化工原理填料精馏塔课程设计
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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。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；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；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
本次课程设计就是针对丙酮-水体系而进行的常压二元填料精馏塔的设计及相关设备选型。由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正。
二.进料状况
进料状况一般有冷液进料和泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，省加热费用，但其受环境影响较大；而泡点进料时进料温度受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提镏段的塔径基本相等，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易。对于沈阳地区来说，存在较大温差，综合考虑，设计上采用泡点进料。
三.塔顶冷凝方式
塔顶冷凝采用全凝器，塔顶出来的气体温度不高，用水冷凝。
四.回流方式
回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔型，回流冷凝器一般安装在塔顶，其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在此情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次设计为小型塔，故采用重力回流。
苯的摩尔质量 =78.11kg∕kmol
甲苯的摩尔质量
进料液、馏出液、釜残液的摩尔分数分别为 、 、 ：
3.2.1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量
甲苯的摩尔质量
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
3.2.3物料选择
常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜地加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃.如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为沈阳，沈阳市夏季最热月份日平均气温为25℃。故选用25℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为35℃。
0.815
62.1
0.80
0.898
58.2
0.01
0.253
92.7
0.30
0.830
61.0
0.90
0.935
57.5
0.02
0.425
86.5
0.40
0.839
60.4
0.95
0.963
57.0
0.05
0.624
75.8
0.50
0.849
60.0
1.00
1.00
56.13
0.10
0.755
66.5
六.加热器
采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸气作加热剂。因为塔较小，可将加热器放在塔内，即再沸器。这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少理论塔板数。
第二章 精馏塔的设计计算
一.操作条件及基础数据
2.1.1操作压力
精馏操作按操作压力可分为常压，加压和减压操作，精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。
四．精馏塔高度计算…………………………………………–29–
第四章．设计结果的自我总结与评价………………………–30–
一．精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表…………–30–
二．设计结果的自我总结与评价……………………………–30–
附录………………………………………………………………–32–
一．符号说明…………………………………………………–32–
名称
A
B
C
丙酮
6.35647
1277.03
237.23
水
7.07406
1657.46
227.02
⑵非理想系统
表2-1-2 ⑵ 常压下丙酮-水气液平衡与温度关系
丙酮／％（mol分率）
温度／℃
丙酮／％(mol分率)
温度／℃
丙酮／％（mol分率）
温度／℃
液相
气相
液相
气相
液相
气相
0.00
0.00
100.0
0.20
苯物料衡算
联立解得
3.物料衡算结果
表2-2-1(1) 物料衡算结果表
塔顶出料
塔底出料
进料
质量流量/（kg/h）
282.84
689.275
972.22
质量分数/%
98
2
30
摩尔流量/(kmol/h)
5.087
37.723
42.81
摩尔分数/%
93.8
0.63
11.7
4.塔顶气相、液相，进料和塔底的温度分别为： 、 、 、
五.加热方式
加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内，由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。
0.60
0.859
59.7
0.15
0.798
63.4
0.70
0.874
59.0
注：摘自化工原理课程设计 P32表3-9
二.精馏塔工艺计算
2.2.1物料衡算
1.物料衡算图（如图2.2.1）图2.2.1
1．2原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
已知：Fˊ=4.0万吨∕300天=40000×1000∕300×24=5556㎏／h
3.3.5．填料支撑板的选择……………………………………–27–
3.3.6．塔釜设计………………………………………………–28–
3.3.7．塔的顶部空间高度……………………………………–28–
3.3.8．手孔的设计………………………………………………–28–
