂產品組成（摩爾分數）0.9915</p><p><b>　　3.3塔板數的確定</b>

27、</p><p>　　3.3.1 理論板NT的求法</p><p><b>　　用圖解法求理論板</b></p><p>　　根據苯和甲苯的氣液平衡數據作出y-x圖</p><p>　　進料熱狀況參數q=1/3</p><p>　　q線方程：是垂直于橫軸且過點的直線與平衡曲線交于由圖①可知<

28、/p><p>　　最小回流比及操作回流比R</p><p>　　依公式： </p><p><b>　　取操作回流比：</b></p><p><b>　　精餾段操作線方程</b></p><p>　　按常規(guī)M,T，在圖上繼續(xù)作圖解得：</p><p

29、>　　=（14-1）層（不包括塔釜），其中精餾段為7層，提餾段為6層.</p><p>　　求提餾段操作線方程 </p><p>　　3.3.3 實際板數</p><p><b>　　精餾段: </b></p><p><b>　　提餾段:</b></p><p>&l

30、t;b>　　實際塔板數：</b></p><p>　　3.4塔工藝條件及物性數據計算 </p><p>　　3.4.1操作溫度的計算</p><p><b>　?、俨僮鲏毫Γ?lt;/b></p><p><b>　　塔頂操作壓力：</b></p><p><

31、;b>　　每層塔板的壓降： </b></p><p><b>　　進料板壓降：</b></p><p><b>　　精餾塔壓降：</b></p><p><b>　?、诓僮鳒囟龋?lt;/b></p><p><b>　　近似取塔頂溫度為,</b&g

32、t;</p><p><b>　　進料溫度為,</b></p><p><b>　　塔釜溫度為</b></p><p><b>　　精餾段平均溫度</b></p><p><b>　　提餾段平均溫度</b></p><p>　　3.

33、4.2平均摩爾質量計算</p><p>　　塔頂摩爾質量的計算：由=0.991查平衡曲線,得=0.964；</p><p>　　進料摩爾質量的計算：由圖①平衡曲線查的： yF=0.47 xF=0.14；</p><p>　　塔釜摩爾質量的計算：由平衡曲線查的：=0.0011 =0.0009；</p><p>　　精餾段平均摩爾質量：<

34、;/p><p><b>　　；</b></p><p><b>　??；</b></p><p>　　提餾段平均摩爾質量：</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　；</b></p><p&

35、gt;　　3.4.3 平均密度計算：m</p><p><b>　　1、液相密度：</b></p><p>　　液相平均密度計算公式：</p><p><b>　　①塔頂部分：</b></p><p><b>　　由，查手冊得</b></p><p>&

36、lt;b>　　即：；</b></p><p>　　②進料板液相平均密度：</p><p>　?、鬯幰合嘟M成：由得：</p><p>　　故精餾段平均液相密度：</p><p><b>　　；</b></p><p>　　提餾段的平均液相密度：</p><p

37、><b>　??；</b></p><p><b>　　2、氣相密度：</b></p><p>　　① 精餾段的平均氣相密度</p><p>　?、?提餾段的平均氣相密度</p><p>　　3.4.4 液體平均表面張力 </p><p>　　液相平均表面張力計算

38、公式：</p><p>　?、?塔頂液相平均表面張力：由，查附錄得</p><p>　?、?進料板液相平均表面張力，有查附錄得：</p><p>　?、?塔釜液相平均表面張力，由</p><p>　　精餾段液相平均表面張力為：</p><p>　　提餾段液相平均表面張力為：</p><p>　　

39、3.4.5 液體平均粘度</p><p>　　液相平均粘度計算公式：</p><p>　?、?塔頂液相平均粘度，由=64.7℃查手冊得：</p><p><b>　　, ；</b></p><p><b>　　計算得 ；</b></p><p>　　進料板液相平均粘度的計算

40、：由=85.3℃手冊得：</p><p><b>　　， ；</b></p><p><b>　　計算得 ；</b></p><p>　　塔釜液相平均粘度的計算： 由=98.3℃查手冊得：</p><p><b>　　， ；</b></p><p>&l

41、t;b>　　計算得 ； </b></p><p><b>　　綜上 :</b></p><p>　　精餾段液相平均粘度為 </p><p>　　提餾段液相平均粘度為 </p><p>　　3.4.6 精餾塔氣液負荷計算</p><p><b>　　精餾段：； <

