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1、沈陽化工大學(xué) 化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)說明書專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 班 級(jí)： 化工 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 提交時(shí)間： 2016年 6 月 24 日成 績： 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級(jí) 化工1307 設(shè)計(jì)人 陳興 一、設(shè)計(jì)題目分離 乙醇-水 混合液（混合氣）的 （規(guī)整） 精餾塔二、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及條件生產(chǎn)能力：年處理 乙醇-水 混合液（混合氣）：6萬噸（開工率300天/年）；原 料： 乙醇 含量為 25 %（質(zhì)量百分率，下同）的常溫液體（氣體）；分離要求：塔頂 乙醇 含量不低于（不高于） 92 %；塔底 乙醇 含量不高于（不低于） 0.3 %。建廠地址：沈
2、陽三、設(shè)計(jì)要求1、一份精餾塔設(shè)計(jì)說明書，主要內(nèi)容要求：(1). 前言(2). 流程確定和說明(3). 生產(chǎn)條件確定和說明(4). 精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算(5). 主要附屬設(shè)備及附件的選型計(jì)算(6). 設(shè)計(jì)結(jié)果列表(7). 設(shè)計(jì)結(jié)果的自我總結(jié)與評(píng)價(jià)(8). 注明參考和使用的設(shè)計(jì)資料2、 一份精餾塔工藝條件單，繪制一份帶控制點(diǎn)工藝流程圖。說明：1、 設(shè)計(jì)說明書的封皮。（教材科購買）。2、 設(shè)計(jì)說明書用紙為課程設(shè)計(jì)專用紙。（教材科購買）。3、 任務(wù)書中第二項(xiàng)各人填各人的數(shù)據(jù)。4、 精餾塔工藝條件單。（教材科購買）。5、 工藝流程圖幅面為2#圖紙（594420）。6、 要求在1個(gè)月內(nèi)完成，成績與完成的時(shí)間有
3、關(guān)。先完成的先交。7、 可隨時(shí)到化工原理教研室答疑50目錄第一章前言5第二章流程確定和說明71.1加料方式的確定71.2進(jìn)料狀況的確定71.3冷凝方式的確定71.4回流方式的確定81.5加熱方式的確定81.6再沸器的確定8第三章精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算92.1操作條件及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)92.1.1操作壓力92.1.2回流比102.1.3氣液平衡關(guān)系與平衡數(shù)據(jù)102.2精餾塔工藝計(jì)算102.2.1物料衡算112.2.2熱量衡算162.2.3理論塔板數(shù)的計(jì)算212.3精餾塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算222.3.1 塔和塔板設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件222.3.2 塔體工藝尺寸的計(jì)算312.3.3 填料層高度的計(jì)算342.3.4填
4、料層壓降的計(jì)算352.3.5填料層的分段35第四章附屬設(shè)備及主要附件的選型計(jì)算363.1冷凝器的選擇363.1.1冷凝劑的選擇363.1.2冷凝器的計(jì)算與選擇373.2再沸器的選擇383.3塔內(nèi)其他構(gòu)件383.3.1接管的計(jì)算與選擇383.3.2 液體分布器413.3.3 除沫器的選擇433.3.4 液體再分布器443.3.5 填料支撐盤443.3.6 裙座的設(shè)計(jì)453.3.7 手孔的設(shè)計(jì)453.3.8 塔釜設(shè)計(jì)453.3.9 塔的頂部空間高度463.4精餾塔高度計(jì)算46第五章設(shè)計(jì)結(jié)果的自我總結(jié)和評(píng)價(jià)474.1精餾塔主要工藝尺寸與主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表474.2精餾塔主要工藝尺寸47附錄48一、主
