1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程设计说明书（论文）课程名称： 化工分离装置设计 设计题目： 精馏塔的设计 院 系： 化工与化学学院化学工艺系 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 张秋明 设计时间： 2017.6.12-2017.6.18 哈尔滨工业大学教务处哈尔滨工业大学课程设计任务书姓 名： 院 （系）：化工与化学学院化学工艺系专 业：化学工程与工艺 班 号：任务起至日期： 2017 年 6 月 12 日至 2017 年 6 月 18 日课程设计题目：精馏塔的设计已知技术参数和设计要求：1.设计一种精馏塔，满足一下要求。（1）原
2、料：乙醇水溶液，年产量 48000 吨乙醇含量：35%( 质量分数)，原料液温度：自选设计要求：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)（2）结构合理，尽可能循环利用能源。（3）初步的观察和分析位置。（4）鼓励新想法和创新精神。鼓励使用 AutoCAD 等计算机辅助工具绘图。2.设计和选择辅助设备以及检测仪器仪表。根据确定品种、结构类型和生产能力，确定设备选型和规格，确定设备布置。工作量：（1） 写出详细的精馏塔设计与计算过程，对于精馏塔设计中引用的数据应说明来源和选用依据。（2） 画出精馏塔整体工作流程图，辅助设备仪器要选型；（3） 分析测试仪表和仪
3、器要标明位置和作用。（4） 节能降耗以及提高效率的新方法。工作计划安排：6.126.13 熟悉设计任务，相关查阅资料，对计算过程进行估算，初步确定部件尺寸6.146.15 初步设计，绘制精馏工作草图6.166.18 检查修改后，正式写出详细计算过程，绘制精馏塔详细设备和工作图。6.31 验收答辩同组设计者及分工：对此题目，每个人独立设计、制图。指导教师签字：张秋明2017 年 6 月 12 日 教研室主任意见：同意教研室主任签字：2017 年 6 月 13 日*注：此任务书由课程设计指导教师哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1全塔物料衡算1) 乙醇摩尔分数计算查阅得 M 乙醇 =46.07，
4、M 水 =18.021 进料摩尔分数 %4.1702.865.43FX2 塔顶摩尔分数 .3.17.69D3 塔底摩尔分数 %96.02.850.4WX2) 物料衡算1 年产量 48000 吨，按年工作日 300 天处理hkmolqmolkgMMFn F/12.9108.430. /9.2.657.4. 7得2 物料衡算 hkmolqXqXWnDWnDnFn/0.2316:. .解 得2回流比的确定泡点进料，用 Origin 作图，由于水-乙醇平衡线较特殊，故通过点（X D,XD）作平衡线的切线得精馏段操作线，再连接 q 线与操作线交点与点（X W,XW）得提馏段操作线。利用精馏段操作线斜率
5、k 求 Rmin哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）0. 0.5 1.00.51.0A0.51.0.00.2.4.60.8.130.2R4. 4.1.521.,6034.minimininmk节 省 费 用 的 原 则 取本 着 使 回 流 比 尽 量 小 以得由 图 可 得 ：3理论塔板数的确定由图解法得：精馏段理论塔板数为 20.48提馏段理论塔板数为 3.524精馏段提馏段气液相的确定1) 精馏段 hkmolqRlDnVnL /176.830.21.601/5, 2) 提馏段 hkolFnVnL /7.849, , 哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）5精馏段提馏段操作线方程1) 精馏段
6、 267.081.1minin xRXxyD2) 提馏段 31046.28.%9.23176.492376.49 x6精馏段提馏段气液相的物理性质1) 温度由图可得：X D=0.835 时 tD=78.3oCXF=0.174 时 tF=83.7oCXW=0.00196 时 tW=99.5oC o6.9125.783t均0.21提2) 密度查化工原理（天大版）得混合液体密度 BALa混合气体密度 02.4VTM哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1 精馏段 850.342.1600746937581:11VLOMyCtx时气 相 组 成 时液 相 组 成由 图 查 得 ：2 提馏段 435.26
7、0.183.0.7469591t:222VLoMyCx时气 相 组 成 时液 相 组 成由 图 查 得 ：由物理化学及网上资料查得不同温度下水和乙醇的密度温度/ 乙醇密/kg/m 3 水密度/kg/m 3 温度/ 乙醇密度/kg/m 3 水密度/kg/m 380 735 971.8 95 720 961.8585 730 968.6 100 716 958.495 724 965.3精馏段：t1=81.0oC 由内插法求得 311311/2.97-6.805-6.805/.4-7.83-8mkgk水 水乙 醇 乙 醇得得 05.5.4Aa3131 /20.185.274./.896-730mk
