1、课程设计第 1 页 共 23 页目录一设计任务及要求 .3二概述 .3三设计依据 4五操作条件的计算 .41.塔型选择 .42.1 操作压力 52.2 进料状态 52.3 加热方式 52.4 热能利用 53.最小回流比及操作回流比的确定 63.1逐板计算： .63.2全塔效率的估算 .73.3实际塔板数 8PN4.全凝器冷凝介质的消耗量 85.热能利用 8六.精馏塔主体尺寸的计算 .91.精馏段与提馏段的体积流量 92.塔径的计算 93.塔高的计算 124.液流型式的选择 125.溢流堰（出口堰）的设计 13(1).堰长 :13Wl=(0.60.8)D=0.71600=1120mm .13l(
2、2).堰上液层高度 ： 13hOW6.塔板设计 146.1塔板尺寸 .156.2降液管底隙高度 h0156.3板结构的选择 .166.4板材料的选择 .166.5板基本结构的选择 .166.6筛孔数 n16课程设计第 2 页 共 23 页7.塔板的流体力学验算 .177.1气体通过塔板的压强降: ,m液柱 .17ph7.2降液管内液体高度(液泛 or 淹塔) 197.3雾沫夹带 .207.4漏液点气速 uOW20八.筛板塔的辅助设备 211.配管 212.储罐 223.换热器 22八.设计评价 .22九.参考文献 .23课程设计第 3 页 共 23 页一设计任务及要求原料：乙醇水溶液，年产量
3、48000吨乙醇含量：33%(质量分数)，原料液温度：42设计要求：塔顶的乙醇含量不小于 90%(质量分数)塔底的乙醇含量不大于 0.5%(质量分数)乙醇-水相图：0. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0.20.40.60.81.0YX二概述乙 醇 是 很 常 见 的 一 种 化 工 产 品 ， 它 有 着 广 泛 的 用 途 ， 主 要 有 ： 消 毒 剂课程设计第 4 页 共 23 页， 药 物 使 用 ，饮 料 ， 基 本 有 机 化 工 原 料 （ 乙 醇 可 用 来 制 取 乙 醛 、 乙 醚 、 乙 酸 乙 酯 、 乙 胺 等化 工 原 料 ， 也 是 制 取 、 染 料
4、 、 涂 料 、 洗 涤 剂 等 产 品 的 原 料 ） ， 汽 车 燃 料 （乙 醇 可 以 调 入 汽 油 ， 作 为 车 用 燃 料 ） ， 稀 释 剂 ， 有 机 溶 剂 ， 涂 料 溶 剂 等 。 现在 研 究 的 直 接 醇 类 燃 料 电 池 也 将 会 将 乙 醇 的 使 用 量 大 大 提 高 。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔
5、的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。三设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。四技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。五操作条件的计算1.塔型选择根据生产任务，若按年工作日 300天，每天开动设备 24小时计算，产品流量为 ，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低成本，提67/kgh高生产效率，因为塔的操作弹性不大，故采用筛板塔。课程设计第 5 页 共 23 页2.1 操作压力由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态
6、，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压其中塔顶压力为 51.032Pa塔底压力 5.(630)N2.2 进料状态为了计算和操作的方便本次设计中采取泡点进料（q=1） 。2.3 加热方式在乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，可采用直接水蒸气加热。本设计采用直接水蒸气加热，即在塔底安装一个鼓泡管，可省去一个再沸器，降低了设备的成本，并且不影响分离效率。2.4 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有 5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大课程设计第 6 页 共 23 页量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为
7、塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。物料衡算Xf=0.1616Xd=0.7788Xw=0.002以年工作日为 300天，每天开车 24小时计，进料量为：34801295.701/32.Fkmolh由全塔的物料衡算方程可写出：(蒸汽) 61.289/Dkmolh0VDW0y54.0WfyFxx(泡点) 03/Vkl LqRF1q3.最小回流比及操作回流比的确定泡点进料(q=1),查表计算得 =2.4286联立求解 q线方程和相平衡方程得 xq=0.1616,yq=0.3186min0.78.3162.931dqxyR取操作回流比 4理论塔板层数的确定精馏段操作线方程： 10.8