5、要符號(hào)說明48第一章 前言 在化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的諸如吸收、解吸、精餾、萃取等單元操作中，氣液傳質(zhì)設(shè)備必不可少。塔設(shè)備就是使氣液成兩相通過精密接觸達(dá)到相際傳質(zhì)和傳熱目的的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。 填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸
6、式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢(shì)，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低
7、；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對(duì)側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。但近年來又傾向于認(rèn)為在一定塔徑范圍內(nèi)，采用新型高效填料（如鮑爾環(huán)或鞍型填料）可以得到很好的經(jīng)濟(jì)效果?？傊鶕?jù)不同的具體情況（特別是在小直徑塔，或壓降有一定限制，或有腐蝕情況時(shí)），填料塔還是具有很多適用的。 本次課程設(shè)計(jì)就是針對(duì)乙醇-水體系而進(jìn)行的常壓二元填料精餾塔的設(shè)計(jì)及相關(guān)設(shè)備選型。 由于此次設(shè)計(jì)時(shí)間緊張，本人水平有限，難免有遺漏謬誤之處，懇請(qǐng)老師指出以便修正。第二章 流程確定和說明1.1 加料方式的確定加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速，通過重力加料
8、，可以節(jié)省一筆動(dòng)力費(fèi)用，但由于多了高位槽，建設(shè)費(fèi)用相應(yīng)增加；采用泵加料，受泵的影響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，從而影響了傳質(zhì)效率，但結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。如果采用自動(dòng)控制泵來控制泵的流量和流速，其控制原理較復(fù)雜，且設(shè)備操作費(fèi)用高。本設(shè)計(jì)采用高位槽進(jìn)料。1.2 進(jìn)料狀況的確定進(jìn)料狀況一般有冷液進(jìn)料和泡點(diǎn)進(jìn)料。對(duì)于冷液進(jìn)料，當(dāng)組成一定時(shí)，流量一定，對(duì)分離有利，節(jié)省加熱費(fèi)用。但冷液進(jìn)料受環(huán)境影響較大，對(duì)于沈陽地區(qū)來說，存在較大溫差，冷液進(jìn)料會(huì)增加塔底蒸汽上升量，增加建筑費(fèi)用。采用泡點(diǎn)進(jìn)料，不僅對(duì)穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。綜合考慮，設(shè)計(jì)上采用泡點(diǎn)進(jìn)料。泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，基于恒摩爾流假定，精餾
9、段和提餾段上升蒸汽的摩爾流量相等，故精餾段和提餾段塔徑基本相等，制造上較為方便。1.3 冷凝方式的確定塔頂冷凝采用全冷凝器，用水冷凝，在常壓下乙醇和水不反應(yīng)，且容易冷凝，故用全冷凝器符合要求。1.4 回流方式的確定回流方式可分為重力回流和強(qiáng)制回流。對(duì)于小塔型，回流冷凝器一般安裝在塔頂，其優(yōu)點(diǎn)是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是回流冷凝器回流控制較難。如果需要較高的塔處理量或塔板數(shù)較多時(shí)，回流冷凝器不適合于塔頂安裝，且塔頂冷凝器不易安裝、檢修和清理。在此情況下，可采用強(qiáng)制回流，塔頂上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次設(shè)計(jì)為小型塔，故采用重力回流。1.5 加熱方式的確定加熱方式分為直接蒸汽加熱
10、和間接蒸汽加熱，直接蒸汽加熱時(shí)蒸汽直接由塔底進(jìn)入塔內(nèi)，由于重組分是水，故省略加熱裝置。但在一定的回流比條件下塔底蒸汽對(duì)回流液有稀釋作用，使理論塔板數(shù)增加，費(fèi)用增加。間接蒸汽加熱時(shí)通過加熱器使釜液部分汽化，維持原來的濃度，以減少理論板數(shù)，缺點(diǎn)是增加加熱裝置。本次設(shè)計(jì)采用間接蒸汽加熱。1.6 再沸器的確定再沸器的形式選用立式再沸器，在相同傳熱面積下，此種再沸器的體積小，節(jié)省費(fèi)用，此外，蒸發(fā)釜的物料始終維持恒定的壓力，傳熱情況穩(wěn)定。在塔釜和蒸發(fā)釜以及相接管道內(nèi)的落熱量少，可以減少物料的停留時(shí)間，避免長期受熱。第三章 精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 操作條件及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)2.1.1 操作壓力精餾操作按操作壓力可分為