42、/b></p><p>　??； </p><p><b>　　提餾段：；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　3.4.7 精餾塔的塔體工藝尺寸的計算</

43、p><p>　　1. 塔徑D 參考教材上表格 初選板間距HT=0.45m,取板上液層高度hL=0.05m 故：</p><p><b>　?、倬s段：</b></p><p>　　HT-hL=0.45-0.05=0.40m</p><p><b>　　查圖表得：</b></p><

44、;p>　　取安全系數為0.60，則：</p><p><b>　　塔徑： </b></p><p>　　按標準，塔徑圓整為1.6,</p><p><b>　　塔的實際橫截面積</b></p><p><b>　　實際空塔氣速為：</b></p><p

45、><b>　?、谔狃s段：</b></p><p><b>　　查書后附錄得：</b></p><p>　　取安全系數為0.60，</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　提餾塔塔徑的計算：</b></p>&

46、lt;p>　　按標準，塔徑應圓整:D取1.6</p><p><b>　　塔的橫截面積: </b></p><p>　　板間距取0.45m合適</p><p>　　3.4.8 塔板主要工藝尺寸的計算</p><p>　　1. 溢流裝置的計算</p><p><b>　　各計算如下

47、：</b></p><p>　　溢流堰長 取=0.7D，即：；</p><p>　　出口堰高 計算公式： </p><p>　　選用平直堰，堰上液層高度： </p><p>　　E近似取1，則依下式得堰上液層高度：</p><p>　　取板上液層高度： </p><p>　

48、　弓形降液管高度Wd及截面積Af 由查圖得 所以 </p><p>　　驗算液體在降液管上停留的時間：</p><p><b>　　故降液管設計合理。</b></p><p>

49、　　5 降液管底隙高度h0的計算公式：</p><p><b>　　取代入公式得</b></p><p><b>　　所以降液管設計合理</b></p><p>　　2塔板布置及浮閥數目與排列</p><p><b>　　取閥孔動能因數，用</b></p><

50、;p>　　求每層塔板上的浮閥數，即</p><p>　　(1) 取邊緣區(qū)寬度=0.06,破沫區(qū)寬度=0.07</p><p><b>　　則鼓泡區(qū)面積</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　（2）篩孔數n與開孔率</p><p>　　閥孔

51、動能因數變化不大仍在9至12范圍之內</p><p><b>　　塔板開孔率=</b></p><p>　　3.4.9篩板的流體力學驗算</p><p>　　1. 氣體通過篩板壓降相當的液柱高度</p><p>　　(1)、根據 。</p><p>　?、俑砂遄枇?先計算臨界孔速，即</

52、p><p>　　因為，則按下列公式計算：</p><p><b>　　1精餾段由上式算得</b></p><p><b>　　2提餾段由上式算得</b></p><p>　　、板上充氣液層阻力h1 本設計分離甲醇和水的混合液，其中很小可以忽略不計。因此，氣體流經一層浮閥塔板的壓降相當于液柱高度為；<

53、;/p><p><b>　　精餾段： </b></p><p><b>　　提餾段:</b></p><p><b>　　單板壓降：</b></p><p><b>　　精餾段;</b></p><p><b>　　提餾段：&

54、lt;/b></p><p><b>　　2淹塔</b></p><p>　　為了防止淹塔現象的發(fā)生，要求控制降液管重清液層的高度?？捎孟率接嬎?，即</p><p><b>　　（一）精餾段</b></p><p>　?。?）與氣體通過塔板的壓降相當的液柱高度。</p><

55、p>　　液體通過降壓管的壓頭損失，因不設進口堰故可按下列公式計算：</p><p><b>　　板上液層高度，取</b></p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　取，</b></p><p><b>　　則</b><

56、;/p><p>　　可見，符合精餾段防止淹塔要求。</p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　可見，符合提餾段防止淹塔要求。</p><p><b>　　3霧沫夾帶</b></p>

57、<p><b>　　板上液體流徑長度：</b></p><p><b>　　板上液流面積：</b></p><p>　　甲醇和水可按正常系統(tǒng)查表得物性系數將上述值代入公式得：</p><p><b>　　計算泛點率得：</b></p><p>　　計算得泛點率都在8

58、0%以下，可知霧沫夾帶量能夠滿足的要求。3.4.9 塔板負荷性能圖</p><p>　　1. 霧沫夾帶線（1） </p><p>　　按泛點率都在80%以下，計算結果如下：</p><p>　　整理得：0.03499</p><p><b>　　或</b></p><p>　　霧沫夾帶線為直線則

