化工原理課程設(shè)計(jì)乙醇水篩板式精餾塔及其主要附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)

1、成績(jī)東南大學(xué)成賢學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目 乙醇-水篩板式精餾塔及其主要附屬設(shè)備的設(shè)計(jì) 課 程 名 稱 化工原理課程設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班 級(jí) 09 化工（1）班 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn) 指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)起止時(shí)間：2011 年 8月22日至2011年9月9日 目錄一 概述.41.1 設(shè)計(jì)依據(jù).41.2 技術(shù)任務(wù).41.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容.41.4 工藝條件.5二 塔板的工藝設(shè)計(jì).62.1 精餾塔的物料衡算.6 2.1.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率.6 2.1.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量.6 2.1.3物料衡算.62.2 塔板數(shù)的確定.62.2.1

2、 最小回流比及操作回流比的確定.62.2.2 相對(duì)揮發(fā)度.7 2.23 精餾段的理論板層數(shù).82.2.4 求全塔理論板層數(shù).92.3 精餾塔內(nèi)各物性參數(shù)計(jì)算.92.3.1 溫度.92.3.2 黏度.112.3.3 密度.112.3.4 氣液體積流量.132.3.5 混合液體表面張力.142.4 實(shí)際塔板數(shù).162.4.1 精餾段.162.4.2 提餾段.172.4.3 全塔效率.172.5 塔徑的計(jì)算.17 2.5.1 精餾段.17 2.5.2 提餾段.182.6 塔有效高度的計(jì)算.192.7 溢流裝置.19 2.7.1 堰長(zhǎng) .19 2.7.2 方形降液管的寬度和橫截面.19 2.7.3 降

3、液管底隙高度.202.8 塔板布置.20 2.8.1 塔板分布.20 2.8.2 開(kāi)孔區(qū)面積.20 2.8.3 篩板的篩孔和開(kāi)孔率.21三 塔板的流體力學(xué)計(jì)算.213.1 氣相通過(guò)塔板的壓降.21 3.1.1 精餾段.21 3.1.2 提餾段.223.2 液泛.22 3.2.1 精餾段.22 3.2.2 提餾段.223.3 霧沫夾帶.23 3.3.1 精餾段.23 3.3.2 提餾段.23 3.4 漏液點(diǎn).23 3.4.1 精餾段.23 3.4.2 提留段 .243.5 塔板負(fù)荷性能圖.24 3.5.1 液相負(fù)荷下限線.24 3.5.2 液相負(fù)荷上限線.24 3.5.3 漏液線.25 3.5.

4、4 霧沫夾帶線.263.5.5 液泛線.273.5.6 操作彈性.28四 附屬設(shè)備設(shè)計(jì).30 4.1 冷凝器.30 4.2 再沸器.32五 塔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).32 5.1 塔頂空間.32 5.2 塔底空間.33 5.3 塔高.33六 總結(jié).33七 參考文獻(xiàn)34八 附件.34一、概述乙醇水是工業(yè)上最常見(jiàn)的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來(lái)，由于燃料價(jià)格的上漲，乙醇燃料越來(lái)越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢(shì)，且已在鄭州、濟(jì)南等地的公交、出租車(chē)行業(yè)內(nèi)被采用。山東業(yè)已推出了推廣燃料乙醇的法規(guī)。長(zhǎng)期

5、以來(lái)，乙醇多以蒸餾法生產(chǎn)，但是由于乙醇水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對(duì)于得到高純度的乙醇來(lái)說(shuō)產(chǎn)量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進(jìn)乙醇水體系的精餾設(shè)備是非常重要的。塔設(shè)備是最常采用的精餾裝置，無(wú)論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，在此我們作板式塔的設(shè)計(jì)以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)流程和應(yīng)注意的事項(xiàng)是非常必要的。1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)本設(shè)計(jì)依據(jù)于教科書(shū)的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計(jì)算。1.2 技術(shù)任務(wù)完成精餾塔工藝設(shè)計(jì)，精餾設(shè)備設(shè)計(jì)，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選用，繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖，塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1. 工藝設(shè)計(jì) （1）選擇