11、常壓、加壓和減壓操作。精餾操作中壓力影響非常大，當(dāng)壓力增大時(shí)，混合液的相對(duì)揮發(fā)度將減小，對(duì)分離不利；當(dāng)壓力減小時(shí)，對(duì)分離有利。但當(dāng)壓力太低時(shí)，對(duì)設(shè)備要求太高，設(shè)備費(fèi)用增加。因此在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用常壓蒸餾乙醇水系統(tǒng)在常壓下?lián)]發(fā)度相差較大，較易分離，故本設(shè)計(jì)采用常壓精餾。2.1.2 回流比通常，此設(shè)計(jì)取。2.1.3 氣液平衡關(guān)系與平衡數(shù)據(jù)氣液平衡時(shí)，x、y、t數(shù)據(jù)如表1所示。 表2-1 常壓下乙醇-水的氣液平衡與溫度關(guān)系溫度t/乙醇摩爾分?jǐn)?shù)溫度t/乙醇摩爾分?jǐn)?shù)液相x /%氣相y /%液相x /%氣相y /%100.000.000.0081.5032.7358.2695.501.9017.0080.7
12、039.6561.2289.007.2039.9179.8050.7965.6486.709.6043.7579.7051.9865.9985.3012.3847.0479.3057.3268.4184.1016.6150.8978.7467.6373.8582.7023.3754.4578.4174.7278.1582.3026.0855.8078.1589.4389.432.2 精餾塔工藝計(jì)算2.2.1 物料衡算 物料衡算圖該填料精餾塔的物料衡算如圖2-1所示。VD,xDVLQBW,xWL,xDQcF,xF圖2-1 物料衡算圖原料流量，；餾出液流量，；塔釜液流量，；原料中易揮發(fā)組分的摩爾分
13、數(shù)；餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；釜液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。 物料衡算已知:,質(zhì)量分?jǐn)?shù)：, , 所以： （1）由于精餾過程的計(jì)算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，需先把設(shè)計(jì)要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分?jǐn)?shù)。進(jìn)料液的摩爾組成： （2）同理可求得：塔頂餾出液的摩爾組成： （3）塔釜?dú)堃旱哪柦M成： （4）原料液的平均摩爾質(zhì)量： （5）塔頂產(chǎn)品的的平均相對(duì)分子質(zhì)量： （5）塔釜產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量： （7）原料液： （8） 總物料： (9易揮發(fā)組分： （10）代入數(shù)據(jù)解得： 塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流量： （11）塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量： （12） 各重要控制溫度設(shè)塔頂氣相、液相，進(jìn)料和塔底的溫度分別為：，查表2-1，用內(nèi)插法解得
14、塔頂： （13） （14）塔釜： （15）進(jìn)料 （16）精餾段平均溫度： （17）提餾段平均溫度： （18） 平均相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算此處取x-y曲線上兩端點(diǎn)下的平均值。查表1可得：時(shí)，（19）時(shí)， （20）所以 （21） 求最小回流比及操作回流比此處使用解析法確定操作狀態(tài)下的回流比。由于是泡點(diǎn)進(jìn) 料（），所以最小回流比 （22）操作狀態(tài)下的回流比 （23） 精餾段的氣液相負(fù)荷 （24） （25） （26） （27） 物料衡算結(jié)果至的部分物料衡算結(jié)果列于表2-2及表2-3中。表2-2 物料衡算結(jié)果（a）物料流量摩爾分?jǐn)?shù)(%)進(jìn)料塔頂產(chǎn)品塔底釜液表2-3 物料衡算結(jié)果（b）物料物流精餾段上升蒸氣量提