8、.11DnnnxRy提馏段操作线方程： 10.734.5nmwmWyxxV线方程： .16 q3.1逐板计算：塔板 1 2 3 4 5 6 7 8Y 0.7788 0.6534 0.6296 0.4334 0.3716 0.3366 0.3182 0.2844课程设计第 7 页 共 23 页X 0.5918 0.4370 0.3167 0.2395 0.1958 0.1728 0.1612 0.1406塔板 9 10 11 12 13 14 15 16Y 0.2478 0.2102 0.1739 0.1400 0.1099 0.0843 0.0623 0.0464X 0.1194 0.0989
9、 0.0798 0.0628 0.0484 0.0365 0.0270 0.0196塔板 17 18 19 20 21 22 23Y 0.0333 0.0233 0.0157 0.0100 0.0088 0.0050 0.0021X 0.0140 0.0065 0.0065 0.0041 0.0036 0.00205 0.000923TN块(含塔釜)其中，精馏段 7块，提馏段 15块。3.2全塔效率的估算用奥康奈尔法( )对全塔效率进行估算：Oconel由相平衡方程式 可得1(xy(1)yx根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得：10.79Dyx10.74x (塔顶第一块板) Td=78.62 C
10、548f6f (加料板) Tf=84.23(塔釜) Tw=99.38.2wx.2wy因此可以求得： 1.3,5.9,13.f全塔的相对平均挥发度： 331.224.3mfw全塔的平均温度： 78.64.9.87.133DfWmtt C在温度 下查得 2 320.5,0.784HOHOmPasmPast因为 LiLx所以: 0.34f as 全塔液体的平均粘度： ()/3(0.4.3780.25)/30.462LmLfDLW mPas课程设计第 8 页 共 23 页全塔效率: 0.245 0.2451.9().9%(4.3.6)TLE3.3实际塔板数 PN/2/0.45PTE块(含塔釜)其中，精
11、馏段的塔板数为： 7/.16块4.全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷： (1)CVDLQRI可以查得 ，所以126/,253.9/VDLDIkJgIkJg 7(4).89.064(3.9)1.2450/CQ kJh取水为冷凝介质，(考虑到当地平均气温较低)其进出冷凝器的温度分别为20和 30则平均温度下的比热 .1785/pckJgC，于是冷凝水用量为：721.234028.7/258/()78()CCpcQWkghtht 5.热能利用以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量 可记为：fQ21()ffpffQWct其中83.463.5fmt C在进出预热器的平均温度以及 3.1
12、5fmt的情况下可以查得比热4.2697/pfckJg，所以，课程设计第 9 页 共 23 页3 648014.2697(84.23)1.20/fQ kJh釜残液放出的热量 12)wpwQWct若将釜残液温度降至 25tC那么平均温度9.387.2wmt其比热为 ，因此，4.1/pckJg636.859(.385)1.20/wQkJh可知， ，所以可以用釜残液加热原料液至泡点。f六.精馏塔主体尺寸的计算1.精馏段与提馏段的体积流量精馏段 提馏段汽相 液相 汽相 液相平均摩尔质量/kgmol39.812 31.1656 25.4312 20.2904平均密度/ 31.2462 812.734 0
13、.809 909.22体积流量/ 3mh8845.0572.4570m3/s9.4000.002611m3/s9623.252.6731 m3/s12.07540.003354 m3/s2.塔径的计算由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：课程设计第 10 页 共 23 页3()2.673.452.6/SJTVms汽塔的平均液相流量： 3()001.0298/22SJTL s汽塔的汽相平均密度：3.89.461.7/VJT kgm汽塔的液相平均密度：30.2.3860.9/2LJT k塔径可以由下面的公式给出：4S
