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吉林化工学院化工原理课程设计

首届山东省“隆腾-双利杯”大学生 化工过程实验技能竞赛题目

答题须知：

答题时间为3小时，参赛小组应认真阅读题目，讨论解题思路，进行合理分工，注意时间分配，互相协作，完成试题后将结果写在答题纸上限时上交。进入复赛的小组，结合附加题，将结果重新整理成PPT文件进行答辩。

一、设计题

工业中的乙酸丁酯是由醋酸和正丁醇在催化剂存在下酯化而得，根据催化剂不同，可分为硫酸催化法、HZSM-5催化剂催化法、杂多酸催化法、固体氯化物催化法等。硫酸催化法工艺成熟，但副反应较多。

某工厂采用该法生产乙酸丁酯时产生了一股物流，含有乙酸乙酯30%（质量百分数，下同）、乙酸丁酯70%。设计一座常压精馏塔对上述混合物进行分离，要求塔顶馏出液中乙酸乙酯的回收率为95%，釜残液中乙酸丁酯的回收率为97%，该工艺物流的处理量为7200吨/年。产品均需要冷却到40℃。塔釜采用外置再沸器，冷公用工程为循环水（20℃→30℃），热公用工程为饱和水蒸汽，环境温度为20℃。已知的物性图表见附录。 （一） 操作条件

1. 操作压力 常压。

2. 进料热状况 冷液进料，进料温度为60℃。 3. 回流比 6.8。

4. 塔釜加热蒸汽压力 0.4MPa（表压）。 （二） 塔板类型

筛板 （三） 工作日

每年300天，每天24小时连续运行。 （四）设计内容

1. 计算馏出液和釜残液的流量和组成。（10分）

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2. 采用图解法求理论板数并确定进料位置。（15分）

3. 进行筛板式精馏塔的工艺设计，确定塔高、塔径、进料位置等。（30分） 4. 如果采用填料塔，请确定填料层的高度（填料类型自选）。（10分）

5. 根据题意，设计一合理的工艺流程，并绘制带有主要参数控制点的工艺流程图。（10

分）

6. 计算所设计流程的冷热公用工程用量。并对工艺流程中的任1台换热器进行设计计算，

要求采用列管式换热器，计算其主要工艺参数，包括管长、管子规格、壳程直径、管程数、壳程数、管子数目等。画出换热器的简图，标明接管尺寸。（15分）

7. 如果采用离心泵输送原料，试确定适用的离心泵型号，并确定离心泵的安装高度。（10

分）

二、附加题

1. 精馏塔的开车过程要经历哪些步骤？应注意什么问题？

2. 塔釜热负荷大小对精馏塔的操作有什么影响？你认为塔釜加热量主要消耗在何处？与

回流有无关系？

3. 如果将组分中的乙酸丁酯换为乙醇（沸点为78.29℃），该精馏塔是否仍然可以达到上述

的产品要求？如果不能，应该采取什么措施进行改进？

4. 从能量使用效果分析进料热状况参数对精馏的影响，一般以哪种热状况进料是合理的？ 5. 如何利用常见化工模拟流程模拟软件，如Aspen Plus、Hysys、Pro/II等，详细设计流程

细节，并进行灵敏度分析？

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目录

摘 要 ......................................................................................................................................... 错误！未定义书签。 绪 论 ........................................................................................................................................................................... 1 设计方案的选择和论证 ............................................................................................................................................... 3 第一章 塔板的工艺计算 ............................................................................................................................................. 5

1.1基础物性数据 ................................................................................................................................................. 5 1.2精馏塔全塔物料衡算 ..................................................................................................................................... 5

1.2.1已知条件 .............................................................................................................................................. 5 1.2.2物料衡算 .............................................................................................................................................. 5 1.2.3平衡线方程的确定 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 1.2.4求精馏塔的气液相负荷 .................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.5操作线方程 .......................................................................................................................................... 7 1.2.6用逐板法算理论板数 ........................................................................................ 错误！未定义书签。 1.2.7实际板数的求取 .................................................................................................................................. 8 1.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .................................................................................................. 9

