化工原理課程設(shè)計(jì)---設(shè)計(jì)用于乙醇——水溶液分離的常壓篩板精餾塔

1、目錄一、 設(shè)計(jì)題·······································1二、 原始數(shù)據(jù)及條件········

2、;·······················1三、 緒論··························

3、;···············1四、 裝置的工藝計(jì)算·······························4五、 篩板的流體力學(xué)計(jì)

4、算···························15六、 塔附件的設(shè)計(jì)·····················

5、············19七、 塔頂空間····································

6、83;22八、 附件設(shè)備設(shè)計(jì)你·······························22九、 設(shè)計(jì)結(jié)果覽表··············

7、3;················25十、 心得體會(huì)································&

8、#183;····25十一、參考文獻(xiàn)································26十二、附圖··········

9、83;·····························27化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)用于乙醇水溶液分離的常壓篩板精餾塔二、 原始數(shù)據(jù)及條件生產(chǎn)能力：處理量為6000kg/h原料：原料為含有乙醇20%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的泡點(diǎn)液體分離要求：餾出液體中含乙醇86% 釜液中含乙醇不大于2% 已

10、知條件：x D=86% xF=20% xw=2% q=1 min ET三、 緒論： 化工原理課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在學(xué)完基礎(chǔ)知識(shí)后所安排的工程實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合利用本門課程和有關(guān)選修課程知識(shí)去解決一次任務(wù)的一次訓(xùn)練，它是不僅與化工原理課程內(nèi)容緊密相連，而且還與先修的物理化學(xué)，化工機(jī)械基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用等課程內(nèi)容密切相關(guān)。課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，它是通過(guò)設(shè)備的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)程序和方法，選擇流程，具備正確使用有關(guān)技術(shù)資料的能力，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)特別是本課程的有關(guān)知識(shí)解決化工實(shí)際問(wèn)題的工作能力，使學(xué)生得到一次學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)技能的初步訓(xùn)練，同時(shí)也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。 精餾操作時(shí)液體

11、混合物分離方法之一，它是是根據(jù)混合物中的各組分的揮發(fā)度不同而達(dá)到分離的目的。在工業(yè)上，這需要塔才能實(shí)現(xiàn)分離。塔設(shè)備是化工，石油化工，生物化工，制藥等生產(chǎn)過(guò)程中廣泛采用的傳質(zhì)設(shè)備，根據(jù)塔內(nèi)氣體液體接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。工業(yè)上，塔設(shè)備主要用于蒸餾和吸收傳質(zhì)單元操作過(guò)程。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，蒸餾過(guò)程多采用板式塔，而吸收過(guò)程多選用填料塔。近年來(lái)隨著塔設(shè)備設(shè)計(jì)水平的提高及新型塔構(gòu)件的出現(xiàn)，上述傳統(tǒng)已逐漸被打破。 篩板塔： 篩板與泡罩板的區(qū)別在于取消了泡罩與升氣管而直接在板上開(kāi)很多小直徑的篩孔；操作時(shí)氣體以高速通過(guò)小孔上升，液體則通過(guò)降液管流到下一層。篩板塔的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低

12、；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大，氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高，缺點(diǎn)是篩孔是堵塞，不易清理，易結(jié)晶，黏度大的物料。 填料塔： 填料塔內(nèi)裝填一定高度的填料層，液體沿填料表面成膜狀向下流動(dòng)，作為連續(xù)相得氣體自下而上流動(dòng)，與液體逆流傳質(zhì)。兩相得組分濃度沿塔高成連續(xù)變化。填料塔德主要部件包括塔件，塔體支座，除沫器，接管，人孔和手孔以及塔內(nèi)件。填料時(shí)填料塔中氣液接觸的基礎(chǔ)構(gòu)件，其性能的尤略直接決定了填料塔的操作性能。填料根據(jù)裝填方式可以分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料是一個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆置在塔內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，散裝填料可分為還體填料，環(huán)鞍型填料及球形填料

