化工原理课程设计

武汉科技大学化工学院。

课程设计。课程名称：化工原理课程设计

题目：乙醇-水混合液体分离。

学生姓名：胡辰。

学号： 200722153016

班级：生工0701

指导老师：毛磊老师。

化工原理课程设计任务书。

设计题目：乙醇-水混合液体精馏填料塔的设计。

工艺条件：原料及组成：

乙醇—水混合液体。

乙醇质量分率36%

处理量：20000kg/h

操作条件：常压，饱和液体进料。

产品质量要求：

塔顶产品乙醇分率≥90%

塔底产品乙醇分率≤6%

目录。一、化工原理课程任务设计书。

二、前言。

三、绪论。

四、全塔物料衡算。

五、填料的选择及有关工艺计算。

六、填料塔中换热器的选择。

七、填料塔的附件设备选择。

八、结束语。

九、参考文献。

一十、附图及数据。

前言。化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。

精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用，该过程是同时进行传质、传热的过程。

本设计中，我们所设计的是填料塔。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。当然填料塔有一定的缺点：填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低等。

本设计中，选择阶梯填料。阶梯环吸收了拉西环的特点，而对鲍尔环的改进，并在一端增加了锥形翻边，减少了气体通过床层的阻力，并增大了通量，填料强度较高；增加了填料颗粒之间的空隙，减少了气体穿过填料层的阻力；还能促进液膜的表面更新，有利于填料传质效率的提高。

此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识，来解决实际化工问题的能力，做到能独立进行化工设计初步训练，为以后从事设计工作打下坚实的基础。

绪论。随着实验研究的一步步进行，乙醇-水的分离方法越来越多样化、简洁化、高效化。现简单的叙述其中一种分离方法—恒沸精馏。

这是一种特殊的精馏方法，常用以分离恒沸混合物或相对挥发度较小的液体混合物。

恒沸精馏原理为：精馏时，加入某种较易挥发的物质，利用该物质与混合物中各组分不同程度的相互作用，使相对挥发度扩大。加入的物质与液体混合物中一个或几个组分生成新的恒沸混合物从塔顶馏出，其他组分则富集于塔釜，从而实现分离。

分离过程中，在乙醇和水的恒沸混合物中加入苯，蒸馏一定的时间，苯与水和少量乙醇则塔顶馏出（分层后仍可重新使用）；无水乙醇则由塔釜取出（即成产品）。

一．精馏塔全塔物料衡算：

f：进料量（kmol/s

原料组成（摩尔分数，下同）

d：塔顶产品流量（kmol/s）

塔顶组成。w：塔底残液流量（kmol/s）

塔底组成。计算：

f=20000 ()867.6kmol/h

由 f=d+w

及f=d+w

d=179.4kmol/h

w=688.2kmol/h

二．塔板的计算。

1)饱和液体进料：q=1

q线方程为： =0.1804

易得坐标e(0.1804，0.5041)

rmin===0.8488

2)经软件设计，及费用n(r+1)达到min，知：r=2.2rmin

此时，精馏操作线：y==0.6875x+0.2434

当然，亦可根据操作平衡线作梯级得出塔板，但有一定误差，n=7+1=8，n1=6。

总之，r=1.8673 n=9.0763(含塔底) 精馏n1=7.1562

三．塔径的相关计算：

1）由温度组成图（附于后面），得：

塔底温度=93.50

塔顶温度=78.32

进料口温度= 85.91

塔底、顶温度平均值=85.91

2）精馏段液相：

摩尔流率：l=rd=1.867179.4=334.9kmol/h

质量流率为：

13332kg/h(3.0703kg/s)

提馏段液相：

摩尔流率：l′=l+f=334.9+867.6=1202.5kmol/h

质量流率为：33332kg/h(9.259kg/s)

气相流率：摩尔流率：v′=v=d(r+1)=179.42.867=514.3kmol/h

质量流率为：20474kg/h(5.687kg/s)