1.3.1进料温度的计算 .................................................................................................................................. 9 1.3.2操作压力的计算 ................................................................................................ 错误！未定义书签。 1.3.3平均摩尔质量的计算 ........................................................................................ 错误！未定义书签。 1.3.4平均密度计算 .................................................................................................................................... 10 1.3.5液体平均表面张力计算 .................................................................................................................... 11 1.3.6液体平均粘度计算 ............................................................................................................................ 12 1.4 精馏塔工艺尺寸的计算 .............................................................................................................................. 13

1.4.1塔径的计算 ........................................................................................................................................ 13 1.4.2精馏塔有效高度的计算 .................................................................................... 错误！未定义书签。 1.5 塔板主要工艺尺寸的计算 .......................................................................................................................... 15

1.5.1溢流装置计算 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.6浮阀数目、浮阀排列及塔板布置 ............................................................................... 错误！未定义书签。 1.7塔板流体力学验算 ....................................................................................................................................... 17

1.7.1计算气相通过浮阀塔板的静压头降hf ............................................................. 错误！未定义书签。

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1.7.2计算降液管中清夜层高度Hd ........................................................................... 错误！未定义书签。 1.7.3计算雾沫夹带量eV ............................................................................................ 错误！未定义书签。 1.8塔板负荷性能图 ........................................................................................................................................... 20

1.8.1雾沫夹带线 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。 1.8.2液泛线 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 1.8.3 液相负荷上限线 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 1.8.4漏液线 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 1.8.5液相负荷下限线 ................................................................................................ 错误！未定义书签。 1.9小结 ............................................................................................................................................................... 25 第二章 热量衡算 ....................................................................................................................................................... 25

2.1相关介质的选择 ........................................................................................................................................... 25

2.1.1加热介质的选择 ................................................................................................................................ 25 2.1.2冷凝剂 ................................................................................................................................................ 26 2.2热量衡算 ....................................................................................................................................................... 26 第三章 辅助设备 ....................................................................................................................................................... 31

3.1冷凝器的选型 ............................................................................................................................................... 31

3.1.1计算冷却水流量 ................................................................................................................................ 32 3.1.2冷凝器的计算与选型 ........................................................................................................................ 32 3.2冷凝器的核算 ............................................................................................................................................... 33

3.2.1管程对流传热系数α1 ....................................................................................................................... 33 3.2.2计算壳程流体对流传热系数α0....................................................................................................... 33 3.2.3污垢热阻 ............................................................................................................................................ 34 3.2.4核算传热面积 .................................................................................................................................... 35 3.2.5核算压力降 ........................................................................................................................................ 35

第四章 塔附件设计 ................................................................................................................................................... 38

4.1接管 ............................................................................................................................................................... 38

4.1.1进料管 ................................................................................................................................................ 38 4.1.2回流管 ................................................................................................................................................ 38 4.1.3塔底出料管 ........................................................................................................................................ 39 4.1.4塔顶蒸气出料管 ................................................................................................................................ 39

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4.1.5塔底进气管 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。 4.2筒体与封头 ................................................................................................................................................... 40

4.2.1筒体 .................................................................................................................................................... 40 4.2.2封头 .................................................................................................................................................... 40 4.3除沫器 ........................................................................................................................................................... 40 4.4裙座 ............................................................................................................................................................... 41 4.5人孔 ............................................................................................................................................................... 41 4.6塔总体高度的设计 ....................................................................................................................................... 41

4.6.1塔的顶部空间高度 ............................................................................................................................ 41 4.6.2塔的底部空间高度 ............................................................................................................................ 42 4.6.3塔立体高度 ........................................................................................................................................ 42

设计结果汇总 ............................................................................................................................................................. 43 结束语 ......................................................................................................................................................................... 44 参考文献 ..................................................................................................................................................................... 45 主要符号说明 ............................................................................................................................................................. 47 附 录 ......................................................................................................................................................................... 50

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