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1、目 录摘 要ii第一章 绪论11.1课题背景11.2 操作流程11.3课题条件2第二章 精馏塔的物料衡算32.1原料液及塔顶塔釜产品的摩尔分率32.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量32.3物料衡算4第三章 塔板数的确定43.1理论板层数的求取43.2实际板层数的求取6第四章 精馏塔的工艺条件计算84.1操作压力及温度计算84.2平均摩尔质量及密度计算84.3液体平均表面张力及粘度计算10第五章 精馏塔的塔体工艺尺寸计算125.1塔径的计算125.2精馏塔有效高度的计算14第六章 塔板主要工艺尺寸的计算156.1溢流装置计算156.2塔板布置17第七章 筛板的流体力学验算187.1塔板压降
2、187.2液面落差207.3液沫夹带207.4漏液217.5液泛22第八章 塔板负荷性能图238.1漏液线238.2液沫夹带线248.3液相负荷下限线258.4液相负荷上限线268.5液泛线26第九章 精馏塔各接管尺寸的计算299.1接管299.2塔体总高度30第十章 辅助设备3210.1全凝器3210.2再沸器3310.3原料预热器33计算结果一览表34主要符号说明35参考文献37 摘 要乙醇-水是工业上最常用的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛用于化工、日化、医药等行业，长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于
3、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，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必要的。本次设计是针对乙醇-水体系而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。本次设计对筛板塔的工艺过程和结构进行了比较全面的设计，并对其他辅助设备如冷凝器、泵的选型进行了计算。通过本次对筛板精馏塔的设计，使我们初步掌握化工设计的基本原理和方法，培养了我们的独立思考，实事求是，综合运用所学知识解决实际问题的能力。关键词：乙醇-水；筛板精馏塔；工艺流程；操作条件第一章 绪论1.1课题背景精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多
4、次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域，并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是筛板塔。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油,化工,轻
5、工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法1.2 操作流程本次课程设计是分离乙醇水二元物系。乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升
6、蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。 1.筛板塔的操作弹性小，对物料的流量要求非常平稳精确，不利于实际生产中使用。 2. 筛板塔盘较浮阀塔盘的优点是结构简单抗堵，压降较小，造价便宜。 3. 筛板塔盘现在很少用了，比浮阀塔的效率低，操作弹性小。4. 筛板塔盘也有溢流堰和降液管。优点是结构简单，压降较小，造价便宜，抗堵性强。工科大学生应具有较高的综合能力，解决实际生产问题的能力，课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会，我们应充分利用这样的时机认真去对待每一项任务，为将来打下一个稳固的基础。而先进的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是我们所应坚持的设计方向和追求的目标。1.3课题条件一常压
7、操作的连续板式精馏塔（自选塔板类型）内分离乙醇-水混合物，间接蒸汽加热，生产时间为7200小时/年，塔顶易挥发组分回收率为99%,产品的质量要求见下表表1-1 产品质量要求处理能力/ty-1加热蒸汽： 低压蒸汽乙醇的组成（质量分数）/%原料乙醇的组成（质量分数）/% 塔顶产品塔顶易挥发组分回收率%200004593.599操作条件：1.塔顶压力：4KPa（表压）；2.进料热状态：自选；3.回流比：自选；4.单板压降：0.7 KPa；5.全塔效率:待算设计任务1、设备选型、设计方案的确定和流程说明；2、精馏塔的工艺计算：塔径、塔高、溢流装置、塔板的布置、升气道等的设计与排列； 3、流体力学性能的
8、验算；4、绘制塔板负荷性能图并结合流体力学验算进行调整；5、有关附属设备的计算选型； 6、编写设计说明书和设计结果概要或设计一览表，绘制主体设备工艺条件图。第二章 精馏塔的物料衡算2.1原料液及塔顶产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 2.3物料衡算原料处理量 总物料衡算 乙醇物料衡算 联立解得 第三章 塔板数的确定3.1理论板层数的求取乙醇-水属理想物系，可采用图解法求理论板层数。查手册得乙醇-水物系的气液平衡数据，绘出x-y图，求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图3-1中对角线上，自点作垂线即为进料线，图3-1 乙醇-水物