3）摩尔质量及密度的计算：

塔顶： ,进料：

塔顶：故精馏段：

提馏段：质量分率：

精馏：提馏：

进料：t=84.12c

故：精馏段：

液体。气体。

提馏段：（设单板压降为500pa）

液体气体

四．填料的选择及相关工艺计算。

1）选取阶梯环。

规格为：2512.51.4，塑料乱堆：，hetp=0.46m

2）填料高度：

3）塔径，泛速，压降等：

先计算fp系数：

下面分段进行计算：

a. 精馏段：

此时，且。

取，则=0.1078

x、y点坐标为：（0.01958，0.1078）

读图，得：

b. 提馏段：

此时，且。

取。此时坐标为：（0.04588，0.0882）

读图知：4）喷淋密度：

最小喷淋密度为：

所以实际喷淋密度只需大于最小喷淋密度即可。

5）润湿面积：

根据上述所算，及有关数据的查取，知。

分段进行计算：

精馏段：，所以， 1—

得：提馏段：

同理代入数据得：

五、换热器的选取：

塔顶温度。

故：假定冷却水20进入，出口为40

在平均温度30下，

求取较正系数：

据化工原理上册，知：，合要求。

求传热面积，且很多参数未定，故需知传热系数k。

不妨假定：k=800。

则：采用水走管程，乙醇-水蒸气走壳程。

取水流速管道；

30下，，则：且。

选用4m的长管，则应为2管程；一台换热器的总管数为：436根。

列管式换热器基本参数：

每管程数n=450/2=225,管程流通面s=2250.022=0.07065m2，与**中给出数据比较，很符合；

传热面积a=3.140.02545450=158.9 m2，比给出的155.4m2略大，以后者为准；

中心排管数为：1.1=23.3（较符合）。

阻力损失计算：

a. 流速：

雷诺数：摩擦系数：取钢管绝对粗糙度。

则相对粗糙度为：

此时，查取相关数据，知：。

管内阻力损失：

回弯阻力损失： =1.384kpa

故总损失为：

b. 由上已得：re= ，

c. d．算出给热系数：

查得污垢热阻系数及相关数据，代入得：

得出： =809.2

相差不大，估计为800）

e.核算传热面积：

a=，比给出的面积155.4m2小，满足要求！

六、填料附件的选取：

1. 液体分布器：喷头式分布器（莲蓬头）

a.小孔输液能力：q=，其中=0.82-。85，取为0.83

b．莲蓬头直径为（0.2-0.3）d，取为0.25d=0.5225m

c.安装高度，离填料表面距离为：（0.5-1）d，取为0.7d=1.413m

d．为便于检修，可采取法兰连接。

2. 法兰：对焊法兰—适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。

3. 封头：半球形封头—由半个球壳构成，多用于压力较高的贮罐。

4. 填料支撑结构：驼峰型填料支撑。

5. 裙座：最常用的塔设备支撑结构，由裙座体、基础环、螺栓座及基础螺栓组成。

6. 人孔和手孔：为了检查设备的内部空间及安装与拆卸的内部构件。手孔—一般为150mm到250mm，可选取dn250；

人孔—由筒节、法兰、盖板、手柄组成，可选取快开式结构人孔，便于经常打开。

7.由于填料高度较小，都不到6m，可不用液体再分布器。

8.本设计中，乙醇-水也不是非常容易起泡，故也可省去除沫装置。

9.泵的选取：

查阅相关书籍及数据，选定得：

封头：540mm塔釜：1330mm

喷头高：42mm喷头弯曲半径：90mm

塔釜法兰高：200mm 喷头上方空隙：200mm

喷淋高度：72mm 塔顶空隙：1000mm

支撑裙座：2000mm

支持板：驼形支撑板：300mm2

填料压板：丝网压板：100mm2

整个塔高：80.46+0.54+1.33+2+0.2+1+0.6+0.2=9.55m

1）从进液口至底高：

2）管程损失：

3）选取管道的相关数据，选定：

114mm7mm ，则内径d=0.1m

4） 20水进口下：

5）取管道粗糙度：，

则相对粗糙度：

得：6）总。

选得：泵型号：is200-150-250

结束语。本次课程设计是我的第一次课程设计，由于一定的生疏和不熟悉，走了不少的弯路，进行了不少的设计计算工作。

我深知：化工原理课程设计是一个综合性和实践性较强的学习环节，是理论联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基础知识的初次尝试。课程设计，要求我们能综合运用本课程和前修课程的基础知识，融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。

我们应用学过的知识进行设计计算，能够培养理论联系实际的能力，尤其是这次填料塔的设计更加深入了对化工生产过程的理解和认识，使我们所学的知识不局限于书本，并锻炼了我们的逻辑思维能力。而且培养了我们的自学能力。通过自学及老师的指导，不仅巩固了所学的化工原理知识，更极大地拓宽了我们的知识面，让我们更加认识到实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计及工作无疑将起到重要的作用。

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