13、等，規(guī)整填料時(shí)按一定幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。根據(jù)其集合結(jié)構(gòu)可分為格柵填料，波紋填料，脈沖填料等。填料塔根據(jù)塔內(nèi)的填料種類的不同，可以分為多種類型。 說(shuō)明：精餾操作是借混合液中各組分揮發(fā)度性的差異而達(dá)到分離的目的，經(jīng)過(guò)多次部分冷凝，多次部分冷凝，多次部分汽化而完成，一個(gè)完整的精餾塔應(yīng)包括精餾段和提餾段，塔上半部分完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的重組分，因而稱為精餾段，塔的下部分完成了下降液體中重組分的提濃即提出了輕組分，因而稱為提餾段。設(shè)置精餾段的目的是除去蒸汽中的重組分，設(shè)置提餾段的目的是脫除體中的輕組分，提餾段內(nèi)的上升蒸汽量與下降液量的相對(duì)比值大，有利塔底產(chǎn)品的提純。 根據(jù)全塔物料衡

14、算，有F=D+W和FxF=DxD+wxw,可以進(jìn)行各種細(xì)節(jié)的計(jì)算。四、 裝置的工藝計(jì)算1、 精餾塔全塔物料衡算 F:進(jìn)料量 xF原料組成 D：塔底產(chǎn)品流量 xD：塔頂組成 xw:塔底組成 W:塔底殘留液流量由已知條件：xF=20% xD=86% xW=2% F=6000kg/h 處理數(shù)據(jù)：MF= xF *Mc+(1-xF )*MW=20 F=6000/23.6=706kmol/s由物料衡算： F*xF=DxD+Wxw F=D+W代人數(shù)據(jù)得: D=kmol/s W=kmol/s2、 常壓下乙醇水氣平衡組成（摩爾分?jǐn)?shù)）與溫度的關(guān)系 （1）溫度： xF=20% xD=86% xW=2% 由表中數(shù)據(jù)由

15、內(nèi)插法求得 tF: (23.37-16.61)/(82.7-84.1)=(20-16.610/(tF-84.1) tFtD (89.43-74.72)/(78.15-78.41)=(86-74.72)/（ tD-78.41） 精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：（2）密度：已知：混合液密度： （為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為平均相對(duì)分子質(zhì)量）混合氣體密度：塔頂溫度： 用內(nèi)插法求得氣體組成： 進(jìn)料溫度：氣體組成： 塔底溫度：氣相組成： 精餾段組成： 提留段組成：摩爾分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分?jǐn)?shù)： 由同溫度下乙醇和誰(shuí)的密度表：由內(nèi)插法求的在、溫度下的乙醇和誰(shuí)的密度（單位：） 由此可得： 由此可得： 則 得 （3）混合液體表面張

16、力： 不同溫度下乙醇和水的表面張力：可求得：、 、 溫度下乙醇和水的表面張力（單位：） 乙醇表面張力： 水表面張力： 塔頂表面力： 對(duì)于乙醇： 聯(lián)立方程組： 可解得: 同理： 所以：精餾段的平均表面張力： 提餾段的平均表面張力：(4)混合物的粘度： (單位：)由 所以：提餾段黏度：精餾段黏度： （單位：）（5）相對(duì)揮發(fā)度：對(duì)于氣相服從道爾頓分壓定律（）的混合液有所以： 算得： 精餾段：提餾段：3、 理論塔板數(shù)的計(jì)算理論板：指離開(kāi)此板的氣液兩相平衡。而且塔板上液相組成均勻。理論板的計(jì)算方法：可用圖解法，捷算法，逐板法，本書(shū)采用先用捷算法估算，再由逐板法精算。由前述可知.板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件

17、、物質(zhì)的物理性質(zhì)及物體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的程度。已知：精餾段操作方程：提餾段操作方程： 捷算法： 根據(jù) 得 N=11逐板法：應(yīng)用Excel得：精餾段提餾段板數(shù)xn=ynn)yn+1n板數(shù)yn+1nxn=ynn得到理論板塊（包括再沸器），加料板為第5塊理論板。故：精餾板實(shí)際層數(shù)：N精=10/0.6=17提餾段實(shí)際層數(shù)：N提=（4-1）/0.6=5實(shí)際所需塔板數(shù)：NP=N精+N提=17+5=224、 塔徑的初步設(shè)計(jì)：（1）.氣液相體積流量計(jì)算：由乙醇水的平衡組成圖有： 則： 、 精餾段： 已知： 則質(zhì)量流量： 體積流量： 提餾段：因本設(shè)計(jì)為泡點(diǎn)液