6、工藝流程和工藝條件 a加料方式 b. 加料狀態(tài) c. 塔頂蒸汽冷凝方式 d. 塔釜加熱方式 e. 塔頂塔底產(chǎn)品的出料狀態(tài) 塔頂產(chǎn)品由塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻至常溫。 （2）精餾工藝計(jì)算： a.物料衡算確定各物料流量和組成。 b.經(jīng)濟(jì)核算確定適宜的回流比 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)常費(fèi)和設(shè)備投資費(fèi)綜合核算最經(jīng)濟(jì)原則，盡量使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行 最優(yōu)化計(jì)算，確定適宜回流比。 c.精餾塔實(shí)際塔板數(shù) 用近似后的適宜回流比在計(jì)算機(jī)上通過(guò)逐板計(jì)算得到全塔理論塔板數(shù)以及 精餾段和提餾段各自的理論塔板數(shù)。然后根據(jù)全塔效率et，求得全塔、精餾段、提餾段的實(shí)際塔板數(shù)，確定加料板位置。 2. 精餾塔設(shè)備設(shè)計(jì) (1)選擇塔型和板型 采用板式塔，板

7、型為篩板(浮閥)塔。 (2)塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體力學(xué)計(jì)算 (3)繪制塔板負(fù)荷性能圖 畫(huà)出精餾段或提餾段某塊的負(fù)荷性能圖。 (4)有關(guān)具體機(jī)械結(jié)構(gòu)和塔體附件的選定 *接管規(guī)格： 根據(jù)流量和流體的性質(zhì)，選取經(jīng)驗(yàn)流速，選擇標(biāo)準(zhǔn)管道。 *全塔高度： 包括上、下封頭，裙座高度。 1.4 工藝條件生產(chǎn)能力：3000噸/年（料液）年工作日：300天原料組成：50%乙醇，50%水（質(zhì)量分率，下同）產(chǎn)品組成：餾出液 90%乙醇，釜液5%乙醇操作壓力：塔頂壓強(qiáng)為常壓?jiǎn)伟鍓航担哼M(jìn)料溫度：泡點(diǎn) 進(jìn)料狀況：泡點(diǎn)加熱方式：直接蒸汽加熱 回流比： 自選 二、 塔板的工藝設(shè)計(jì)2.1 精餾塔的物料衡算2.1.1原料液及塔頂、塔底

8、產(chǎn)品的摩爾分率 乙醇的摩爾質(zhì)量 水的摩爾質(zhì)量 2.1.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 2.1.3物料衡算 進(jìn)料流量 得到2.2 塔板數(shù)的確定2.2.1 最小回流比及操作回流比的確定 由chemcad圖中的x-y 當(dāng)泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，q=1， 則 取，則 2.2.2 相對(duì)揮發(fā)度常壓下乙醇和水氣液平衡組成（摩爾）與溫度的關(guān)系溫度/。c液相中乙醇的含量x%氣相乙醇的含量y%1000095.51.917897.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.881.532.7359.2680.739.

9、6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.43 由上述表格計(jì)算 同理可得 則 2.2.3 精餾段的理論板層數(shù) 由解的為精餾段的相對(duì)揮發(fā)度 得 運(yùn)用吉利蘭圖 求精餾段理論板層數(shù) 由吉利蘭圖查的 則 ，所以加料板為從塔頂往下的第四塊理論板。2.2.4 求全塔理論板層數(shù) 由芬斯克方程知 且，由吉利蘭圖查的解得 ，則全塔理論板層數(shù)層。2.3 精餾塔內(nèi)各物性參數(shù)計(jì)算2.3.1 溫度 查圖得 當(dāng)時(shí)，則 ，則 ，則 精餾段的平均溫度： 提餾段的平均溫度： 當(dāng)時(shí)， 時(shí)，

10、2.3.2 黏度不同溫度下溶液黏度 t()水（mpa.s）乙醇（mpa.s）84.630.33720.432478.280.36420.469891.750.31250.3954（1）精餾段 所以精餾段黏度 （2）提餾段 提餾段黏度2.3.3 密度 已知：混合液密度：（為質(zhì)量分率，為平均相對(duì)分子質(zhì)量） 混合氣密度：（1） 精餾段 液相組成 ： 氣相組成 ： 所以 （2） 提餾段 液相組成 ： 氣相組成 ： 所以 不同溫度下乙醇和水的密度溫度/7080859095乙745735730724720水997.8971.8968.6965.3961.85 求得在與下的乙醇和水的密度 精餾段：氣相密度：

11、 提餾段： 氣相密度：2.3.4 氣液體積流量 （1）精餾段： 已知： 質(zhì)量流量： 體積流量： （2）提餾段： 已知： 質(zhì)量流量： 體積流量： 2.3.5 混合液體表面張力 公式： 式中下角標(biāo)，w、s、o分別代表水、有機(jī)物及表面部分，指主體部分的分子數(shù)，指主體部分的分子體積，為純水、有機(jī)物的表面張力，對(duì)乙醇。 不同溫度下乙醇和水的表面張力溫度/708090100乙醇表面張力/10-3n/m21817.1516.215.2水表面張力/10-3n/m264.362.660.758.8 （1）精餾段 聯(lián)立方程組： 代入求得： （2）提餾段 聯(lián)立方程組： 代入求得： 2.4 實(shí)際塔板數(shù)2.4.1 精餾