3.3.9．裙座的设计………………………………………………–29–
******大学
化工原理课程设计
说明书
专 业：
班 级：
学生姓名：
学生学号：
指导教师：
提交时间：年 月 日
成 绩：
化工原理课程设计任务书
专业班级设计人
一、设计题目
分离丙混合液（混合气）的填料精馏塔
二、设计数据及条件
生产能力：年处理丙酮-水混合液（混合气）：0.50万吨（开工率300天/年）；
原料：丙酮含量为40 %（质量百分率，下同）的常温液体（气体）；
三．塔内其他构件………………………………………………–23–
3.3.1.接管管径的计算和选择…………………………………–23–
3.3.2.除沫器…………………………………………………–25–
3.3.3.液体分布器……………………………………………–26–
3.3.4．液体再分布器…………………………………………–27–
=V=（R+1）D=（0.42+1）×5.087=7.22kmol/h
2.2.2热量衡算
1.热量示意图（图略）
2.加热介质的选择
常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广泛的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热系数很高，可以通过改变蒸汽压力控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适合于高温加热。烟道气的缺点是比热容及传热系数较低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气做加热介质。水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不会复杂。
由于丙酮-水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压101.325kPa。
2.1.2汽液平衡时，x、y、t数据
⑴理想系统
Antoine方程
式中: ——在温度T时的饱和蒸汽压mmHg；
T——温度,℃；
A、B、C——Antoine常数
表2-1-2 ⑴丙酮的Antoine 常数
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。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。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。
1当温度为80.1℃时
解得 ，
2当温度为110.63℃时
解得 ，
则有
6.回流比的确定
由于是泡点进料， =0.117
= =0.76
= =0.28
一般操作回流比取最小回流比的1.1~2倍，本设计取1.5倍。
即R=1.5 =1.5 0.28=0.42
L=R·D=0.42×5.087=2.14kmol/h
=L+q·F=2.14+1×42.81=44.95kmol/h
第二章 精馏塔的设计计算……………………………………–4–
一．操作条件与基础数据………………………………………–4–
2.1.1.操作压力………………………………………………–4–
2.1.2.气液平衡关系及平衡数据………………………………–4–
二．精馏塔的工艺计算…………………………………………–5–
2.3.2.塔径设计计算……………………………………………–16–
2.3.3.填料层高度设计计算……………………………………–19–
本次课程设计就是针对丙酮-水体系而进行的常压二元填料精馏塔的设计及相关设备选型。由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正。
二.进料状况
进料状况一般有冷液进料和泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，省加热费用，但其受环境影响较大；而泡点进料时进料温度受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提镏段的塔径基本相等，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易。对于沈阳地区来说，存在较大温差，综合考虑，设计上采用泡点进料。
三.塔顶冷凝方式
塔顶冷凝采用全凝器，塔顶出来的气体温度不高，用水冷凝。
四.回流方式
回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔型，回流冷凝器一般安装在塔顶，其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在此情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次设计为小型塔，故采用重力回流。
苯的摩尔质量 =78.11kg∕kmol
甲苯的摩尔质量
进料液、馏出液、釜残液的摩尔分数分别为 、 、 ：
3.2.1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量
甲苯的摩尔质量
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
3.2.3物料选择
常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜地加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃.如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为沈阳，沈阳市夏季最热月份日平均气温为25℃。故选用25℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为35℃。
0.815
62.1
0.80
0.898
58.2
0.01
0.253
92.7
0.30
0.830
61.0
0.90
0.935
57.5
0.02
0.425
86.5
0.40
0.839
60.4
0.95
0.963
57.0
0.05
0.624
75.8
0.50
0.849
60.0
1.00
1.00
56.13
0.10
0.755
66.5
六.加热器