18、體進(jìn)料，所以 已知： 則質(zhì)量流量： 體積流量： 5、（1） 精餾段由 （安全系數(shù)） ，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： 查圖可知：園整：=2m 橫截面積：空塔氣速：(2)提餾段：橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距： 查圖可知：圓整：=2 橫截面積：空塔氣速：6、 溢流裝置：（1） 堰長(zhǎng)取 出口堰高：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上高度按下式計(jì)算： 精餾段：、 提餾段：m （2） 弓形降液管寬度和截面積：由 查圖得： 則 驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間：精餾段：提餾段：停留時(shí)間，故降液管可用（3） 降液管底隙高度： 精餾段：取降液管底隙的流速:則： 精餾段：去降液管底隙的流速則：6.塔板布置，篩板數(shù)目與排列：

19、（1）塔板布置，篩板數(shù)目與排列 本設(shè)計(jì)塔徑D=2.6，采用分塊式，以便通過(guò)人孔裝拆塔板。（2）邊緣區(qū)寬度確定： 取 （3）開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算：開(kāi)孔區(qū)面積Aa可按下式計(jì)算：其中 故（4） 篩孔計(jì)算及排列： 乙醇水物無(wú)腐蝕性，可選用碳鋼管， 控制直徑篩孔按正三角形排列，去孔中心距，篩孔數(shù)目 取 開(kāi)孔率 氣體通過(guò)篩孔的起速為：精餾段：提留段：五、 篩板的流體力學(xué)計(jì)算1、 塔板壓降：（1）、干板阻力由下式計(jì)算： 由 查圖得： 精餾段：液柱 提餾段 液柱（2）氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力由下式計(jì)算：精餾段： 查圖得：提餾段： 查圖得： 得 （3）液體表面張力的計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計(jì)

20、算：精餾段： 液柱氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度可可按下式計(jì)算液柱提餾段：液柱2、 液面落差：對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且設(shè)計(jì)任務(wù)的塔徑和流量均不大，故可忽略液面落差的影響。3、 液沫夾帶，液沫夾帶量可由下式計(jì)算：精餾段g提餾段：故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶在允許范圍內(nèi)。4、 漏液：對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由下式計(jì)算：實(shí)際孔速： 穩(wěn)定系數(shù) 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。5、 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度Hd應(yīng)滿足：乙醇-水物系屬于一般物系，取而板上不設(shè)置進(jìn)口堰： 所以 在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛的現(xiàn)象。6，板負(fù)荷性能圖(1) 漏液線由 得 在操作范圍內(nèi)在取值做出漏液線1（2）液沫夾帶線以為上線，求關(guān)系如下

21、：由 代入數(shù)據(jù)整理得：在操作線范圍內(nèi)取做液沫帶線2（3）液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)mm據(jù)此可以做出氣體流量無(wú)關(guān)的液相負(fù)荷下線3（4）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 得 據(jù)此可作出液相負(fù)荷上限線4（5）液泛液： 聯(lián)立可得：忽略 將與，與，與的關(guān)系代入可解得：由此可作出液泛線5六，塔附件的設(shè)計(jì)1、 接管 進(jìn)料管 進(jìn)料管結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管，彎管進(jìn)料管，T型料管。管徑計(jì)算如下： 查標(biāo)準(zhǔn)系列選擇取 回流管 采用直管回流管。管徑計(jì)算如下：取 查標(biāo)準(zhǔn)系列選?。?塔底出料管 管徑計(jì)算如下： 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取： 塔底蒸汽出料管，管徑計(jì)算如下：取 查標(biāo)準(zhǔn)系

