化工原理毕业课程设计板式精馏塔的设计Word文档格式.docx
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4.3.2提馏段塔板的流体力学性能验算15
4.4塔板的负荷性能图15
4.4.1精馏段塔板的负荷性能图15
4.4.2提馏段塔板的负荷性能图15
第五章设计结果汇总17
5.1设计小结与体会17
5.2参考文献18
第六节精馏装置的附属设备20
6.1回流冷凝器20
6.2管壳式换热器的设计与选型21
6.2.1流体流动阻力（压强降）的计算21
6.2.2管壳式换热器的选型和设计计算步骤22
6.3再沸器23
6.4接管直径24
6.4加热蒸气鼓泡管25
6.5离心泵的选择25
附录
工艺流程图
摘要
一、化工原理课程设计的目的和要求
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1.查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力；
2.树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3.迅速准确的进行工程计算的能力；
4.用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
二、化工原理课程设计的内容和步骤
（一）课程设计的基本内容
1.设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；
2.主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；
3.典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；
4.带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；
5.主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；
完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。
说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容：
（2）目录；
（3）设计任务书；
（4）设计方案简介；
（5）设计条件及主要物性参数表；
（6）工艺设计计算；
（7）辅助设备的计算及选型；
（8）设计结果汇总表；
（9）设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；
（10）工艺流程图及设备工艺条件图；
（11）参考资料。
（二）课程设计的步骤
1.动员和布置任务；
2.阅读指导书和查阅资料；
3.现场调查；
4.设计计算,绘图和编写说明书；
5.考核和答辩。
整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。
论述应该条理清晰，观点明确；
计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；
图表应能简要表达计算的结果。
设计后期的答辩，及时了解学生设计能力的补充过程，也是提高设计水平，交流心得和扩大收获的重要过程。
答辩通常包括个别答辩和公开答辩两种形式。
个别答辩的目的不仅是对学生进行全面考核，更主要的是促进学生开动脑筋,提高设计水平。
所以，在个别答辩后，应允许学生修改补充自己的图纸和说明书。
公开答辩是在个别答辩的基础上，选出几个有代表性的学生在全班公开答辩，实际上是以他们的中心发言来引导全班性的讨论，目的是交流心得、探讨问题和扩大收获。
三、带控制点的工艺流程图的绘制
带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。
工艺流程图绘制范围如下：
必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备；
1.应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向；
2.冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽（不包括副产品蒸汽）及蒸汽冷凝液系统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置；
3.标出有助于用户确认及上级或有关领导审批用的一些工艺数据（例如:
温度、压力、物流的质量流量或体积流量、密度、换热量等）；
4.包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署；
5.必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符及调节阀等。
这里指的控制点符包括被测变量的仪表功能（如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集中,就地仪表等）。
流程图的绘制步骤如下：
1.用细实线（0.3mm）画出设备简单外形，设备一般按1:
100或1:
50的比例绘制，如某种设备过高（如精馏塔），过大或过小，则可适当放大或缩小；
2.常用设备外形可参照图0-1所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外形，表明设备的特征即可；
3.用粗实线（0.9mm）画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头；
4.物料平衡数据可直接在物料管道上用细实线引出并列成表；
5.辅助物料管道（如冷却水、加热蒸汽等），用中粗实线（0.6mm）表示；
6.设备的布置原则上按流程图由左至右，图上一律不标示设备的支脚、支架和平台等，一般情况下也不标注尺寸。
工艺物料的介质代码自行编制，一般以分子式及其编写字母表示。
辅助物料如公用系统介质代号规定如表0-1。
代号
中文名称
W
水
S
蒸汽
BW
锅炉给水
HS
高压蒸汽
BR
盐水
LS
低压蒸汽
BRR
盐水回水
MS
中压蒸汽
BRS
盐水补给水
C
冷凝液
CW
（循环）冷却水
PWW
生产废水
CWR
（循环）冷却回水
CS
化学污水
RW
冷却水
（用于零度以上）
冷冻回水
表0-1辅助物料和共用系数介质代号
图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表0-2。
表0-2单元设备分类代号
单元设备
现场装置,基础,混凝土构件
转化器,反应器,再生器
槽、储罐
泵、压缩机、风机、驱动机和鼓风机
特殊装置
仪表
A
D
F
J
L
Q
炉子
换热器
塔
管道
电气
B
E
M
N
四、主体设备工艺条件图
主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备（板式塔和填料塔），干燥中的干燥器等。
一般，主体设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。
例如，换热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。
泵、压缩机等也有类似情况。
主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。
图面上应包括如下内容:
1.设备图形指主要尺寸（外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸）、接管、人孔等；
图0-1流程图设备外形图例
2.技术特性指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒性和爆炸危险性；
3.设备组成一览表注明组成设备的各部件的名称等。
应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。
完整的设备设计，应在上述工艺设计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。
这一环节在高等院校的教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。
第一节概述
1.1精馏操作对塔设备的要求
精馏所进行的是气（汽）、液两相之间的传质，而作为气（汽）、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气（汽）、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。
但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：
（１）气（汽）、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。
（２）操作稳定，弹性大，即当塔设备的气（汽）、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。
（３）流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。
对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。
（４）结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。
（５）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。
（６）塔内的滞留量要小。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。
不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。
1.2板式塔类型
气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。
精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔（1813年）、筛板塔（1832年），其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。
目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。
1.2.1筛板塔
筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：
（１）结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。
（２）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。
（３）塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
（４）压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。
筛板塔的缺点是：
（１）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
（２）操作弹性较小（约2～3）。
（３）小孔筛板容易堵塞。
1.2.2浮阀塔
浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。
这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。
但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。
浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。
塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。
国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。
浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：
（１）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。
（２）操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。
（４）压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660Nm2。
（５）液面梯度小。
（６）使用周期长。
粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。
（７）结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。
