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1、.化工原理课程设计设计（论文）题目： 板式精馏塔的设计 学 院 名 称： 材料与化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工151 姓 名： 学 号 指 导 教 师： 职 称 定稿日期：2018年1月7日. .目 录1设计任务书41.1设计任务41.2工艺操作条件41.3设计内容要求42精馏塔设计52.1塔设备设计思路52.2乙醇水溶液的分析52.2.1乙醇水溶液的性质52.2.2乙醇水溶液气液平衡数据的获取52.3工艺操作条件的确定72.3.1压力的确定72.3.2进料热状态的确定72.3.3回流比的确定82.3.4塔盘类型与选择92.3.5塔釜加热、塔顶冷凝方式122.3.6工艺
2、流程图123精馏塔的工艺计算133.1物料衡算133.2操作线的计算133.3精馏塔工艺条件及有关物性数据143.3.1Aspen plus简捷计算法143.3.2AspenPlus严格计算法143.4塔径计算163.5溢流装置计算173.6塔板布置及浮阀数目与排列203.7塔板流体力学校验213.7.1气相通过浮阀塔板的压强降213.7.2液泛213.7.3雾沫夹带223.8塔板负荷性能图233.8.1雾沫夹带线233.8.2液泛线243.8.3液相负荷上限线243.8.4漏液线253.8.5液相负荷下限线253.9水力学校核264计算结果汇总305Aspen软件验算315.1达到目标要求回
3、流比的计算315.2最佳进料位置的计算315.3塔径验算326参考文献341 设计任务书1.1 设计任务（1）原料液：乙醇水溶液，其中乙醇（质量分数）： 55% （2）塔顶产品中乙醇（质量分数）不低于：90 %（3）塔釜中乙醇质量分数不高于：1 %（4）生产能力：年开工时间300天，乙醇产量：20000吨/年+上浮量=20000+18*1000=38000吨/年（上浮量=学号*1000吨/年）（5）安装地点：自选（这里选在宁波石化基地镇海炼化）1.2 工艺操作条件（1）精馏塔顶压强：自选； （2）进料热状态：自选；（3）回流比：自选； （4）塔板类型：自选。（5）塔釜加热、塔顶冷凝方式：自选注
4、：工艺自选条件由分析后得到。1.3 设计内容要求（1）设计方案的确定及流程说明（2）塔的工艺计算（3）塔和塔板主要工艺尺寸的设计，包括塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。（4）编制设计结果概要或设计一览表（5）绘制塔设备结构图(包括塔板的局部放大图)一张，工艺流程图一张：采用CAD软件绘制并用3号图纸打印，与设计说明书一起装订。（6）设计说明书的编写格式按照本科毕业设计（论文）书写格式。（7）选做：Aspen软件验算，精馏塔附属设备的设计。. .2 精馏塔设计2.1 塔设备设计思路1)塔高的计算，包括塔的主体高度、顶部与底部空间的高度，裙座高度。2)塔径的计
5、算装置的有关条件给定塔板设计条件准备事项确定塔径溢流区的设计气液接触区的设计各项校核计算3)塔内件的设计，主要是塔盘的工艺和结构设计。此外还有塔的进出口、防冲挡板、放涡器、除沫器等的设计计算。2.2 乙醇水溶液的分析2.2.1 乙醇水溶液的性质由化工原理下册（课本P7两组分非理想物系的气液平衡）可知：非理想溶液，其表现是溶液各组分的平衡分压与拉乌尔定律发生偏差，此偏差可正可负，相应的，溶液分别称为正偏差溶液和负偏差溶液。乙醇水物系是具有很大正偏差溶液的典型例子。乙醇水溶液是极性溶液，水与乙醇的混合物的极性比水小比乙醇大。2.2.2 乙醇水溶液气液平衡数据的获取依据化工热力学（课本P143第4章
6、溶液热力学性质计算）可知如下图：图 21用Aspen Plus8.4软件采用Wilson方程分析乙醇水溶液的气液平衡关系：其中乙醇是易挥发组分，过程如下图：图 22解：乙醇的摩尔质量=46，水的摩尔质量=18由已知条件得：进料组成 （摩尔分数，下同）塔顶产品组成 残釜液组成 由以上条件，作Txy图，结果如下：图 23由上图可知：常压下，进料乙醇的摩尔分数为0.324时，溶液的泡点温度为81.2，露点温度为90.5。2.3 工艺操作条件的确定2.3.1 压力的确定蒸馏可在常压、加压和减压下进行，通常，对常压下沸点在室温至150左右的混合液，可以采用常压蒸馏。一般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料