9、系的气液平衡图该点与平衡线的交点坐标为 故最小回流比为取操作回流比为求精馏塔的气液相负荷求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如图3-2所示。求解结果为图3-2 图解法求理论板数总理论板层数 （包括再沸器）进料板位置 精馏段的理论板数11 提馏段的理论板数33.2实际板层数的求取相对挥发度的计算： 得： 得： 得：精馏段相对挥发度：提馏段相对挥发度：粘度的计算见下第4章第3小节精馏段液相平均粘度为提馏段液相平均粘度为实际塔板数精馏段： 提馏段: 全塔所需实际塔板数：块全塔效率：加料板位置在第22块塔板第四章 精馏塔的工艺条件计算4.1操作压力及
10、温度计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 塔釜操作压力 提馏段平均压力 依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇，水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 塔釜温度 进料板温度 精馏段平均温度 提镏段平均温度 4.2平均摩尔质量及密度计算塔顶平均摩尔质量计算由,见图3-2得进料板平均摩尔质量 塔釜平均摩尔质量计算由,查平均曲线，见图3-2得精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量气相平均密度的计算由理想气体状态方程计算，即精馏段提溜段液相平均密度的计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相密度的计算由，查手册得 进料板液相平均密度的计算
11、由 进料板液相的质量分率精馏段液相平均密度为塔釜液相密度的计算由查手册得 提馏段液相平均密度为 4.3液体平均表面张力及粘度计算液体平均表面张力依下式计算塔顶液相平均表面张力的计算由，查手册得 进料板液相平均表面张力的计算由，查手册得 塔釜液相平均表面张力的计算由，查手册得 精馏段液相平均表面张力提馏段液相平均表面张力液相平均粘度依下式计算塔顶液相平均粘度的计算由 ，查手册得 解出进料板液相平均粘度的计算由，查手册得 解出塔釜液相平均粘度的计算由，查手册得 解出精馏段液相平均粘度为提馏段液相平均粘度为第五章 精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1塔径的计算精馏段的气液相体积流率为提馏段的气液相体积流率
12、为由式中C由公式计算，其中的C20由图5-1查取，图的横坐标为精馏段： 取板间距，板上液层高度，则图5-1斯密斯关联图取安全系数为0.7，则空塔气速为提馏段： 取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为塔截面积为精馏段实际空塔气速为提馏段实际空塔气速为5.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为提馏段有效高度为在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精馏段有效高度为第六章 塔板主要工艺尺寸的计算6.1溢流装置计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长取溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度为图6-1液流收缩系数计算图近似取，则精馏段 取板上清夜层高度 故提镏段
13、故弓形降液管高度和截面积图6-2 弓形降液管参数图 由查图6-2 故验算液体在降液管中的停留时间降液管合理故液管合理。降液管底隙高度精馏段取提馏段取则 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液面，深度。6.2塔板布置塔板的分块因.故塔板采用分块式。查表得塔板分为3块。边缘区宽度确定取，开孔区面积计算开孔区面积其中x=D/2-(Wd+Ws)=0.5-0.23=0.27m故筛孔计算以及排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距为筛孔数目为开孔率为精馏段气体通过孔阀的气速为提溜段气体通过孔阀的气速为第七章 筛板的流体力学验算7.1塔板压降干板阻力计算精馏段 图
14、7-1塔板孔流系数 由 ，查图7-1，得故 提馏段 由 ，查图7-1，得故 气体通过液层的阻力的计算精馏段 图7-2 充气系数关联图 查图7-2，得故液柱提馏段查图7-2，故液体表面张力的阻力计算精馏段液体表面张力产生的阻力由下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）提馏段液体表面张力产生的阻力由下式计算，即液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）7.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。7.3液沫夹带液沫夹带量由式5-24计算，
15、即 精馏段 故 液/气液/气提镏段 液/气6000Pa蒸汽速度/m/s122030505070因，故取出口气速，故查表取回流液管径冷凝器安装在塔顶时，冷凝器靠重力回流，一般流速为0.20.5m/s，速度太大，冷凝器的高度也相应增加。用泵回流时，速度可取1.52.5m/s。故取，则而 则 查标准系列取进料管径料液由高位槽进塔时，料液流速取0.40.8m/s。由泵输送时，流速1.52.5m/s，采用直管出料管。 取，则 而 则 查标准系列取釜液排除管径釜液流出的速度一般取0.51.0m/s取，则而 则 9.2塔体总高度 塔式板的塔高如图所示，塔体总高度（不包括裙座）由下式决定：式中塔顶空间，；塔底