本书虽未包括其它塔板的设计资料，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同的。
学生在设计时，可以根据具体条件进行板塔的选型，而不限于选用上述两种塔板。
1.3精馏塔的设计步骤
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、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。
（２）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。
（４）管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。
（5）抄写说明书。
（6）绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。
第二节设计方案的确定
2.1操作条件的确定
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。
例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。
下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。
2.1.1操作压力
蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。
确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。
例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。
对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。
当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。
但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。
有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。
2.1.2进料状态
进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。
在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。
此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。
2.1.3加热方式
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。
有时也可采用直接蒸汽加热。
若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大（如酒精与水的混合液），便可采用直接蒸汽加热。
直接蒸汽加热的优点是：
可以利用压力较低的蒸汽加热；
在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。
这样，可节省一些操作费用和设备费用。
然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。
但对有些物系（如酒精与水的二元混合液），当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。
值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。
对于酒精水溶液，一般采用0.4~0.7KPa（表压）。
饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节。
同时，饱和水蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。
但若要求加热温度超过180℃时，应考虑采用其它的加热剂，如烟道气或热油。
当采用饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高传热效率，但蒸汽压力的提高对锅炉提出了更高的要求。
同时对于釜液的沸腾，温度差过大，形成膜状沸腾，反而对传热不利。
2.1.4冷却剂与出口温度
冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。
如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。
如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。
水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。
冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。
冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50℃，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。
2.1.5热能的利用
精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。
选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。
与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。
若不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷凝器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量，其数量是相当可观的。
然而，在大多数情况，这部分热量由冷却剂带走而损失掉了。
如果采用釜液产品去预热原料，塔顶蒸汽的冷凝潜热去加热能级低一些的物料，可以将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。
此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可以取得节能的效果。
例如，采用中间再沸器和中间冷凝器的流程[1]，可以提高精馏塔的热力学效率。
因为设置中间再沸器，可以利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。
2.2确定设计方案的原则
确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。
为此，必须具体考虑如下几点：
（1）满足工艺和操作的要求
所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。
其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。
因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。
计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。
再其次，要考虑必需装置的仪表（如温度计、压强计，流量计等）及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。
（2）满足经济上的要求
要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。
如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。
又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。
同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。
降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。
而且，应结合具体条件，选择最佳方案。
例如，在缺水地区，冷却水的节省就很重要；
在水源充足及电力充沛、价廉地区，冷却水出口温度就可选低一些，以节省传热面积。
（3）保证安全生产
例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。
又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。
以上三项原则在生产中都是同样重要的。
但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。
第三节板式精馏塔的工艺计算
精馏塔的工艺设计计算，包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。
3.1物料衡算与操作线方程
通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。
物料衡算主要解决以下问题：
（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求（塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量；
（2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和下降液体量；
（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。
通常，原料量和产量都以kg——精馏段内第n层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率；
Уn+1——精馏段内第n+1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分率。
（ⅱ）提馏段
上升蒸汽量：
（3-9）
或：
（3-10）
下降液体量：
（3-11）
操作线方程：
（3-12）
式中：
χ’m——提馏段内第m层板下降液体中易挥发组分摩尔分率；
У’m+1——提馏段内第m+1层板上升蒸汽中易挥发组分摩尔分率。
（3）进料线方程（q线方程）
（3-13）
3.1.2直接蒸汽加热
（1）全塔总物料衡算
总物料（3-14）
易挥发组分（3-15）式中V0——直接加热蒸汽的流量，kmol————精馏段内第n层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率；
Уn+1————精馏段内第n+1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分率。
（3-19）
与间接加热时一样，所不同的是间接加热时提馏段操作线终点是（χW,χW），而直接蒸汽加热时，当У′m+1=0时，χ′m=χ*W，因此提馏段操作线与X轴相交于点（χ*W，0）。
第四节板式塔主要尺寸的设计计算
板式塔主要尺寸的设计计算，包括塔高、塔径的设计计算，板上液流形式的选择、溢流装置的设计，塔板布置、气体通道的设计等工艺计算。
板式塔为逐级接触式的气液传质设备，沿塔方向，每层板的组成、温度、压力都不同。
设计时，先选取某一塔板（例如进料或塔顶、塔底）条件下的参数作为设计依据，以此确定塔的尺寸，然后再作适当调整；
或分段计算，以适应两段的气液相体积流量的变化，但应尽量保持塔径相同，以便于加工制造。
所设计的板式塔应为气液接触提供尽可能大的接触面积，应尽可能地减小雾沫夹带和气泡夹带，有较高的塔板效率和较大的操作弹性。
但是由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，而参数与尺寸之间又彼此互相影响和制约，因此设计过程中不可避免要进行试差，计算结果也需要工程标准化。
基于以上原因，在设计过程中需要不断地调整、修正、和核算，直到设计出较为满意的板式塔。
4.1塔的有效高度和板间距的初选
4.1.1塔的有效高度
板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：
（4-1）
式中Z——塔的有效高度，m；
ET——全塔总板效率；
NT——塔内所需的理论板层数；
HT——塔板间距，m。
4.1.2板间距的初选
板间距NT的选定很重要。
选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。
对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装检修有利；
但板间距增大后，会增加塔身总高
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