8、gmkgVLL 气 相 密 度得 液 相 密 度哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）提馏段：t2=91.6oC 322322/0.964465.9-15-8.1/7.-906.4-7095mkgk水 水乙 醇 乙 醇得得 873Aa3232 /84.06915.74.26/.905-1.1 mkgmkgVLL 气 相 密 度得 液 相 密 度3) 黏度查物理化学得乙醇黏度-温度关系温度/ 80 90 100黏度/mPas 0.495 0.406 0.361水黏度-温度关系温度/ 80 81 82 90 91 92 93黏度/mPas 0.3565 0.3521 0.3478 0.3165 .0
9、3130 0.3095 0.3060哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）smPasPasmsPasmPaLL3140. 035.-193.05.98x-x.310.-96310.095.-28.4.-01469012.47530.-1352.07.861.0x-x.8614095.-95.406.1222211 ）（）（所 以 提 馏 段 黏 度由 图 得 ：解 得 ：内 插 法提 馏 段 ）（）（所 以 精 馏 段 黏 度由 图 得 ：解 得 ：内 插 法精 馏 段 ：水乙 醇 水 水乙 醇 乙 醇水乙 醇 水乙 醇 乙 醇4) 表面张力 01444SWSOABQ其中： logqswolgq
10、wo223300.41wqVT0Vxw0Vxw下标 w、o、S 分别指水、有机物及表面部分; 指主体部分的分子分率；0wx、哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）指主体部分的摩尔体积； 为纯水及有机物表面的张力。对于乙醇，oVw、 w0、q 为 2。查物理化学得表格：温度/ 70 80 90 100乙醇表面张力/10 -2N/m 18 17.15 16.2 15.2水表面张力/10 -2N/m 64.3 62.6 60.7 58.8精馏段： molcmVW/5.182.9701831lo /.6.3431t1=81.0oC 由内插法求得 05.78-1.89.261oo得 ： 4.62-11w得
11、 ： 162.0 7.6235.0.18375.0.375 )()( 2212 owoxooo VxVx9.-)62.log(l1 wB哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）752.0 5.184.62-7.05.1.8.341.-.0 323321 woVqTQ5.172.09.11 QBA联立 得logqswoSWO84.61sow527.1405.17846.0411414moswsm提馏段： molcVW/69.180.94832lo /757632t2=91.6oC 由内插法求得 04.169-2.9.52oo得 ： .-7.-78.22w得 ：哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）19
12、3.7 75.630.69.18035605 )()(2222 owoxowoow VxVx7.).7log(l22 wB719.0 69.1840.-275.6304.1.5.234. -1.032321 woVqTQ156.079.8.QBA联立 得log1qswoSWO32.sow296.415304.163207.412412moswsm5) 相对挥发度哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） 816.035.7.960.19653.,250.27.40.6.16250.,372222221111ABBABAABABAxyyxxyyx则 相 对 挥 发 度 得由 于 算提 馏 段 相 对
13、挥 发 度 的 计则 相 对 挥 发 度 得由 于精 馏 段 相 对 挥 发 度6) 实际板数计算 块 。块 ， 取总 板 效 率提 馏 段 ： 块 。块 ， 取总 板 效 率精 馏 段 ： 1094.35.02354.0)34.86.()(4924286.413.02 4893.0).05(9)(4912 2.5.01 25.5.0 TPTPENEN7塔体工艺尺寸计算1) 塔的有效高度计算2) 塔径的计算精馏段气液流量哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） smq skghkqMqVmvLvVnVmLL /518.2.049.0. /821./93.6571.85.305402931,1, 1
14、,1, , 体 积 流 量质 量 流 量提馏段气液流量： smq skghkqMqVmvLvVnVmLL /563.184.02/09.79. /382.1/4.716.8435.269092, 32, ,2, , 体 积 流 量质 量 流 量07154.25.107.)2(5.6m3.-4h- 0.h0. 0214.1.85.2491527.1/.,/9. 101 31, 313, LT LVLvLLVvvLCHqKssqkgkg所 以 得查 图所 以 ， 板 上 层 液 高 度取 板 间 距 ） （横 坐 标精 馏 段哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）smAqDDqDssCHqKsmsq