7、无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于乙醇水体系，在常压下是液态，且乙醇水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加。因此，本设计选择常压操作条件。2.3.2 进料热状态的确定进料有5种状态，分别为过冷进料（q1）；泡点进料（q=l）；气液混合进料（0ql)；饱和蒸汽进料 （q=0）：过热蒸汽进料 （q0）。泡点进料时操作较易控制，且不受季节气温的影响。此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相等，设计和制造比较方便。因此，采用泡点进料。2.3.3 回流比的确定回流比大小不仅影响到所需的理论塔板数，而且影响到加热和冷却剂的消耗
8、量，以及塔板、塔径、塔釜和冷凝器的结构设计的选择。因此，适宣回流比的选择是一个重要问题。 最小回流比的确定(1) 作图法（用于两组分精馏计算）由乙醇水溶液的xy气液平衡图及q线方程联立可求得Rmin。(2) 解析法（用于多组分精馏计算）用恩德伍德公式求出最小回流比 Rmin 。这里为两组分溶液，所以采用作图法确定最小回流比下图为：常压下，乙醇水溶液的xy（气液平衡相图）、各点具体数据图图 24图 25精馏段操作线斜率泡点进料时，q线斜率为无穷大，乙醇的液相摩尔分数XF=Xq=0.324，由上图对应可知yq=0.596故最小回流比 回流比的确定根据R=(l.12)Rmin ，确定实际回流比。求得
9、最小回流比=0.673（基于摩尔），实际回流比取最小回流比的1.2倍得实际回流比2.3.4 塔盘类型与选择 板式塔塔板种类根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。 各种塔盘性能比较工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，板式塔主要塔板的优缺点如表所示，各种塔盘比较如表所示：表 21塔盘类型结构优点缺点主要应用范围泡罩塔圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高板间距大压力降比较大用于具有特定要求的场合S型泡罩塔板稍简单简化了泡罩的型
10、式，因此性能相似费用高板间距大压力降比较大用于具有特定要求的场合浮阀塔条形浮阀简单操作弹性较好；塔板效率较高；处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀有简单的和稍复杂的T型浮阀简单穿流型筛板（溢流式）简单正常负荷下的效率高；费用最低；压力降小稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易堵物料；容易发生液体泄漏适于处理量变动少且不析出固体物的系统波纹筛板简单比筛板压力降稍高，但具有同样的优点；气液分布好栅板简单处理能力大；压力降小；费用便宜适用于粗蒸馏各塔盘比较表 22指标溢流型穿流型F形浮阀十字架形浮阀条形浮阀筛板舌形板浮动喷射塔板圆形泡罩条形泡罩S形泡罩栅板筛孔板波纹板液
11、体和气体负荷高444444213444低555233333233弹性（稳定操作）555334434112压力降233324000433雾沫夹带量334343112444分离效率554433434444单位设备体积处理量444444213444制造费用334443213553材料消耗444454223554安装和拆修434443113553维修333333213554污垢物料对操作影响232123100244结论：浮阀塔盘在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔盘优越，筛板塔盘造价低、压力降小，除操作弹性较差外，其他性能接近于浮阀塔盘。综合比较可得：浮阀板在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格
12、等方面都比泡罩板优越，结合本项目实际情况，初步选择浮阀塔。2.3.5 塔釜加热、塔顶冷凝方式塔顶采用全凝器冷凝，塔底冷凝器的冷却剂常采用水，若所需冷却温度较低，可采用冷却盐水。根据冷源情况和工艺要求，采用冷水冷却。塔釜采用再沸器加热，通常 ，蒸馏釜的加热方式多采用间接蒸汽加热，但在塔底产物基本是水，且在低浓度下的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热可利用压力较低的蒸汽加热，不必设置庞大的传热面，塔斧只需安装鼓泡管，故可节省设备费用和操作费用。因此，采用间接加热方式。2.3.6 工艺流程图图 263 精馏塔的工艺计算3.1 物料衡算根据装置维护工作量，一般按330天，连续生产