采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸气作加热剂。因为塔较小，可将加热器放在塔内，即再沸器。这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少理论塔板数。
第二章 精馏塔的设计计算
一.操作条件及基础数据
2.1.1操作压力
精馏操作按操作压力可分为常压，加压和减压操作，精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。
四．精馏塔高度计算…………………………………………–29–
第四章．设计结果的自我总结与评价………………………–30–
一．精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表…………–30–
二．设计结果的自我总结与评价……………………………–30–
附录………………………………………………………………–32–
一．符号说明…………………………………………………–32–
名称
A
B
C
丙酮
6.35647
1277.03
237.23
水
7.07406
1657.46
227.02
⑵非理想系统
表2-1-2 ⑵ 常压下丙酮-水气液平衡与温度关系
丙酮／％（mol分率）
温度／℃
丙酮／％(mol分率)
温度／℃
丙酮／％（mol分率）
温度／℃
液相
气相
液相
气相
液相
气相
0.00
0.00
100.0
0.20
苯物料衡算
联立解得
3.物料衡算结果
表2-2-1(1) 物料衡算结果表
塔顶出料
塔底出料
进料
质量流量/（kg/h）
282.84
689.275
972.22
质量分数/%
98
2
30
摩尔流量/(kmol/h)
5.087
37.723
42.81
摩尔分数/%
93.8
0.63
11.7
4.塔顶气相、液相，进料和塔底的温度分别为： 、 、 、
五.加热方式
加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内，由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。
0.60
0.859
59.7
0.15
0.798
63.4
0.70
0.874
59.0
注：摘自化工原理课程设计 P32表3-9
二.精馏塔工艺计算
2.2.1物料衡算
1.物料衡算图（如图2.2.1）图2.2.1
1．2原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
已知：Fˊ=4.0万吨∕300天=40000×1000∕300×24=5556㎏／h
3.3.5．填料支撑板的选择……………………………………–27–
3.3.6．塔釜设计………………………………………………–28–
3.3.7．塔的顶部空间高度……………………………………–28–
3.3.8．手孔的设计………………………………………………–28–
3.3.9．裙座的设计………………………………………………–29–
******大学
化工原理课程设计
说明书
专 业：
班 级：
学生姓名：
学生学号：
指导教师：
提交时间：年 月 日
成 绩：
化工原理课程设计任务书
专业班级设计人
一、设计题目
分离丙混合液（混合气）的填料精馏塔
二、设计数据及条件
生产能力：年处理丙酮-水混合液（混合气）：0.50万吨（开工率300天/年）；
原料：丙酮含量为40 %（质量百分率，下同）的常温液体（气体）；
三．塔内其他构件………………………………………………–23–
3.3.1.接管管径的计算和选择…………………………………–23–
3.3.2.除沫器…………………………………………………–25–
3.3.3.液体分布器……………………………………………–26–
3.3.4．液体再分布器…………………………………………–27–
=V=（R+1）D=（0.42+1）×5.087=7.22kmol/h
2.2.2热量衡算
1.热量示意图（图略）
2.加热介质的选择
常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广泛的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热系数很高，可以通过改变蒸汽压力控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适合于高温加热。烟道气的缺点是比热容及传热系数较低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气做加热介质。水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不会复杂。
由于丙酮-水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压101.325kPa。
2.1.2汽液平衡时，x、y、t数据
⑴理想系统
Antoine方程
式中: ——在温度T时的饱和蒸汽压mmHg；
T——温度,℃；
A、B、C——Antoine常数
表2-1-2 ⑴丙酮的Antoine 常数
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。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。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。
1当温度为80.1℃时
解得 ，
2当温度为110.63℃时
解得 ，
则有
6.回流比的确定
由于是泡点进料， =0.117
= =0.76
= =0.28
一般操作回流比取最小回流比的1.1~2倍，本设计取1.5倍。
即R=1.5 =1.5 0.28=0.42
L=R·D=0.42×5.087=2.14kmol/h
=L+q·F=2.14+1×42.81=44.95kmol/h
第二章 精馏塔的设计计算……………………………………–4–
一．操作条件与基础数据………………………………………–4–
2.1.1.操作压力………………………………………………–4–
2.1.2.气液平衡关系及平衡数据………………………………–4–
二．精馏塔的工艺计算…………………………………………–5–
2.3.2.塔径设计计算……………………………………………–16–
2.3.3.填料层高度设计计算……………………………………–19–