12、段 精餾段的塔效率由于飽和液體進(jìn)料， 從chemcad圖x-y圖中得知，當(dāng)時(shí)， 因?yàn)?解得 精餾段所需實(shí)際塔板數(shù) 2.4.2 提餾段 全塔的相對(duì)揮發(fā)度 因?yàn)?所以 提留段的相對(duì)揮發(fā)度 提餾段所需實(shí)際塔板數(shù) 2.4.3 全塔效率 全塔實(shí)際所需塔板數(shù)塊 全塔效率2.5 塔徑的計(jì)算2.5.1 精餾段 由，式中c可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出：橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：， 則查史密斯關(guān)聯(lián)圖可知圓整：橫截面積： 空塔氣速：2.5.2 提餾段 橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：， 則查史密斯關(guān)聯(lián)圖可知 圓整： 橫截面積： 空塔氣速： 采用單溢流型塔板2.6 塔有效高度的計(jì)算 2.7 溢流裝置2.7.1 堰長(zhǎng) 取 出口堰高：本設(shè)計(jì)采

13、用齒形堰，堰上液高度按下式計(jì)算 ，?。?） 精餾段 （2） 提餾段 2.7.2 方形降液管的寬度和橫截面 驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間： 精餾段： 提餾段： 停留時(shí)間。故降液管可使用。2.7.3 降液管底隙高度（1）精餾段 （2）提餾段因?yàn)椤⒉恍∮?0 mm，故滿足要求。2.8 塔板布置2.8.1 塔板分布 本設(shè)計(jì)塔徑，采用整塊式板塔。2.8.2 開(kāi)孔區(qū)面積 式中 已知弓形降液管寬度 取：無(wú)效區(qū)寬度 破沫區(qū)寬度 2.8.3 篩板的篩孔和開(kāi)孔率 篩孔孔徑取 板厚取 孔中心距 開(kāi)孔率 在5%15%之間，所以取值較恰當(dāng)。 篩孔數(shù) 3、 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算 塔板流體力學(xué)驗(yàn)算目的是為了檢驗(yàn)以上初算塔徑及各項(xiàng)工藝

14、尺寸的計(jì)算是否合理，塔板能否正常操作。3.1氣體通過(guò)塔板的壓強(qiáng)降:,m液柱 3.1.1 精餾段（1）干板阻力 （2）板上充氣液層阻力?。?）液體表面張力所造成的阻力、 3.1.2 提留段（1） 干板阻力 （2）板上充氣液層阻力?。?） 液體表面張力所造成的阻力 3.2 液泛 為了防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過(guò)上層塔板的出口堰。 因此 3.2.1精餾段 取 則 3.2.2提留段 取 則 3.3 霧沫夾帶 為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過(guò)0.1kg，即控制霧沫夾帶量0.1kg(液)/kg(氣)。 3.3.1精餾段 3.3.2提留段 由上

15、計(jì)算可知霧沫夾帶能滿足3.4 漏液點(diǎn) 3.4.1 精餾段為使篩板具有足夠的操作彈性，應(yīng)保持穩(wěn)定性系數(shù)3.4.2 提留段為使篩板具有足夠的操作彈性，應(yīng)保持穩(wěn)定性系數(shù) 3.5 塔板負(fù)荷性能圖3.5.1液相符合下限線 對(duì)于齒形堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn) 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3.5.2 液相負(fù)荷上限線 以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線3.5.3 漏液線 由 （1）精餾段 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)，以上是計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.05200.0

16、5420.05530.05610.0568 由上表數(shù)據(jù)據(jù)可作出精餾段的漏液線（2）提留段 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)，以上是計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表 0.000020.000140.000260.000380.00050.060350.063390.064910.066020.06693 由上表數(shù)據(jù)據(jù)可作出提留段的漏液線3.5.4 霧沫夾帶線 以為限，求關(guān)系如下： （1） 精餾段 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.13760.12670.12100.11680.1134 由上表數(shù)據(jù)據(jù)可

17、作出精留段的霧沫夾帶線（2） 提留段 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.16680.15400.14730.14230.1382 由上表數(shù)據(jù)據(jù)可作出提留段的霧沫夾帶線3.5.5 液泛線 令 由 聯(lián)立得 將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理的 式中 （1） 精餾段 故 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.17690.16910.16480.16150.1586 由上表數(shù)據(jù)據(jù)可作出精留段的液泛線（2）

