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1、前言化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。本次课程设计为年产3.3万吨乙醇浮阀精馏塔设计，塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。乙醇水是工业上最常见的溶剂，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，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已很多城市的公交、出租车行业内被用作燃
2、料。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。在设计过
3、程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。2010年7月6日前言1第一章 ：设计方案的确定31.1 塔型选择31.2.设计依据41.2.1塔板类型：41.2.2操作压力：41.2.3进料状态：31.2.4加热方式：31.2.5热能利用方式：51.2.6回流方式：5第二章 浮阀精馏塔工艺计算
4、32.1工艺计算物料性质32.2 精馏塔的物料衡算62.2.1 全塔物料衡算62.3 操作线方程确定32.3.1 精馏段操作线方程32.4 理论塔板数的确定（图解法）32.5 实际塔板数确定112.5.1 计算塔板总效率112.6、塔及塔板主要工艺尺寸的计算132.6.1 设计中所用参数的确定132.6.2 初选塔板间距172.6.3 塔径的计算（以精馏段数据为准)172.6.4 塔径的圆整192.6.5 溢流装置与流体流型32.6.6塔板设计 24第三章板式塔的结构与附属设备33.1 塔体结构33.1.1 塔顶空间33.1.2 塔底空间33.1.3 人孔33.1.4 塔高33.2 塔板结构3
5、参考文献：3设计结果统计：34致 谢3第一章 ：设计方案的确定1.1 塔型选择根据生产任务，若按年工作日330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，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率。故选用浮阀塔。 1.2.设计依据1.2.1塔板类型：浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，而且操作弹性大，操作灵活，板间压降小，液面落差小, 浮阀的运动具有去污作用，不容易积垢堵塞，操作周期长，结构简单，容易安装，操作费用较小，其制造费用仅为泡罩塔的60%80%；又由于F1型浮阀塔结构简单，制造方便，节省材料，性能良好；另外轻阀压降虽小，但操作稳定性差，低气速
6、时易漏液。综上所述，选择F1型重阀浮阀塔。1.2.2操作压力： 对于乙醇水体系，在常压下已经是液态，且乙醇水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。综上所述，选择常压操作。1.2.3进料状态： 进料状态有五种，如果选择泡点进料，即q=1时，操作比较容易控制，且不受季节气温的影响，此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，设计和制造时比较方便。故本设计选用泡点进料。1.2.4加热方式： 蒸馏釜的加热方式通
7、常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。直接蒸汽加热只能用于塔底产物基本是水，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加，成本增加。故采用间接加热。1.2.5热能利用方式： 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量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。1.2.6回流方式： 泡点回流易于控制,设计和控制时比较方便,而且可以节约能源。第二章 浮阀精馏塔工艺计算2.1工
8、艺计算物料性质 1、文献，整理有关物性数据（1） 水和乙醇的物理性质物质 性质 分子式摩尔质量（）乙醇C2H50H46.07水H2018.01表2.1、设计参数物性表2.2 精馏塔的物料衡算2.2.1 全塔物料衡算设备处理能力为3.3万吨/年，每年按330天计算，每天24小时连续运转。单位转换为：故原料液流量以（）为单位：进料液组成： 出料液组成：釜残液组成塔顶的平均摩尔质量：原料液处理量： 故,由全塔物料衡算知：代入数据为：解得： , , .全塔物料衡算数据如下：F414.71kmol/h0.2069D101.84kmol/h0.8182W372.87kmol/h0.007923表2-2全塔
9、物料衡算数据2.3 操作线方程确定2.3.1 精馏段操作线方程2.3.1.1 最小回流比Rmin及操作回流比R的确定1、确定最小回流比Rmin由气液平衡相图可知： 由公式，知:2、选择适当回流比R（1）、塔顶挥发度的确定aD:求解塔顶相对挥发度因为,则查气液平衡相图，查得根据公式：代入数据 得：（2）、塔底挥发度的确定aW:由 查气液平衡相图，查得 根据公式：代入数据 得：（3）、全塔平均相对挥发度am全塔平均相对挥发度采用公式计算，得：2.3.1.2计算最小理论板数由公式：代入数据，得：图解法确定实际操作回流比随机选取R=(1.1-2.0)Rmin,即R1=1.1Rmin、R2=1.2Rmi
10、n、R3=1.3Rmin、R4=1.4Rmin、R5=1.5Rmin、R6=1.6Rmin、R7=1.7Rmin、R8=1.8Rmin 、R9=1.9Rmin。、R10=2.0Rmin；当R1=1.1Rmin()2-1吉利兰图查吉利兰图，得:得： 同理,求得 R2=1.878、N2=10.1563R3=2.0345、N3=9.2212,R4=2.191、N4=8.6091,R5=2.3475、N5=8.0614,R6=2.504、N6=7.5583,R7=2.6605、N7=7.25,R8=2.817、N8=7.117,R9=2.974、N9=6.9764,R10=3.13、N10=6.708
