板式精餾塔開題報(bào)告.doc

榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院神木校區(qū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告板式精餾塔的設(shè)計(jì)年 級(jí): 13級(jí) 學(xué) 號(hào): 13080355 姓 名: * 專 業(yè): 應(yīng)用化工 指導(dǎo)老師: 劉 榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制二零一六年五月 一、 說明選題意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方法1. 選題的意義精餾塔是煉油、化工、使用化工、生物化工等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。主要有板式塔與填料塔兩種類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。氣液傳質(zhì)設(shè)備主要可分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可以采用板式塔，也可以采用填料塔。 板式塔為逐級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔和泡罩塔，而前兩者使用比較廣泛。（1）篩板塔 篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右；處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015； 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30。篩板塔的缺點(diǎn)是： 塔板安裝的水平度要求比較高，否則氣液接觸不勻； 操作彈性比較小(約23)；小孔篩板容易堵塞。（2）浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動(dòng)的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動(dòng)，自行進(jìn)行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收和脫吸等傳質(zhì)過程中。塔徑從200 mm到6400 mm，使用效果均較好。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá)10 m，塔高可達(dá)80 m，塔板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。 浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)：處理能力比較大，比同塔徑的泡罩塔可增加2040，而接近于篩板塔；操作彈性大，一般約為59，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多； 塔板效率高，比泡罩塔高15左右；壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為400660N/m2；液面梯度??； 使用周期長(zhǎng)。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的6080，為篩板塔的120130。精餾塔是用來分離多組分系統(tǒng)的單元操作過程，它可使氣液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝達(dá)到輕重組分分離達(dá)到提純或回收其中的有用組分的目的，研究精餾塔的操作就是為了更好的使得兩種組分或多組分分離開來，得到高純度的分離產(chǎn)品。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本的要求：氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象；操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并保證長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性；流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易；耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修；塔內(nèi)的滯留量要小。 2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀為了加強(qiáng)工業(yè)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，長(zhǎng)期以來，各國(guó)都在加大塔的研究力度，如今在我國(guó)常用的板式塔中主要為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌型塔等。填料種類除拉西外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料等規(guī)整填料也經(jīng)常采用。更加強(qiáng)了對(duì)篩板塔的研究，提出了斜空塔和浮動(dòng)噴射塔等新塔型。同時(shí)我國(guó)還進(jìn)口一些新塔型設(shè)備，這些設(shè)備的引進(jìn)也帶動(dòng)了我國(guó)自己的塔設(shè)備的科研，設(shè)計(jì)工作，加速了我國(guó)塔技術(shù)的開發(fā)。國(guó)外關(guān)于塔的研究如今已經(jīng)放慢了腳步，是因?yàn)橐呀?jīng)研究出了塔盤的效率并不取決于塔盤的結(jié)構(gòu)，而是主要取決于物系的性質(zhì)，如：揮發(fā)度、粘度、混合物的組分等。國(guó)外已經(jīng)轉(zhuǎn)向研究“在提高處理能力和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的前提下，保持適當(dāng)?shù)牟僮鲝椥院蛪毫担⒈M量提高塔盤的效率?！痹谛滦吞盍戏矫嬖谂Φ难芯堪l(fā)展有利于氣液分布均勻、高效和制造方便的填料。經(jīng)過我國(guó)這些年的努力，在塔研究方面與國(guó)外的差距正在不斷減小。3. 主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方法設(shè)計(jì)一座苯甲苯連續(xù)精餾塔，要求塔頂產(chǎn)品的苯含量不低于95，塔底餾出液含苯不得高于2，原料液中含苯35（以上均為摩爾分?jǐn)?shù)）。（1）設(shè)計(jì)條件如下 塔頂壓力：常壓（表壓）； 進(jìn)料熱狀態(tài)：自選； 回流比：R=（1.12.0）Rmin； 單板壓降：0.7 kPa； 塔板類型：篩板塔；（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容 精餾塔的物料衡算； 塔板數(shù)的確定； 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算； 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算； 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算； 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算； 繪制生產(chǎn)工藝流程圖。（3）設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)一座篩板式精餾塔，通過對(duì)原料、產(chǎn)品的要求和物性參數(shù)的確定及對(duì)主要尺寸的計(jì)算，工藝設(shè)計(jì)和附屬設(shè)備結(jié)果造型設(shè)計(jì)，來完成對(duì)苯和甲苯精餾工藝流程和主題設(shè)備設(shè)計(jì)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定設(shè)計(jì)條件。比如：操作壓力的確定、進(jìn)料狀態(tài)的確定等。然后設(shè)計(jì)工藝流程草圖。根據(jù)確定的方案，確定具體的參數(shù)，即一個(gè)完整的設(shè)計(jì)就初步確定了。最后計(jì)算塔的工藝尺寸、塔板的負(fù)荷性能，最后根據(jù)計(jì)算選擇合適的輔助設(shè)備。二、 課題研究的方案設(shè)計(jì)1. 方法（1）上網(wǎng)查資料，在課本、參考文獻(xiàn)上找資料；（2）學(xué)習(xí)及熟悉AUTOCAD軟件；（3）和同學(xué)、老師討論 。2. 設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯-甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用氣液混合物進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至溫度后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分作為塔頂產(chǎn)品冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測(cè)量控制儀表的設(shè)置等等。（1）操作壓力 蒸餾操作通?？梢栽诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如，采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，而且還需要使用抽真空的設(shè)備。