13、的可按8000小时计算，维护工作量大的，要根据实际情况定。解： 乙醇的摩尔质量=46，水的摩尔质量=18由已知条件得：生产能力38000吨/年=38000/8000=4.75吨/小时进料组成 （摩尔分数，下同）塔顶产品组成 残釜液组成 原料液的平均摩尔质量 MF=0.32446+0.67618=27.07原料液流量 F=4.751000/27.07=175.47 kmol/h得塔顶易挥发组分的摩尔回收率=塔釜难挥发组分的摩尔回收率=3.2 操作线的计算 精馏段方程 提馏段方程3.3 精馏塔工艺条件及有关物性数据3.3.1 Aspen plus简捷计算法计算结果如下图所示图 31可知，精馏塔实际
14、理论塔板数为NT=35。塔板总效率由于存在中间进料，所以需要对气液负荷较大的塔板进行设计，通过保证要求最高的塔板的分离效率，从而保证每块塔板都都能满足分离要求。3.3.2 AspenPlus严格计算法采用严格算法计算，并将结果导入到excel中（只显示两位小数），各塔板数据结果如下：图 32由图可以看出，在第1块和第33块塔板的气液相负荷较大，所以采集第1和第33块塔板的数据如下表精馏塔物性数据表 31塔板数气体流量Vs（m3/h）液体流量Ls（m3/h）气体密度v（kg/m3）液体密度L（kg/m3）液相表面张力（mN/m）第1块塔板3410.756.362891.39903749.9332
15、6.6363第33块塔板3389.347.413591.13552817.66848.23583.4 塔径计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取:表 32塔板间距的选择塔径DT/m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.42.4-4.0板间距HT/mm200-300250-350300-450350-600400-600初选板间距HT=0.32m，板上液层高度hL，对常压塔一般取为0.050.1m（通常取0.050.08）；对减压塔，可低至0.0250.03m。取板上液层高度hL=0.
16、06m，故：HT-hL=0.26m，气液两相流动参数为：图 33由史密斯关联图可查得：C20=0.054修正C为：在0.6-0.8范围内取安全系数为0.8，则：；按设计标准，将塔径圆整为1.2m，则塔截面积 ：则实际空塔气速为。符合板间距与塔径经验关系，所选板间距合理。因此确定设计过程中精馏段塔径为1.2m。3.5 溢流装置计算溢流类型与液体负荷及塔径的经验关系如下Error! Reference source not found.所示：表 33塔径（mm）流体流量（m3/h）单溢流双溢流U形流1000457140070920009090-160113000110110-25011400011
17、0110-25090%时，软件模拟难以达到要求，会导致结果出现错误，不收敛。所以将塔顶易挥发组分的摩尔回收率设定为90%，计算结果如下：图 515.2 最佳进料位置的计算运用AspenPlus的灵敏度分析方法，在满足要求的情况下，使回流比或热负荷越小越好。所以，调节变量：进料板数（灵敏度分析项目），采集变量：根据分离要求计算出的实际回流比。结果如下图所示：图 52从图中可以看出，在满足分离要求的情况下，最佳进料板数为第33块塔板，实际回流比为1.07253.5.3 塔径验算计算从第2块塔板到第34块塔板，结果如下：图 53图 54从结果可看出，用Aspen计算的塔径=1.02187m，与手算结
18、果1.07m相差不多，结果较为可靠。6 参考文献1 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M. 北京 ：化学工业出版社，2001, 102-130 32 陈敏恒等. 化工原理下册第三版. 北京：化学工业出版社出版，20113 夏清, 陈常贵. 化工原理下册. 天津：天津大学出版社，20074 唐伦成. 化工原理课程设计简明教程. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20055 贾绍义, 柴敬诚. 化工原理课程设计. 天津：天津大学出版社，20026 何潮洪, 冯霄. 化工原理. 北京：科学出版社，20017 熊杰明，李江保，化工流程模拟Aspen Plus实例教程，化学工业出版社，20158 孙兰义，CupTower用户手册，中国石油大学（华东），2010-12欢迎您的光临，Word文档下载后可修改编辑.双击可删除页眉页脚.谢谢！希望您提出您宝贵的意见，你的意见是我进步的动力。赠语； 1、如果我们做与不做都会有人笑，如果做不好与做得好还会有人笑，那么我们索性就做得更好，来给人笑吧！ 2、现在你不玩命的学，以后命玩你。3、我不知道年少轻狂，我只知道胜者为王。4、不要做金钱、权利的奴隶；应学会做“金钱、权利”的主人。5、什么时候离光明最近？那就是你觉得黑暗太黑的时候。6、最值得欣赏的风景，是自己奋斗的足迹。7、压力不是有人比你努力，而是那些比你牛几倍的人依然比你努力。