15、餾段上升蒸氣量精餾段下降液體量提餾段下降液體量2.2.2 熱量衡算 加熱介質(zhì)的選擇常用的加熱劑有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸氣是一種應(yīng)用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸氣冷凝時(shí)的傳熱系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá)到1001000，適用于高溫加熱。煙道氣的缺點(diǎn)是比熱容及傳熱系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計(jì)選用300kPa(溫度為133.3)的飽和水蒸氣作加熱介質(zhì)。水蒸氣易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。 冷凝劑的選擇常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜地加以選用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗疲鋮s水一般為1025。如需冷卻到較低溫度，則
16、需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽水、氟利昂、液氨等。本設(shè)計(jì)建廠地區(qū)為沈陽。沈陽市夏季最熱月份平均氣溫為25。故選用的冷卻水25的冷卻水，選擇升溫10，故冷卻水的出口溫度是35。 冷凝器的熱負(fù)荷 （28）式中 塔頂上升蒸氣的焓； 塔頂餾出液的焓。 （29）式中 乙醇的蒸發(fā)潛熱； 水的蒸發(fā)潛熱。蒸發(fā)潛熱的計(jì)算：乙醇及水的蒸發(fā)潛熱數(shù)據(jù)如表2-4所示。表2-4 常用溫度下乙醇及水的蒸發(fā)潛熱t(yī)/02040608010045390439104230040530386103651044839.844033.443219.842391.841540.440651.2經(jīng)線性回歸可知，乙醇及水的蒸發(fā)潛熱在0100范圍內(nèi)均
17、與攝氏溫度具有線性關(guān)系，即為因此可以根據(jù)塔頂?shù)亩ㄐ詼囟扔?jì)算兩種物質(zhì)的蒸發(fā)潛熱。塔頂氣液相溫度分別為78.25和78.33，近似取為78.29。在此溫度下， （30） （31）所以 （32） 冷卻水消耗量 （33）式中 冷卻水消耗量，kg/h；冷卻介質(zhì)在平均溫度下的比熱容，kJ/(kg)；冷卻介質(zhì)在冷凝器進(jìn)出口處的溫度，。冷卻水由2535所以 （34）此溫度下冷卻水的比熱容 （35）所以 (36) 加熱器熱負(fù)荷及全塔熱量衡算查得重要控制溫度下乙醇及水的比熱容（單位：kJ/（kg）如表2-5所示。 表2-5 重要控制溫度下乙醇及水的比熱容（單位：kJ/（kg）塔頂塔釜進(jìn)料精餾段提餾段乙醇（1）2.
18、98383.28453.11033.04553.1973水（2）4.18884.21504.19954.19384.2073精餾段：乙醇 （37）水 （38）提餾段：乙醇 (39)水 （40）塔頂餾出液的比熱容： （41）塔釜餾出液的比熱容： （43）為簡化計(jì)算，以進(jìn)料焓，即85.73時(shí)的焓值為基準(zhǔn)。根據(jù)表2可得：，（44） （45）對(duì)全塔進(jìn)行熱量衡算： （46）若塔釜熱損失率為10%，則所以 （47）式中 加熱器理想熱負(fù)荷；加熱器實(shí)際熱負(fù)荷；塔頂餾出液帶出熱量；塔釜餾出液帶出熱量；加熱蒸氣消耗量：查得：133.3、300kPa下， （48） 熱量衡算結(jié)果至計(jì)算所得熱量恒算結(jié)果列于表2-6中。
19、表2-6 熱量衡算結(jié)果符號(hào)數(shù)值2.2.3 理論塔板數(shù)的計(jì)算采用圖解法求理論塔板數(shù)：精餾段操作線方程： （49）提餾段操作線方程： 由精餾段和提餾段方程，以及氣液平衡數(shù)據(jù)，繪制操作線方程并畫梯級(jí)，以此分析理論塔板數(shù)以及進(jìn)料板、精餾段理論板數(shù)和提餾段理論板數(shù)。如下圖所示： 由圖可知：總理論塔板數(shù)N=17, 精餾段理論塔板數(shù)12， 第十三塊為進(jìn)料板， 提餾段理論塔板數(shù)為4塊。2.3 精餾塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1 塔和塔板設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件查得塔頂、塔釜、進(jìn)料板溫度下乙醇及水的密度列于表2-7中。表2-7 幾個(gè)特征溫度下乙醇及水的密度查得塔頂、塔釜、進(jìn)料板溫度下乙醇及水的黏度列于表2-8中。表