18、提餾段 故 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.22820.21840.21300.20870.2051 由上表數(shù)據(jù)據(jù)可作提留段的液泛線3.5.6 操作彈性 在負(fù)荷性能圖上，作出操作線。有圖可看出，該篩板的操作上線為霧沫夾帶控制，下限為漏液控制。有圖查的精餾段負(fù)荷性能圖 精餾段的 故精餾段的操作彈性為 提留段負(fù)荷性能圖查圖得提留段的 故提留段的操作彈性為 篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算所數(shù)據(jù)備注精餾段提餾段平均溫度80.45889.956平均壓強(qiáng)102.7106.9氣相流量0.09470.0973

19、液相流量0.23160.4716實(shí)際塔板數(shù)30有效段高度8.7塔徑0.4空塔氣速0.75400.7747板間距0.3塔板類(lèi)型單溢流弓形降液管整塊式塔板堰長(zhǎng)0.264堰高0.0420.04齒形堰板上液層高度0.05堰上液層高度0.0080.01液體在降液管內(nèi)停留時(shí)42.4720.75降液管底隙高度0.0360.034弓形降液管寬度0.0496安定區(qū)寬度0.03邊緣區(qū)寬度0.02開(kāi)孔區(qū)面積0.0797篩孔直徑0.004等邊三角形叉排篩孔數(shù)目499孔中心距0.0136開(kāi)孔率7.85塔板壓降446.553434.124穩(wěn)定系數(shù)1.77671.5434降液管內(nèi)液層高度0.10670.0978霧沫夾帶量0

20、.03470.0223氣相負(fù)荷上限5.53610-4霧沫夾帶控制氣相負(fù)荷下限1.202810-5漏液控制操作彈性2.3902.4354、 附屬設(shè)備設(shè)計(jì)(不包括冷凝器、再沸器的選型)4.1 冷凝器 精餾段上升蒸汽量： 對(duì)飽和液體進(jìn)料時(shí) 氣化熱數(shù)據(jù)溫度/6080100乙醇的汽化熱40.5338.6136.51水的汽化熱42.41641.52940.599 塔頂溫度： 塔頂全凝器的熱負(fù)荷： 可得： 取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別25和45則平均溫度下的比熱 ，于是冷凝水用量可求 有機(jī)物蒸汽冷凝器設(shè)計(jì)選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為本設(shè)計(jì)取 出料溫度： 78.412（飽和氣） 78.412（飽和液

21、）冷卻水溫度： 25 45逆流操作： 傳熱面積： 4.2 再沸器再沸器的熱負(fù)荷為：因?yàn)楦獨(dú)堃簬缀鯙榧兯势潇士砂醇兯?jì)算，即 選用120飽和水蒸氣加熱，傳熱系數(shù) 料液溫度 97.5542 100 熱流體溫度 120（水蒸氣）120（水）逆流操作： 換熱面積： 5、 塔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 塔頂空間 為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，設(shè)計(jì)中通常取塔頂間距為 （1.52.0）ht 5.2 塔底空間 塔底空間具最好能在塔底有1015min的儲(chǔ)蓄。以保證料液不排完，本設(shè)計(jì)采 用10min儲(chǔ)量。 對(duì)不易起沫液體，裝料系數(shù)可達(dá)80% 5.3 塔高 六、總結(jié)課程設(shè)計(jì)是對(duì)以往學(xué)過(guò)的知識(shí)加以檢驗(yàn)，

22、能夠培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，尤其是這次精餾塔設(shè)計(jì)更加深入了對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)，使我們所學(xué)的知識(shí)不局限于書(shū)本，并鍛煉了我的邏輯思維能力。設(shè)計(jì)過(guò)程中培養(yǎng)了我的自學(xué)能力，設(shè)計(jì)中的許多知識(shí)都需要查閱資料和文獻(xiàn)，并要求加以歸納、整理和總結(jié)。通過(guò)自學(xué)及老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，不僅鞏固了所學(xué)的化工原理知識(shí),更極大地拓寬了我的知識(shí)面，讓我更加認(rèn)識(shí)到實(shí)際化工生產(chǎn)過(guò)程和理論的聯(lián)系和差別，這對(duì)將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作無(wú)疑將起到重要的作用.這次化工原理的課程設(shè)計(jì)，從最開(kāi)始的草稿，到后來(lái)的電子稿，我經(jīng)過(guò)了一遍又一遍的修改，每次修改都伴隨著我很大的努力，當(dāng)然也伴隨著我很大的進(jìn)步，更使我明白理論離實(shí)踐的距離真的很遠(yuǎn)。最開(kāi)始是由于自己的粗心大意導(dǎo)致了氣液體積流量出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而是的后面出現(xiàn)了一