16、空间，；塔板间距，； 开有人孔的塔板间距，；进料段高度，；人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。进料板数封头高度裙座高度塔顶空间塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常应大于板间距，通常取为（1.52.0）。若图塔高示意图需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间。即人孔数目 人口数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可每隔68块塔板设置一个人孔；对于易结垢，结焦的物系需经常清洗，则每隔46块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450600mm，其伸出塔体的筒体长为200250mm，人孔中心距操
17、作平台约8001200mm。设人孔处的板间距等于或大于600mm。塔底空间 塔底空间指塔内最下层塔板到塔底的间距。其值视具体情况而定：当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取35分钟，否则需有1015分钟的储量，以保证塔底料液不致留空。塔底产品量大时，塔底容量可取小些，停留时间可取35分钟；对易结焦的的物料，停留时间应更短些，一般取11.5分钟。进料板空间1.2m筒体（JB/T 4735-1997钢炼焊接常压容器）工作压力为0.10.2MPa，塔径D=1m，设计压力Pc=0.2MPa，壁厚计算公式其中塔径，mm设计压力，MPa焊接接头系数腐蚀余量，mm封头本设计采用椭圆型封头，
18、由于公称直径1m，查的曲面高度，厚度，直边高度，内表面经，容积，选用封头 JB1154-73.裙座的相其中取基础环的内外径与裙座截面内径的差为200mm考虑再沸器，裙座高度为13m。吊柱设计对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设计吊住，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊住。本设计中塔高度大，因此设计塔径，可选用吊住。，。材料为A3。第十章 辅助设备 10.1全凝器 全凝器的热负荷 式中，塔顶上升蒸汽摩尔流率，kmol/h 冷凝器的热负荷kJ/h 分别为乙醇、水的气化热 出料液温度：(饱和蒸汽）(饱和液体） 以循环水为冷却介质，冷却水入口温度,
19、出口温度 温度推动力： 由于是低粘度有机物和水的混合液，取总传热系数则 传热面积 代入数据 选型10.2再沸器再沸器的热负荷 式中，塔釜蒸汽摩尔流率， 再沸器的热负荷 分别为乙醇、水的气化潜热出料液温度：（饱和液体）（饱和蒸汽） 温度推动力： 由于是低粘度有机物和水的混合液，取总传热系数则传热面积: 设备选型10.3原料预热器原料预热温度：2583.10采用130过热饱和蒸汽加热平均温度：平均温度下查表得 取总传热系数：由： 得： 换热面积选型计算结果一览表项 目符 号单 位计 算 数 据精馏段提馏段各段平均压强112.65（绝压）122.45（绝压）各段平均温度80.8091.18平均流量液
20、相0.00070.0011气相0.7960.718实际塔板数块217板间距m0.40.4塔的有效高度Zm8.42.4塔径Dm11空塔气速um/s1.5821.582塔板溢流型式单溢流弓形降液管 分块式塔板溢流装置溢流管型式弓型堰高mm53.351堰长m0.70.7溢流堰宽度m0.150.15板上清液层高度mm6060孔径mm55孔间距tmm120120筛孔数目n个23972397开孔面积0.4670.467开孔率%10.110.1塔板压降644.397623.833降液管面积0.050880.05088液体在降液管停留时间s44降液管内清液层高度mm6060液相负荷下限线0.0005970.0
21、00597液相负荷上限线0.007690.00769操作弹性2.253.40主要符号说明符号意义SI单位F进料流量kmol/hD塔顶产品流量kmol/hW塔釜产品流量kmol/hx进料组成无因次V上升蒸汽流量kmol/sL下降液体流量kmol/s粘度mPas板效率无因次P压强Pat温度；R回流比无因次N塔板数无因次q进料状况参数无因次M分子量kg/kmol；C操作物系的负荷因子m/s密度kg/m3；表面张力mN/m；u空塔气速m/s；HT板间距m；hL板上液层高m；降液管低隙高度m停留时间SD塔径m；AT塔截面积m2；Af弓形降液管面积m2；g重力加速度N/kgWd弓型降液管宽度m；uo阀孔气
22、速m/s；Z塔高m；Aa鼓泡区面积m2；开孔率无因次压降Pa孔速m/s；n开孔数无因次F0动能因子无因次阻力因子无因次hW溢流高度m；堰上液层高度m；泛点率无因次L V料液的体积流率D进料管的直径m塔底空间高度m裙座高度m加料板及人孔所在板增加高度m塔顶空间高度m参考文献1.陈敏恒 化工原理（下）M. 北京：化学工业出版社，19892.王志魁. 化工原理 M. 北京：化学工业出版社，2004 3.贾绍义 化工原理课程设计M. 天津：天津大学出版社，2002 4.匡国柱谭天恩，窦梅，周明华. 化工原理(上、下册).化学工业出版社，20095.钟秦，陈迁乔，王娟，曲虹霞，马卫华.化工原理国防工业出版社，20096.匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社，20027.刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础.大连理工大学出版社，2006