59、在操作范圍內人去兩個值依照上式算出值列于附表①中</p><p>　　表1精餾段霧沫夾帶氣液對應關系</p><p><b>　　2. 液泛線</b></p><p>　　確定液泛線忽略式中項代入公式</p><p>　　物性一定塔板尺寸一定則等均為定值；而有存如下關系：</p><p>　　式中

60、閥孔數N與孔徑也為定值。因此，可以將上式化簡，得：</p><p><b>　　或</b></p><p>　　在操作線范圍內任取若干個值，依照上式算出相應的的值列于附表②</p><p>　　附表2精餾段液泛氣液對應關系</p><p>　　3. 液相負荷上限線</p><p>　　液體的最大流

61、量應保證在降液管中的停留時間不低于?？芍后w在降液管中停留的時間</p><p>　　求出上限液體流量值（常數），在圖上，液相負荷上限線與氣體流量無關的垂直直線。</p><p>　　以作為液體在降液管總停留時間的下限，則</p><p><b>　　4漏液線</b></p><p>　　對于型重閥，依計算則</p

62、><p><b>　　可知即</b></p><p>　　以作為規(guī)定氣體最小負荷的標準</p><p><b>　　5液相負荷下限</b></p><p>　　取堰上液層高度作為液相負荷下限條件，依下列的計算式</p><p>　　計算出的下限值，依此作出液相負荷下限線，該線為與

63、氣相流量無關的豎直直線。</p><p><b>　　取</b></p><p>　　根據本題附表1附表2及式（3）（5）可分別作出塔板負荷性能圖上得①⑤共5條線見下圖</p><p>　　3.4.10精餾塔的工藝設計計算結果總表</p><p>　　表7　精餾塔的工藝設計計算結果總表</p><p&

64、gt;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 姚玉英.化工原理（下）. 天津. 天津大學出版社，2001.</p><p>　　[2] 陳敏恒.化工原理（下）. 北京：化學工業(yè)出版社，1998.</p><p>　　[3] 李功祥，陳蘭英.常用化工單元設備設計[M]. 華南理工大學出版社，2006.</p>&l

65、t;p>　　[4] 盧煥章.石油化工基礎手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[5] 路秀林，王者相.化工設備設計全書-塔設備設計[M].北京：化學工業(yè)出版社.</p><p>　　[6] 任曉光，主編.化工原理課程設計指導. 化學工業(yè)出版社，2009. </p><p><b>　　心得體會</b></

66、p><p>　　本次化工原理課程設計歷時兩周，通過我的不懈努力我的任務已圓滿結束，化工原理課程設計是一個總結性教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練。通過課程設計是我們初步掌握了化工設計的基本方法和技巧，更加是我們熟悉了運用各種手冊去查詢物質的化學性質和物理性質，掌握了各種計算結果得校核，能畫出工藝流程圖和塔板結構簡圖等基本圖形。</p><p&g

67、t;　　在課程設計的一開始我不知道該從哪方面開始著手，通過和本組同學的討論我漸漸的里清理思路，在計算和討論過程中我真正體會到了理論聯(lián)系實際得困難，“功夫不負有心人”在我組同學得共同努力下我們還是按時完成了老師分給我們的設計任務。</p><p>　　課程設計不同于平時解題，設計計算的依據的結果往往不是唯一的設計方案和數據也常存在多種選擇，故在選用數據方案、公式、數據時，不僅要多查閱有關資料，同時還要充分發(fā)揮主觀能

68、動性，進行認真的分析、比較，以便使數據盡可能先進、合理，也使數據的論據更加充實，在本次的設計中，我也把以前掌握不好的地方鞏固了一下。例如：. 查閱資料，選用公式和搜集數據；樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；迅速準確的進行工程計算的能力。</p><p>　　同時，通過本次課程設計還使我對本專業(yè)

69、有了更加感性和理性得認識這對我們以后的學習有了一個好的指導方向，集中設計時，不要一開始就忙著計算，而應當在閱讀指導書及有關資料之后，首先著手編寫設計方案。這樣可以促使自己對設計工作有一個整體考慮，從而提高工作的主動性、減少盲目性，以保質保量地完成設計任務。設計過程之中，我們不僅動手計算些數據，而且還利用計算機進行繪圖設計，我在計算機輔助設計中表現出來濃厚興趣和一絲不茍的學習精神，增強了我們對現代課程設計的信心和勇氣。今后我們要在探索課程