15、kgmkgsAqmDDqDssCTVvTVvVLLT LVLvLLVvvLVTVvTVvVL/015.4.63u.4 m4.1,90182635./.470u. /024.38.57932. 9.04.67.)20(45.63.-h- 05.h0. 04915.87.936.124.6/35.,/105932798./986.04.15u.4.41,218.30.5/6.7u.0 /m860.1.248015.2, 222,2max22ax 2212,223, ,1 221,1max11ax实 际 空 塔 气 速 为塔 截 面 积 为 圆 整 后 取本 设 计 中 安 全 系 数 暂 取所 以
16、 得查 图所 以 ， 板 上 层 液 高 度取 板 间 距 ） （横 坐 标提 馏 段实 际 空 塔 气 速 为塔 截 面 积 为 圆 整 后 取本 设 计 中 安 全 系 数 暂 取1) 精馏塔的有效高度计算哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） m45.20.634.1Z0.45m0)(-: 2孔提精提提 精精为所 以 精 馏 塔 的 有 效 高 度 高 度 为在 进 料 板 上 开 人 孔 ， 其 ）（提 馏 段 的 有 效 高 度 为 ）（精 馏 段 的 有 效 高 度 为 ZHNT8塔板工艺尺寸计算1) 溢流装置设计1 堰长 mDllww 98.04170.06， 取2 溢流堰的高度
17、hw选平直堰， lo其中 E=1。23.8410howwhElmhsqhmsqowlloLvowlloLv 038.19.0519.).63.2(184. /105942.78.078.).3610492.(10./22 33-2, 2-, 所 以取 板 上 层 清 液 高 度 为所 以对 于 提 馏 段所 以取 板 上 层 清 液 高 度 为所 以对 于 精 馏 段3 方形降液管宽度 wd 和截面积 Af根据：方形降液管截道面参数比例图哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） 。所 以 降 液 管 的 设 计 合 理提 馏 段 ：精 馏 段 ： 留 时 间校 核 液 体 在 降 液 管 的 停停
18、 留 时 间所 以 得查 图由 ssqHADwDwlLvTfdf dTfw 320.1359.24.09.5320.41.0145. 139.845.0,7,9831 4 降液管底隙高度 ho=hw-0.006 m)025.(032.6.-038.h42o1 提 馏 段 ：精 馏 段 ：5 选用凹型受液盘2) 塔板布置由于 D=1.4m0.8m，所以采用分布式布置。3) 边缘区宽度的确定对于塔径小于 1.5m 的塔，w s=80110mm，取 ws=100mm。4) 开孔面积的计算 221in80s xAxrr 哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） 21222 m980.6.037sin.18
19、0397.6.0397.2.4.19.0)130(.)( scsdAmwDr mx所 以其 中5) 筛孔计算及排列精馏物质没有腐蚀性，可选用 。取筛孔直径的 不 锈 钢5.。筛孔一般为正三角形排列，取孔中心距 。5mod 351otdsmAquAtdAtnVvovoaao /820.159.063/098108. 108.)5(6)(96m47.1549.580182,1, 2so 22s323提 馏 段 ：精 馏 段 ：气 体 通 过 筛 孔 的 气 速 为开 孔 率 。为为 鼓 泡 区 面 积 ， 等 于其 中 个 ，筛 孔 数 目9筛板流体力学计算1) 塔板压降1 干板阻力 hc计算，查
20、化工原理课程设计（柴敬诚版）得：20.5VcoLuh哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） 液 柱提 馏 段 ： 液 柱精 馏 段 ： 。， 查 图 得因 为 mhccoo 0213.57.9384)76.021(5. 176.025d1 2 气体通过液层的阻力查化工原理课程设计（柴敬诚版）得：哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） 液 柱所 以 得查 图提 馏 段 ： 液 柱所 以查 图 得精 馏 段 ： mhuFsAVmhuFsAVlvaofTsllvafTs 032.5.64.084.18.192. /092563.12.05.6. 8071/713904.52222113 液体表面张力的阻
21、力 液 柱产 生 的 阻 力提 馏 段 ： 液 体 表 面 张 力 液 柱产 生 的 阻 力精 馏 段 ： 液 体 表 面 张 力 mgdhoLoL 035981957.32644:216.1057:32 31 满 足 设 计 要 求 。 降 为气 体 通 过 每 层 塔 板 的 压 液 柱柱 高 度气 体 通 过 每 层 塔 板 的 液满 足 设 计 要 求 。 降 为气 体 通 过 每 层 塔 板 的 压 液 柱柱 高 度气 体 通 过 每 层 塔 板 的 液 Paghp mhPaghphLc pLc p709.52681.973051. 1.032. 7085.21.94806. 622
22、22 21111 2) 液面落差哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）D=1.4m0.03m 采用下式:168.084.057.93513.056.0.769242. 4.8216.0.769213.05.4in2i1in moVLLmouChu，提 馏 段 ：精 馏 段 ：其 中 稳定系数 F: ， 适 宜 。提 馏 段 ： ， 适 宜 。精 馏 段 ： 。适 宜 范 围 为， 56.18.023.7.6.1min,12i,1ooomuK5) 液泛哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）应满足： WTdLpHhHd其中：H d 为降液管中清液层高度hd 为与液体流过降液管的压降相当的液柱高度 4-