20、2-8 幾個(gè)特征溫度下乙醇及水的黏度查得塔頂、塔釜、進(jìn)料板溫度下乙醇及水的表面張力列于表2-8。表2-8 三個(gè)特征溫度下乙醇及水的表面張力表 塔頂條件下的物性參數(shù)及質(zhì)量流量 液相及氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （52） 液相密度 （53）解得： （54） 氣相密度 （55） 液相黏度 （56） 液相平均表面張力 （57） 氣體體積流量 （58） 出料質(zhì)量流量 （59）表2-10 塔頂條件下的物性參數(shù)及質(zhì)量流量符號(hào)數(shù)值40.9740.97751.31.42070.45320.02561.57934532.31 進(jìn)料條件下的物性參數(shù)及質(zhì)量流量 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （60） 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量，依據(jù)相平
21、衡方程可得 （61） （62） 液相密度 （63）解得 （64） 氣相密度 （65） 液相黏度 （66） 進(jìn)料板平面張力的計(jì)算 （67） 氣體體積流量 （68） 進(jìn)料質(zhì)量流量 （69）表2-11 進(jìn)料條件下的物性參數(shù)及質(zhì)量流量符號(hào)數(shù)值22.38030.30591117.570.7220.34460.056324.088333.33 塔釜條件下的物性參數(shù)及質(zhì)量流量 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （70） 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量，依據(jù)相平衡方程可得 （71） （72） 液相密度 （73）解得 （74） 氣相密度 （75） 液相黏度 （76） 塔釜液相平均表面張力計(jì)算 （77） 氣體體積流量 （78） 氣相質(zhì)
22、量流量 （79） 液相質(zhì)量流量 （80）表2-12 塔釜條件下的物性參數(shù)及質(zhì)量流量符號(hào)數(shù)值18.10418.213957.630.58990.28480.056322.986329.7741595.99 精餾段的物性參數(shù)及質(zhì)量流量 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （80） 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （82） （83） 氣相密度 （84） 液相黏度 （85） 精餾段液相平均表面張力的計(jì)算 （86） 氣體體積流量 （87） 精餾段上升蒸氣質(zhì)量流量 （88） 精餾段下降液體質(zhì)量流量 （89）表2-13 精餾段的物性參數(shù)及質(zhì)量流量符號(hào)數(shù)值31.67535.638934.41.071350.39890.040962.
23、1212497.537603.9 提餾段的物性參數(shù)及質(zhì)量流量 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （90） 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 （91） 液相密度 （92） 氣相密度 （92） 液相黏度 （93） 提餾段液相平均表面張力的計(jì)算 （94） 氣體體積流量 （96） 提餾段上升蒸氣質(zhì)量流量 （97） 提餾段下降液體質(zhì)量流量 （98）表2-14 提餾段的物性參數(shù)及質(zhì)量流量符號(hào)數(shù)值20.24224.2591037.60.6560.31470.058783.538507.14620027.472.3.2 塔體工藝尺寸的計(jì)算 選擇合適的填料填料是填料塔中汽液接觸的基本構(gòu)件，它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)和傳熱的表面，與塔內(nèi)件
24、一起決定了填料塔的性質(zhì)，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。填料塔內(nèi)所用的填料應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝技術(shù)的要求進(jìn)行選擇，并對(duì)填料的品種、材質(zhì)及尺寸進(jìn)行綜合考慮，應(yīng)盡量選用技術(shù)資料齊全，使用性能成熟的新型塔填料。對(duì)性能相近的填料，應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，使所選用的填料既能滿足生產(chǎn)要求，又能使設(shè)備的投資和操作費(fèi)用最低或較低。