22、列選取塔底進(jìn)氣管 管徑計(jì)算如下：取 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取 法蘭由于常壓操作，所有的法蘭均采用，平焊法蘭，由于不同的公稱直徑，選法蘭。（1） 進(jìn)料管接管法蘭：（2） 回流管接管法蘭：（3） 塔底出料管接管法蘭：（4） 塔頂蒸汽出料管接管法蘭：（5） 塔底進(jìn)料管接管法蘭：2 筒體和封頭（1） 筒體,壁厚選，所用材質(zhì)（2） 封頭 封頭分為橢圓形封頭等中，本設(shè)計(jì)采用橢圓形封頭，由公稱直徑1200mm，選合適的封頭。3 除沫器。在孔塔氣速較大，塔頂帶液現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過(guò)程中不許塔氣速夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作，本設(shè)計(jì)采用絲網(wǎng)除沫器，其具有比面積大，

23、質(zhì)量輕，空隙及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)氣速選取 系數(shù) 除沫器直徑：選取不銹鋼除沫器，類型：表型；規(guī)格40-100；材料：不銹鋼絲網(wǎng)4、裙座 塔底常用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的支要支座形式，為了支座方便，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 基礎(chǔ)環(huán)外徑：園整： ；基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量考慮到腐蝕余量18mm; 考慮到再沸器，裙座高度去3mm，底角螺栓直徑取M30。5、 吊柱對(duì)于較高的室外無(wú)框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對(duì)于補(bǔ)充和更換填料，安裝和拆卸內(nèi)件，一般取15m以上的塔物設(shè)吊柱，本設(shè)計(jì)中塔度大，因此吊柱，因設(shè)計(jì)塔徑為1200mm，可

24、取用吊柱500kg,材料A36、 人孔 人孔是安裝或檢修進(jìn)出塔德唯一通道，人孔德設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)入塔板，由于設(shè)置人孔塔檢舉大，設(shè)備過(guò)多會(huì)使制造難以達(dá)到要求，本塔有12塊板，需要在加料板。七、塔總體高度的設(shè)計(jì)1、塔頂空間T,即 2、 塔底空間乙醇-水體系不易結(jié)焦，采用直接蒸汽加熱，不需要再沸器，取塔底間距為2m3、 塔立體高： 八、附件設(shè)備設(shè)計(jì)1、冷凝器的選擇 冷卻劑的選擇：常用冷卻劑是空氣和水，本設(shè)計(jì)選擇水。原因是冷卻方便容易得到升溫線較高，用水量較小，平均溫度差小，傳熱面積大。有機(jī)物蒸汽冷凝器的選擇設(shè)計(jì)選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍5001500kcal/(m2.h.)本設(shè)計(jì)?。柡蜌猓柡鸵海├?/p>

25、卻水溫度：2035逆流操作： 冷凝器的熱負(fù)荷 頂塔上升蒸汽的焓； 塔頂餾出液的焓; 物質(zhì)沸點(diǎn)/蒸發(fā)潛熱HV-1TC/K乙醇846水10022570時(shí)，乙醇： 蒸發(fā)潛熱： 水： 蒸發(fā)潛熱： D冷卻水的消耗量： 傳熱面積：2、再沸器的選擇 加熱介質(zhì)的選擇：常用的加熱劑有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸氣是一種應(yīng)用最廣泛的加熱劑，由于飽和水蒸氣冷凝時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)很高，可以通過(guò)改變蒸氣壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。本設(shè)計(jì)采用水蒸汽作為加熱劑。水蒸汽容易獲得，清潔，不容易結(jié)洉，不容易腐蝕加熱管，不但成本會(huì)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，飽和水蒸汽冷凝放熱值大。 再沸器有臥式和立式兩種，由于臥式再沸器，物料在殼程通過(guò)難以清洗，且自然循環(huán)的效果差，占地面積大。而立式再沸器無(wú)此缺點(diǎn)，它僅需要較大的支座，以保證物料循環(huán)所需的壓頭，所以，再此選擇立式再沸器，另外，對(duì)自然循環(huán)壓頭不組或黏度高的物料。可用泵采用強(qiáng)制循環(huán)。再沸器的安裝位置可在底部。 選用120飽和水蒸汽加熱，傳熱系數(shù)K=2926J/(m2.h.)-100，水蒸汽溫度：120-120 水蒸汽消耗量： 傳熱面積：九，設(shè)計(jì)結(jié)果覽表項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值實(shí)際塔板