化工原理课程设计(2)

盐城师范学院化工原理课程设计

第一章 概述

1.1 塔设备的类型

塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。

填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（有时也采用并流向下）流动，气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操作状况下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。

1.2 精馏操作对塔设备的要求

精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气、液两相传质作用的塔设备，首先必须要能使气、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产的需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：

气、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。

1.3 板式塔与填料塔的比较及选型 1.3.1 板式塔与填料塔的比较

工业上评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面：生产能力；分离效率；塔压降；操作弹性；结构、制造及造价等。现就板式塔与填料塔的性能比较如下： （1） 生产能力

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板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现的，塔板的开孔率一般占塔截面积的7%~10%；而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液体接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上，而填料层的空隙率则超过90%，一般液泛点较高，故单位塔截面积上填料塔的生产能力一般均高于板式塔。 （2） 分离效率

一般情况下，填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为2~8级。而常用的板式塔，每米理论板最多不超过2级。研究表明，在压力小于0.3MPa时，填料塔的分离效率明显优于板式塔，在高压下，板式塔的分离效率略优于填料塔。 （3） 塔压降

填料塔由于空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔每个理论级的压降为0.4~1.1kPa，填料塔为0.01~0.27kPa。通常，板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗，对于精馏过程，还可使塔釜温度降低，有利于热敏性物系的分离。 （4） 操作弹性

一般来说，填料本身对气液负荷变化的适应性很大，故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，因而可根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。 （5） 结构、制造及造价等

一般来说，填料塔的结构较板式塔简单，故制造、维修也较为方便，但填料塔的造价通常高于板式塔。

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应予指出，填料塔的持液量小于板式塔。持液量大，可使塔的操作平稳，不易引起产品的迅速变化，故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和出料，而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。对于比表面积较大的高性能填料，填料层容易堵塞，故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。

1.3.2塔设备的选型

工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中，蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。近年来，随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件的出现，上述传统已逐渐打破。在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例，尤其是填料塔在精馏过程中的应用已非常普遍。

对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性等要求，并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。例如， （1）对于热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜； （2）对于有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜； （3）对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔； （4）对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；

（5）对于易发泡物系的分离，因填料层具有破碎泡沫的作用，宜选用填料塔。 1.3.3 板式塔的设计步骤

本设计按以下几个阶段进行：

（1） 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件及主

要设备形式等进行论述。

（2） 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。

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（3） 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算，并画出塔的操作性能图。

（4） 附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 （5） 编写设计说明书。

（6） 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。

第二章 设计任务

2.1 设计摘要

今采用一F1型浮阀塔进行乙醇-水二元物系的精馏分离，要求乙醇的生产能力为3000t/年，塔顶溜出液中乙醇浓度不低于94%，残液中乙醇含量小于3%。原料液中含乙醇为50%，其余为水（以上均为质量分数）。且精馏塔顶压力为4KPa（表压），单板压降≤0.7KPa。

本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（再沸器）加热至泡点后送入精馏塔内。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，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属不分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.6倍。塔釜采用直接蒸汽加热，釜底产品经冷却后送至储罐。 2.2 设计任务和条件

（1) 原料液含乙醇50％（质量分数，下同），其余为水。 （2）产品乙醇含量不低于94％。 （3）残液中乙醇含量小于3％。

（4）生产能力为年产3000t的乙醇产品。 （5）操作条件

精馏塔的塔顶压力 4kPa（表压） 进料状态 泡点进料 回流比 R=1.6Rmin

加热蒸汽压力 101.33kPa（表压）

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单板压降 不大于0.70kPa（表压） (6) 设备型式为浮阀塔（F1型）。 （7）厂址位于盐城地区。

（8）设备工作日为300天/年，24h连续运行。 （9）盐城地区夏天水温为16~18℃。 （10）盐城当地大气压为101.4kPa。

2.3 设计任务书

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设计题目：乙醇—水精馏浮阀塔设计 课程设计的目的与意义： (1) 初步掌握化工单元操作设计的基本方法和程序； (2) 训练我们的基本技能，如计算、绘图、运用设计资料（手册、标准和规范）、使用经验数据，进行经验估算和处理数据等； (3) 提高运用工程语言（简洁的文字、清晰的图表、正确的计算）表达设计思想能力。 (4) 培养我们理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已学过的理论和实际知识去分析和解决工程问题的能力。 课程设计的内容： 设计一个常压浮阀精馏塔，分离含乙醇0.50（以下皆为质量分率）的乙醇—水混合液，进料温度为35℃，要求获得0.94的塔顶产品和0.03的塔釜产品，年生产量为3000t,再沸器用2atm的水蒸汽作为加热介质，塔顶全凝器采用冷水为冷凝介质。通过翻阅大量的资料进行工艺计算、物性数据处理、塔体塔板尺寸计算、流体力学计算、画负荷性能图等对浮阀塔展开了全方面的设计。 工艺操作条件： 精馏塔的塔顶压力 4kPa 进料状态 泡点进料 回流比 R=1.6Rmin 加热蒸汽压力 101.33kPa

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