對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾能量的消耗。（2）進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有很多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。（3）加熱方式 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。若塔底產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液)，便可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳熱面。這樣，可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度較低，因而塔板數(shù)稍有增加。但對(duì)有些物系(如酒精與水的二元混合液)，當(dāng)殘液的濃度稀薄時(shí)，溶液的相對(duì)揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。 值得提及的一點(diǎn)是，采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于酒精水溶液，一般采用0.40.7KPa（表壓）。 飽和水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關(guān)系，其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。同時(shí)，處飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價(jià)格較低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過180時(shí)，應(yīng)考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。 當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的提高對(duì)鍋爐提出了更高的要求。同時(shí)對(duì)于釜液的沸騰，溫度差過大，形成膜狀沸騰，反而對(duì)傳熱不利。（4）冷卻劑與出口溫度 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽的溫度所決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計(jì)者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時(shí)溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50，否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。（5）熱能的利用 精餾過程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過程，耗能比較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。 選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降到最低。與此同時(shí)，合理利用精餾過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。 若不計(jì)進(jìn)料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器的輸入熱量，其數(shù)量是比較可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級(jí)低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。 此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程，可以提高精餾塔的熱力學(xué)效率。因?yàn)樵O(shè)置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收比塔頂高的熱量。3. 設(shè)計(jì)路線塔型的選擇 設(shè)計(jì)方案的確定 精餾塔的物料衡算 塔板數(shù)的確定 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì) 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 4. 可行性論證（1）精餾塔節(jié)能優(yōu)化的研究精餾塔研究?jī)?nèi)容即控制目標(biāo)是在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的回收率達(dá)到最高、能耗可以最低。當(dāng)前精餾塔的節(jié)能低耗一直是理論及實(shí)踐研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，經(jīng)過眾多科技人員的努力取得了如下一系列成果： 提高冷凝器或再沸器的換熱效果； 應(yīng)用多效精餾技術(shù)，改變多塔精餾過程的流程，減少其回流比從而改變精餾塔操作壓力； 開發(fā)出替代普通板式塔和低效填料的高效規(guī)整填料； 將熱泵技術(shù)應(yīng)用于精餾塔節(jié)能控制中。（2）精餾塔控制策略的研究精餾過程是一種多變量系統(tǒng)，其具有較長(zhǎng)的死時(shí)延滯，且變量之間多是相互關(guān)聯(lián)的，所以對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析是很復(fù)雜且很困難的，變量配對(duì)較困難，這些都導(dǎo)致了精餾過程的控制一直都是過程控制界的理論研究及實(shí)踐的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。精餾塔控制的相關(guān)研究主要集中于以下方面： 精餾過程是非線性的，所以如何把非線性控制技術(shù)應(yīng)用在精餾塔的控制中一直是研究熱點(diǎn)； 智能控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，在精餾塔控制中的應(yīng)用； 精餾塔的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。尤其是線性多變量控制技術(shù)、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制及魯棒控制算法等的研究和開發(fā)； 精餾塔的節(jié)能控制中控制和優(yōu)化策略的運(yùn)用。三、主要進(jìn)度安排1. 任務(wù)內(nèi)容 （1）精餾塔的物料衡算；（2）塔板數(shù)的計(jì)算；（3）精餾塔的工藝條件及有關(guān)物件數(shù)據(jù)的計(jì)算；（4）精餾塔的塔板的流體力學(xué)核算；（5）塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；（6）總塔高、總壓降的計(jì)算；（7）塔板負(fù)荷性能圖；（8）繪制生產(chǎn)工藝流程圖；（9）繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖；（10）對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。2. 時(shí)間節(jié)點(diǎn)（1）開題報(bào)告；（一周）（2）文獻(xiàn)閱讀；（一周）（3）學(xué)習(xí)及熟悉AUTOCAD軟件；（二周）（4）書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；（三周）（5）繪制設(shè)備設(shè)計(jì)圖；（三周）（6）按照規(guī)定整理論文，校核論文。（二周）3. 主要成果（1）讓我理解該精餾塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（2）能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋?；?）確定精餾塔的基本尺寸；（4）選擇適當(dāng)?shù)木s塔的精餾段和提餾段；（5）確定精餾塔的塔溫，回流量，塔壓；（6）確定精餾塔的塔板數(shù)。四、參考文獻(xiàn)目錄1 張近. 化工基礎(chǔ). 北京高等教育出版社，2001.2 蔣麗芬. 化工原理. 化工出版社，2007.3 鄭津洋.過程設(shè)備設(shè)計(jì)（第三版）.北京化學(xué)工業(yè)出版社，2010.4 譚蔚，聶清德化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ). 天津大學(xué)出版社，2008.5 陳國(guó)桓化工機(jī)械基礎(chǔ). 化學(xué)工業(yè)出版社，2006.6 時(shí)鈞，汪家鼎. 化學(xué)工程手冊(cè). 北京化學(xué)工業(yè)出版社，1996. 7 柴誠(chéng)敬，劉國(guó)維，李阿娜等. 化工原理課程設(shè)計(jì). 天津科學(xué)技術(shù)出版社，2002.8 鄭津洋. 過程設(shè)備設(shè)計(jì). 北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005.9 路秀林，王者相. 塔設(shè)備. 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