本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，金屬絲網(wǎng)波紋填料BX。規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按照均勻幾何圖形分布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和整流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時(shí)還可以提供更大的比表面積，在同樣的溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效率
25、。與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對(duì)稱性，當(dāng)與散裝填料有相同的比表面積時(shí)，填料空隙率更大，具有更大的氣液通量，單位分離能力大。圖2-2一種金屬絲網(wǎng)波紋填料圖2-2 一種金屬絲網(wǎng)波紋填料金屬絲網(wǎng)波紋填料BX的性能優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)式填料，具有以下特點(diǎn)：一、與常用的鮑爾環(huán)相比，比表面積增大了23倍，填料壓降降低，氣液通量以及傳質(zhì)效率有大幅提高；二、不銹鋼材質(zhì)的填料BX，經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗?，表面潤濕率高于塑料材質(zhì)的絲網(wǎng)和板波紋填料；三、針對(duì)精餾操作中可能引入的第三相雜質(zhì)，BX填料具有整齊的幾何結(jié)構(gòu)，顯示出良好的抗堵性能；四、持液量小，對(duì)于難分離物系、昂貴產(chǎn)品、熱敏性介質(zhì)的精餾非常有利。鑒于以上特
26、點(diǎn)，并且屬于常壓精餾，本設(shè)計(jì)選用金屬絲網(wǎng)波紋填料BX。金屬絲網(wǎng)波紋填料BX的各項(xiàng)參數(shù)列入表2-15備查。填料標(biāo)記：HGT 21559.3-2005-W500-300. 表2-15 金屬絲網(wǎng)波紋填料BX的相關(guān)參數(shù)材質(zhì)比表面積水力直徑傾角空隙率密度不銹鋼5007.53090250氣體負(fù)荷每塊理論板壓降/Pa每米填料理論板數(shù)滯留量/%操作壓力/Pa在泛點(diǎn)時(shí)的當(dāng)量空氣速度/（m/s）2.540542.9 精餾段及提餾段泛點(diǎn)空塔氣體流速的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于絲網(wǎng)波紋填料來說，泛點(diǎn)空塔氣體流速可以用下式計(jì)算。 （99）式中 泛點(diǎn)空塔氣速，m/s； 絲網(wǎng)波紋填料在泛點(diǎn)時(shí)的當(dāng)量空氣速度，查表2-15得； 氣相密度，查
27、表2-13得。得： （100） （101）同理可得 （102） （103） 塔徑設(shè)計(jì)計(jì)算按照精餾段泛點(diǎn)空塔氣速計(jì)算塔徑： （104）圓整后：，代入上式中計(jì)算得。 （105）按照提餾段泛點(diǎn)空塔氣速計(jì)算塔徑： （106）圓整后：，代入上式中計(jì)算得。 （107）精餾段及提餾段塔徑圓整后，為精餾塔的塔徑。2.3.3 填料層高度的計(jì)算查得使用BX在氣體負(fù)荷60%、75%時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)列于表2-16中。表2-16 金屬絲網(wǎng)波紋填料BX在氣體負(fù)荷為60%和75%時(shí)的部分特性氣體負(fù)荷/%6075每米填料的理論板數(shù)5.855.10每米填料的壓降/Pa133.5253.6滯料量/%2.84.1, （108） （10
28、9） （110）采用上述方法計(jì)算出填料層高度后，還應(yīng)留出一定安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層的設(shè)計(jì)高度一般為，本設(shè)計(jì)取。 （111）2.3.4填料層壓降的計(jì)算 精餾段 （112）即：精餾段填料壓降314.112Pa。 提餾段 （113）即：提餾段填料壓降173.4Pa。全塔壓降 （114）2.3.5填料層的分段塔體工藝尺寸計(jì)算結(jié)果列于表2-17中。表2-17 塔體工藝尺寸計(jì)算結(jié)果精餾段提餾段全塔內(nèi)徑/mm90010001000填料層高度/m2.35290.683763.03666填料壓降/Pa314.112173.4487.512*：未考慮安全系數(shù)。假定安全系數(shù)為1.3時(shí)，設(shè)計(jì)全塔填料高度3.9