14、VDu由于适宜的空塔气速 ，因此，需先计算出最大允许气速max(0.68)uu。maxaxLVuC取塔板间距 ，板上液层高度 ，那么分离空间：0.4THm160.hm1.6.3Th功能参数：298.7() 0.32.5616SLV课程设计第 11 页 共 23 页从史密斯关联图查得： 20.71C，由于 ，需先求平均表0.2()C面张力。全塔平均温度84.3.629.387.413DFWT，在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为0.79.10，所以，液体的临界温度： .342(43)(.142)(7342.)58.03cicTx K设计要求条件下乙醇水溶液的表面张力 6/dynm平均塔温下乙醇水溶液
15、的表面张力可以由下面的式子计算：，1.221()mcT1.22584.03(78.4) 6.9.4/5dyncm所以：0.219.0.7()7C课程设计第 12 页 共 23 页max 860.971.260.74.0435/LVuC ms0.72.351.35/ms46.41.D根据塔径系列尺寸圆整为 D=1.6m此时，精馏段的上升蒸汽速度为：224.45701.6/6SJJVu ms提馏段的上升蒸汽速度为：241.302/STTusD3.塔高的计算塔的高度可以由下式计算：(2)PTFWZHNSH已知实际塔板数为 N=50块，板间距 ,因为料液较清洁，无需经常0.4Tm清洗，可取每隔 8块板
16、设一个人孔，则人孔的数目 为： S501S个取人孔两板之间的间距 ，则塔顶空间 ，塔底空间0.6THm1.2DHm，进料板空间高度 ，那么，全塔高度：2.5WHm.5F1(05).4054.Z塔体壁厚为 50mm。用 Q235-A 钢板卷焊而成。4.液流型式的选择液体在板上的流动型式主要有，U 型流、单流型、双流型和阶梯流型等，其中常选择的则为单流型和双流型。由于本设计中液体流量不是很大，板上液体厚度不大，并参考下表本设计课程设计第 13 页 共 23 页采用单溢流型。选择液流形式参考表塔 径 流 体 流 量 m3/hMm U 形 流 型 单 流 型 双 流 型 阶 梯 流 型600 5 以
17、下 5 25900 7 以 下 7 501000 7 以 下 45 以 下1200 9 以 下 9 701400 9 以 下 70 以 下1500 10 以 下 70 以 下2000 11 以 下 90 以 下 90 1603000 11 以 下 110 以 下 110 200 200 3004000 11 以 下 110 以 下 110 230 230 3505000 11 以 下 110 以 下 110 250 250 4006000 11 以 下 110 250 250 450应 用场 合用 于 较 低液 气 比一 般 应 用 高 液 气 比 和大 型 塔 板极 高 液 气 极 大型 塔
18、 板流型示意图：5.溢流堰（出口堰）的设计(1).堰长 : Wl=(0.60.8)D=0.71600=1120mm(2).堰上液层高度 ：hO堰上液层高度应适宜，太小则堰上的液体均布差，太大则塔板压强增大，物沫夹带增加。平直堰的 ：hOWELlhW2841023.课程设计第 14 页 共 23 页其中 堰长, m; Wl塔内液体流量， Lhmh3液流收缩系数，查图求取。查得 E=1.195 E2 23 32.84.8410.7.950.1531010hOWWLhl(3).堰高 ：取板上液层高度 Hl=60mm堰高 hw=hL-how=60-15.3=44.7mm6.塔板设计塔板结构示意图:6.
19、1塔板尺寸由于塔径大于 800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。课程设计第 15 页 共 23 页取无效边缘区宽度 ，破沫区宽度 ，40CWm70SWm查得 12Wl0.76wLD查表得0.14dD，0.85fTA/2.876CRm0240.7.506dSx m22T1.6A=()3.4().96Af=0.0852.0096=0.1708m2验算：液体在精馏段降液管内的停留时间0.178.426.175fTJSJHsL液体在精馏段降液管内的停留时间0.178.420.369535fTTSAs6.2降液管底隙高度 h0 若取精馏段取 ，提馏段取为 20m，那么液体通过降液管底015hm隙时的流速
20、为精馏段：0.0261.4867/75SJwLuslh提馏段：0.03.296/7STwumslh的一般经验数值为 ,计算结果符合经验值。0.5/课程设计第 16 页 共 23 页6.3板结构的选择由于本设计中操作的弹性不是很大所以采用筛板塔。6.4板材料的选择材料选用不锈钢。6.5板基本结构的选择筛孔孔径 d0=5mm筛孔厚度 =2.3mm正三角形排列：孔心距 t=(2.55) d0=3.55=17.5mm开孔率2A.97.435 一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏夜量大,板效率低。通常开孔率为 5%15%。6.6筛孔数 n mttAa ,:15802孔 心 距02.