23、23-22 4-23-2112 10658.0.98.1523.053.0 9.453.0 owsdosdowshlLhlhl提 馏 段 ：精 馏 段 ：571. 7622d11 dLpH提 馏 段 ：精 馏 段 ：故 本 设 计 无 明 显 液 泛 。取对 乙 醇 和 水 混 合 物 2d2 11 63.08.406.h.HWT 10塔板负荷性能图1) 漏液线 0.769213.05.4inChuVLLmo其 中， ,min0,i0sLwoVuhA381howwlhE 29818.0ASo哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）32 3232min, 3232s32min,46.9371.4.0
24、 84.057.930.961.23.015.08.62. 84.1.056.4.7.90.63. 0.14.81206.98.64.20.1056.8.72.4 84.13.056.4.LLhlEhACVLLhlEhACV sVLwwos VLwwos 提 馏 段 ：精 馏 段 ：2) 液沫夹带线以 为限，求取 VSLS 关系如下：.kgVe液 沫 /干 气由3.265.710aLTfuHh哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）322.332323232322.33232323295.810.6106.17.475690.13. )690.1.(4.5. 8.6014.08.25.17.60.
25、21069.45.7690.124. )690.15.(.5. 8.6014.0.25. 79LVVeLLhHLhhVLVeLLhHLhhVVAuS SfTowLfS SfTowLf SSfTSa整 理 得所 以提 馏 段 ：整 理 得所 以3) 液相负荷上限线对于平直堰，取堰上高度 作为最小液体负荷标准。0.6mowh哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） 423min, 21059.860.84.1062s WsOWLlLEh得 ：由4) 液相负荷下限线以 作为液体在降液管中停留下限50147.5139.0max, TfssfHAL得 ：由5) 液泛线联立 61(),dTwdpLdpcLLw
26、ohhhh得 1owdH忽略 h ，将 的关系式代入上式，并整理得S,VSowdL与 与 与2223SssaVbcL3222 3223322 212 514.846.935108. 0977. 8.1)6(5.1(084.20. 568.1.9853.0 1967.042.1-.04. 3.790 LVlEdhlcHbCAssWoWWTLVo 解 得所 以 ）（精 馏 段 ： 哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）3222 32233232212 75.1958.17438.0.00987.1)6(5.1(84.200. 5748.1.9855. 201.83.1-6.06. 93.0.0.a
27、LVLlEdhlchHbCAss WoWWTLVo 解 得所 以 ）（提 馏 段 ： 11板式塔的结构1) 塔顶空间塔顶空间应大于板间距，设计中通常取塔顶间距为： mHTD6.05.12取2) 塔底空间取储存液量停留 5min 而定：mmAtLTSB460.1 154.160392132 3) 封头采用椭圆封头，D=1.4m，查化工机械设备得直边高度：0.04m曲边高度：0.35m4) 人孔一般每隔 1020 层塔板设置一人孔，塔板数为 52，本设计开人孔数3 个，每个直径为 450mm 孔板间距为 600mm，设人孔处的板间距为600mm。5) 裙座哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文） mD
28、ob 1602140)160(选取裙座直径为 1600mm，裙座高度 3m。6) 塔总高度 HHnnHBDPFTPF 3.2604.6.10.36.041352 112附属设备1) 冷凝器选择塔顶温度：78.3 oC乙醇的气化潜热：863KJ/kg 水的气化潜热：2385KJ/kg冷却水 12oC78.3 oC 混合液 78.3oC40 oCkmlKJhHD/402537 02.1835096.218358.01.68. sKJqQLnD /.76.427, ）（ Ctt om 026.5143.78l.1.l21导热系数：K=1000传热面积： 2186.402.51mtKQAm2) 再沸器选择塔底温度：99.5 oC乙醇的气化潜热：675KJ/kg 水的气化潜热：2240KJ/kg乙醇的比热：3.8KJ/（kgK） 水的比热：4.25KJ/(kgK)水蒸气 120oC100 oC 混合液 99.5oC120 oCKkgJxcipnip /249.016.8394.0251哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）molKJMXrXrWW /63.402.18096.12407.619.6752w kmolKJtcqQpVnn/207983 08.15.9.7.6.4., Ctt om 249.01205.9ln.-ln21 导热系数：K=3000 238.49.3078mtKQAm