29、48m。第四章 附屬設(shè)備及主要附件的選型計(jì)算3.1 冷凝器的選擇本設(shè)計(jì)選用重力回流的直立管殼式冷凝器。對(duì)于蒸餾塔的冷凝器，一般選用管殼式冷凝器或者空氣冷凝器、螺旋板式換熱器。本設(shè)計(jì)管采用管殼式冷凝器，被冷凝氣體走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液。冷卻劑循環(huán)與氣體方向相反，即逆流式。當(dāng)氣體流入冷凝器時(shí)，使其液膜厚度減薄，傳熱系數(shù)增大，利于節(jié)省面積，減少材料費(fèi)。3.1.1 冷凝劑的選擇 本設(shè)計(jì)建廠地址為沈陽，沈陽市夏季最熱月份平均氣溫為。冷卻劑用深井水，冷卻水出口溫度一般不超過，否則易結(jié)垢，選擇升溫為，即冷卻水出口溫度為。 被冷凝氣體質(zhì)量流量塔頂液相溫，即；，即。由表2-6可得。 計(jì)算冷卻水流量 （11
30、5）3.1.2 冷凝器的計(jì)算與選擇 （116） （117） （118）取冷凝系數(shù) （119）所以冷凝器面積 （120）設(shè)操作彈性為1.85， （121）查取有關(guān)數(shù)據(jù)如表3-1所示。表3-1 用于冷凝器的固定管板式換熱器的參數(shù)公稱直徑/mm管程數(shù)管數(shù)中心排管管長/mm換熱面積/m2公稱壓力/MPa9001100935450026513.2 再沸器的選擇再沸器的選擇決定于處理能力，操作條件及操作方法，本設(shè)計(jì)采用立式熱虹吸式再沸器，經(jīng)處理后，放在塔釜內(nèi)，選擇133.3飽和水蒸氣加熱，傳熱系數(shù) （122） （123）由表2-6可得 （124）查取有關(guān)數(shù)據(jù)如表3-2所示表3-2 用于再沸器的固定管板式換
31、熱器的參數(shù)公稱直徑/mm管程數(shù)管數(shù)中心排管管長/mm換熱面積/m2公稱壓力/MPa6001224500116.292.53.3 塔內(nèi)其他構(gòu)件3.3.1 接管的計(jì)算與選擇 進(jìn)料管本次加料選用高位槽進(jìn)料，所以可取0.40.8 m/s。本次設(shè)計(jì)取。 （125）式中 進(jìn)料液質(zhì)量流量，； 進(jìn)料條件下的液體密度，。圓整后，查得合適的進(jìn)料管參數(shù)列于表3-3中。表3-3 進(jìn)料管參數(shù)表內(nèi)管外管半徑內(nèi)管重/（kg/m） 回流管冷凝管安裝在塔頂時(shí)，回流液在管道中的流速一般不能過高，否則冷凝器高度也要相應(yīng)提高，對(duì)于重力回流，一般取速度為，本次設(shè)計(jì)取。 （126）式中 （127） 回流液體質(zhì)量流量，； 塔頂液相密度，。
32、圓整后，查得合適的回流管參數(shù)列于表3-4中。表3-4 回流管參數(shù)表內(nèi)管 外管半徑內(nèi)管重/（kg/m）2658.58 塔頂蒸氣接管從塔頂至冷凝器的蒸氣導(dǎo)管，尺寸必須適合，以免產(chǎn)生過壓降，特別在減壓過程中，過大壓降會(huì)影響他的真空度。操作壓力為常壓，蒸氣速度，本次設(shè)計(jì)取。 （128）式中 （129） 塔頂蒸氣質(zhì)量流量，； 塔頂氣相密度，。圓整后，查得合適的塔頂蒸氣管參數(shù)列于表3-5中。表3-5 塔頂蒸氣管參數(shù)表內(nèi)管外管半徑內(nèi)管重/（kg/m）15020031.52 塔釜出料管塔釜流出液體的速度一般可取，本次設(shè)計(jì)取。 （130）式中 塔釜流出液質(zhì)量流量，； 塔釜液相密度，。圓整為，查得合適的塔釜出料管
33、參數(shù)列于表3-6中。表3-6 塔釜出料管參數(shù)表內(nèi)管外管半徑57.351504.623.3.2 液體分布器采用蓮蓬頭式噴淋器。選用此裝置能使截面積的填料表面較好的潤濕。結(jié)構(gòu)簡單，制造了和維修方便，噴灑比較方便，安裝方便。 回流液分布器流速系數(shù)取，推動(dòng)力液柱高度可取0.120.15m以上。本次設(shè)計(jì)取，取。則小孔中液體流速 （131）小孔輸液能力計(jì)算 （132）由得小孔總面積 （133）所以，小孔數(shù) （134）式中 小孔直徑，一般取410 m，本次設(shè)計(jì)取7mm。噴灑器球面中心到填料表面距離 （135）式中 噴射圓周半徑， 噴射角，即小孔中心線與垂直軸線間的夾角，取所以 （136） 進(jìn)料液分布器由前知