21、4Am215801580*1.453172aAnt每块板上筛孔数 n=107开孔面积200.4*1.50.147aA m气体通过筛孔气速02.6./7sVus课程设计第 17 页 共 23 页7.塔板的流体力学验算7.1气体通过塔板的压强降: ,m液柱phhlCp气体通过每层塔板压降相当的液柱高度，m 液柱p气体通过筛板的干板压降，m 液柱hC气体通过板上液层的阻力，m 液柱l克服液体表面张力的阻力，m 液柱、hi.干板压降 CLVCuh20)(51.筛孔气速，m/su0分别为液、气密度，LV、 kgm3C0孔流系数， 孔 径 与 塔 板 厚 度 之 比).( )(038.)(0732.)(0
22、67.8.0 30200 d ddd2 20 4.5.05.51().01().062576194VCLuh mii.板上液层阻力 lh课程设计第 18 页 共 23 页)(00OWLl hh式中： 板上清液层高度，m反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数，0无因次,一般 =0.50.6。与气相动能因子 有关，0 aF185964.00652.F)(单 流 型 塔 板fTsaVa AVuuF2.561.394.09708saTfA134(26)/1.4aVFu0.185964 0.1859640.652.09*4.23F 00().32.09lLWOhhiii.液体表面张力的阻力04Lhg
23、d0*.230.286.978.5L P p=hpg L =0.1056*9.8*860.977=0.9810KPa气体通过塔板的压降 P p低于设计允许值。7.2降液管内液体高度(液泛 or 淹塔)设计中塔盘有入口堰所以采用以下经验公式计算：课程设计第 19 页 共 23 页hLlhdSW0202.精馏段：2 200.61 0.4831*5Sdl提馏段：2.3540.20.48391*.dh为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰。因此HhTWd板间距，mT系数。为考虑降液管内液体充气及操作安全两种因素的校正系数。对于容易起泡的物系，取 0.30.4；对不易起泡的物系
24、，取 0.60.7；对于一般物系，取 0.5。精馏段： 0.4830.47.0965dTWHHh提馏段：.80dTW由以上可知，塔不会发生液泛。7.3雾沫夹带雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克气体夹带到上一层塔板的液体量不超过 0.1kg，即控制雾沫夹带量 0.1kg(液)/kg(气)。eV课程设计第 20 页 共 23 页2.36)5.(107.5LTaV hHue6 63.2 3.25. 710.94()()798105.4*06aVTLuh .由以上计算可以知道不会发生严重的雾沫夹带。7
25、.4漏液点气速 uOW当气速逐渐减小至某值时，塔板将发生明显的漏夜现象，该气速称为漏液点气速 uOW，若气速继续降低，更严重的漏夜将使筛板不能积液而破坏正常操作，故漏液点气速为筛板的下限气速。为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 K:若稳定性系数偏低，可适当减小开孔率或降低堰高，前者影响较大。 04.(.560.13)/.0217.954/2.01.256OWLLVuCh4.1.6984.5.OWuK由以上计算可以知道不会发生严重的漏液。八.筛板塔的辅助设备1.配管(1)塔顶蒸汽管 dp常压操作，u v=12-20m/s vSPuVd4VLLO h/)(.0 /.,.21 smuuK
26、OWo 漏 液 点 气 速筛 孔 气 速课程设计第 21 页 共 23 页42.560.48631SPvVdu圆整 dp =0.5m 选用 552.5 的无缝不锈钢管。(2)回流管 dR强制回流，u R=1.5-2.5m/sSRL40.29830.17914SRRdu圆整 dR =0.25m 选用 302.5 的无缝不锈钢管。(3)进料管 dF泵输进料，u F=1.5-2.5m/s 进料温度下, FFuLdM40.245FFL4.0.03573142FFdu圆整 dF =0.10m 选用 152.5 的无缝不锈钢管。(4) 塔釜出料管 dw塔釜出料，u w=0.5-1m/s, wsuLd440
27、.350.781314swLd圆整 dF =0.10m 选用 152.5 的无缝不锈钢管。2.储罐储罐中的液体量应保证十天的液体储量。课程设计第 22 页 共 23 页储罐中液体的质量： 5.47920135.8Mt体积为：3142Vm所以储罐体积选为 1500m3 。选用半径为 7m，高为 10m的圆形储罐。3.换热器经计算得塔顶冷凝器换热面积为 3.6549m2。采用东阳市金诚化工设备有限公司生产的 PSGH-5-300- L 型列管式换热器。其技术数据如下：八.设计评价本设计采用筛板塔，能很好的完成设计任务。筛板塔有如下优点： 结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60%左右，为浮阀塔的80
28、%左右； 在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%40%； 塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔； 气体压力降较小，每板压力降比泡罩塔约低30%左右。但筛板塔也有一定的缺点： 小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；本设计中处理液干净，不存在堵塞问题。 操作弹性较小（约 23）。本设计对操作弹性要求较小。由此可知筛板塔符合设计需求。课程设计第 23 页 共 23 页九.参考文献（1）化工原理.第四版.化学工业出版社。（2）实用溶剂手册。（3）兰氏化学手册（中文第十五版） 。（4）化工图算手册. 化学工业出版社。（5）化工工艺设计. 化学工业出版社。（6）纯物质的基本物理化学性质。（7）纯物质热化学数据手册. 化学工业出版社。