34、，小孔流速 小孔的輸液能力 （137）取，小孔總面積 （138）所以，小孔數(shù) （139）仍然假定， （140）蓮蓬頭直徑可取，選擇。 （141）3.3.3 除沫器的選擇為了確保氣體的純度，減少液體的夾帶損失，選用除沫器。常用的除沫器裝置有折板除沫器、絲網(wǎng)除沫器以及旋流板除沫器。本設(shè)計(jì)塔徑較小，且氣液分離，故采用小型絲網(wǎng)除沫器，裝入設(shè)備上蓋。氣速計(jì)算 （142）式中 常數(shù)，取0.107；、塔頂氣體和液體密度。 （143）氣體處理量 （144）除沫氣體器直徑 （145）3.3.4 液體再分布器因?yàn)橐?guī)整填料具有使液體均勻分布的性能，故本次設(shè)計(jì)不需設(shè)液體再分布器。3.3.5 填料支撐盤填料為金屬絲網(wǎng)波
35、紋填料BX，塔內(nèi)徑為1000mm，精餾段、提餾段填料高度分別為2.3529m、0.68376m。查HGT 21559.3-2005不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料后進(jìn)行填料支撐盤的設(shè)計(jì)。此塔內(nèi)徑大于400mm，取盤高110mm，則精餾段、提餾段分別有16盤、31盤。每盤填料有上下兩箍，上箍寬40mm，下箍寬45mm，下箍翻邊寬6.2mm。箍的尺寸為：徑向間隔2.0mm，上翻邊尺寸3.5mm，切縫長度8mm，切縫間距10mm。盤間隔10mm，填料盤總間距460mm。3.3.6 裙座的設(shè)計(jì)塔底常用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形?？紤]
36、到工藝中采用直立式再沸器，裙座高度取，。3.3.7 手孔的設(shè)計(jì)手孔是指手和手提燈能伸入的設(shè)備孔口，用于不便進(jìn)入或不必進(jìn)入設(shè)備即能清理、檢查或修理的場合。本設(shè)計(jì)采用了波紋填料，不需考慮經(jīng)常拆卸的問題。在進(jìn)料管的對(duì)面、精餾段上方、提餾段下方各設(shè)計(jì)一個(gè)手孔。由于塔徑為，所以手孔可設(shè)計(jì)為直徑為大小的圓孔。3.3.8 塔釜設(shè)計(jì)料液在釜內(nèi)停留，裝料系統(tǒng)取，塔底高（）：塔徑（）=2：1。塔底料液量 （146）塔底體積 （147） （148） （149） （150）3.3.9 塔的頂部空間高度塔的頂部空間高度是指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭切線的距離。為了減少塔頂出口氣體中夾帶的液體量，頂部空間一般取1.21.5
37、m，本設(shè)計(jì)取1.2m。3.4 精餾塔高度計(jì)算經(jīng)過工藝計(jì)算，精餾塔各部分的高度列于表3-7中。表3-7 精餾塔各部分高度列表（單位：mm）塔頂塔釜裙座填料層高度塔釜法蘭高120042403003948200填料盤總間距噴淋高度塔頂接管高度噴頭彎曲半徑噴頭上方空隙46094415090200本次設(shè)計(jì)的填料塔的實(shí)際高度為：第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果的自我總結(jié)和評(píng)價(jià)4.1 精餾塔主要工藝尺寸與主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表表4-1 精餾塔主要工藝尺寸與主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表名稱塔頂塔釜進(jìn)料精餾段提餾段摩爾分?jǐn)?shù)/%0.81810.00120.1153平均分子質(zhì)量40.9718.0522.38溫度78.2599.7285.7382
38、.0392.73氣體摩爾流量197.13199.13液體摩爾流量111.69564.20液相平均密度751.3957.631117.57934.41037.6氣相平均密度1.42070.58990.7221.071350.656液體表面張力0.02560.061230.056320.040960.058784.2 精餾塔主要工藝尺寸表4-2 精餾塔主要工藝尺寸（mm）塔頂塔釜裙座填料層高度塔釜法蘭高120042403003948200填料盤總間距噴淋高度塔頂接管高度噴頭彎曲半徑噴頭上方空隙46094415090200全塔高度。附錄一、主要符號(hào)說明表4-1 主要符號(hào)說明符號(hào)意義計(jì)量單位塔頂餾出液進(jìn)料液塔釜?dú)堃核敎囟人獪囟冗M(jìn)料溫度精餾段平均溫度提餾段平均溫度塔頂組成進(jìn)料組成塔釜組成回流比精餾段下降液體量精餾段上升蒸汽量提餾段下降液體量提餾段上升蒸汽量塔頂平均摩爾質(zhì)量塔釜平均摩爾質(zhì)量進(jìn)料平均摩爾質(zhì)量比熱容表面張力冷卻水消耗量塔頂餾出液帶出熱量冷凝器熱負(fù)荷進(jìn)料熱量塔釜餾出液帶出熱量密度黏度塔徑填料層高度面積塔高直徑沈陽化工大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì) 附錄
化工原理課程設(shè)計(jì)--乙醇-水體系常壓二元填料精餾塔設(shè)計(jì).doc