11、9;做N-R图找到最佳回流比，如图估算实际回流比为：1 .精馏段操作线方程的确定精馏段操作线方程： 因 代入数据得： 故，精馏段操作线方程为：2 提馏段操作线方程的确定 本设计为泡点进料，故进料热状况参数 且， 由已知得： 因 提馏段操作线方程为 将以上数据代入上式得提馏端操作线方程为：2.4 理论塔板数的确定（图解法）参见附图1，可知理论塔板数为12（含再沸器）！,第10块板为进料板。2.5 实际塔板数确定2.5.1 计算塔板总效率1、操作平均温度下的粘度根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得： 塔顶： 塔底: 塔顶和塔底的算术平均温度：由化工原理上册（天津大学出版社，夏青 陈常贵）书中附录7
12、查得，在87.83下，根据公式：得：2、求算全塔操作温度tm下的相对挥发度由于，查气液平衡相图，得：根据公式：得：3、利用奥康奈尔关联式计算塔板总效率根据公式：得：4、计算实际塔板数根据公式：得： 则实际塔板数为29块。2.6、塔及塔板主要工艺尺寸的计算2.6.1 设计中所用参数的确定2.6.1.1 定性温度的确定定性温度分为精馏段定性温度和提留段定性温度两个参数 已知： 又由由化工原理上册（天津大学出版社，夏青 陈常贵） 得进料液温度： 则：精馏段平均温度提馏段平均温度2.6.1.2精馏段参数（1）平均组成精馏段平均温度，参考气液平衡相图可确定精馏段的平均气液相组成，（2）精馏段气液相体积流
13、率及密度的确定 即： 即：（3）精馏段液液相体积流率及密度的确定已知，查表知,则：并且：得：精馏段液液相体积流率为：即： （4） 精馏段液体表面张力的确定 塔顶温度tD=78.27C，由化工原理上册（天津大学出版社，夏青 陈常贵）书中附录7查得 2.6.1.3提馏段参数 （1）平均组成，参考气液平衡相图可确定提馏段的平均气液相组成：，(2) 提馏段气液相体积流率及密度的确定 即： 即：得：精馏段液液相体积流率为即： （4） 精馏段液体表面张力的确定 进料 查得， 2.6.1.3提馏段参数 （1）平均组成，参考气液平衡相图可确定提馏段的平均气液相组成：，(2) 提馏段气液相体积流率及密度的确定
14、即： 即：(3) 提馏段液液相体积流率及密度的确定已知，查表知,则：并且：得：提馏段液液相体积流率为即：2.6.2 初选塔板间距塔板间距HT的选定很重要，它的塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性、以及塔的安装、检修都有关塔径Dr，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-4.0板间距HT,mm200-300250-350300-450450-600400-600表2-3塔径与塔间距的关系初步选定 。2.6.3 塔径的计算（以精馏段数据为准)2.6.3.1 计算负荷系数C选定，且知，故： 查史密斯关联图， 2-4 Smith关联图可知：又知，,从而，算出：2.6.
15、3.2 计算计算空塔气速u因为：即，得到：选择2.6.3.3 计算塔径D 故，第一部选定的塔板间距在范围之内，可用。2.6.4 塔径的圆整选用直径为1600mm的标准塔径。2.6.4.1 计算空塔气速2.6.4.2 校核安全系数 ,故，圆整后的塔径可用。重新选用1600mm作为标准塔径进行上述步骤结果得安全，可以使用。2.6.5 溢流装置与流体流型板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管及受液盘，本设计采用单流型具有弓形降液管塔板的溢流装置，单流型，液体流径较长，板面利用好，塔板结构简单，直径是在2.2m以下的塔径普遍采用此型。而方形降液管能充分利用塔内空间，提供较大降液面积及两相分离空间。降液管有
16、圆形和弓形两种。2.6.5.1 溢流堰设计计算为维持培板上有一定高度的流动液层，必须设置溢流装置。溢流装置的设计包括堰长lW、堰高hW、堰上液层高度hOW、截面积Ar、降液管底隙高度h0、弓形降液管宽度Wd、降液管中清液层高度Hd、进口堰的高度hW与降液管间的水平地离h1等。溢流堰 为维持塔板上一定高度的均匀流动液层，一般采用平直流堰（出口堰）。（1）堰长lW堰长lw=（0.60.8）D，且：所以：，堰长初步设计合理。（2） 堰上液层高采用平直堰，堰上液层高度高可按计算。取 2-5 液流收缩系数计算图 （3）堰高hW前面步骤中已选取，故，根据公式：得到：2降液管A、降液管宽度Wd和面积Af弓形
17、降液管的宽度与截面积可根据堰长与塔径的比值查图得到。2-6弓形降液管参数图 通过塔径D可计算得到塔截面积综合以上步骤，得：B、液体在降液管中的停留时间根据公式：得：C、降液管底隙高度降液管底隙高度即降液管下端与塔板间的距离，以表示。为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为：=2、受液盘及进口堰本设计采用凹形受液盘。不设置进口堰。2.6.6塔板设计2.6.6.1 塔板布置塔板因为D=1600mm,故塔板采用分块式，查表得，塔板分为4块。 塔板分块数塔径/mm8001200140016001800200022002400塔板分块数3456表2-4塔径与板数的关系塔板的板面一般分四部分，即：
18、无效区（边缘区）、安定区、开孔区（鼓泡区）、溢流区。（1）无效区 在靠近塔壁的塔板部分需要留出圈边缘区域或供支撑塔板的边梁之用，称之为无效区。其宽度:（2）安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区，其作用为使自降液管流出液体在塔板上均匀分布并防止液体夹带泡沫进入降液管。其宽度为：（3）溢流区溢流区面积 （4）开孔区 为布置筛孔，浮阀等部件的有交叉传质区，亦称鼓泡区。塔板上的鼓泡面积为：其中：得：2.6.6.2 浮阀塔的开孔率和阀孔排列1、阀孔孔径 选用F1型浮阀的孔径为39mm.2、浮阀数目每层塔板上浮阀数：浮阀全开时的阀孔气速，阀孔临界气速 气阀临界动能因素取阀孔动能因子则： 在常压操
19、作条件时， 且： 代入，得浮阀数目为：3、浮阀塔板的开孔率4、阀孔的排列 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一排的孔心距t=75mm=0.075m，通过下式，计算h： 选用h=65mm。按t=75mm，h=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数188个5、核算阀孔动能因素及开孔率按N=104重新核算孔速及阀孔动能因数：; 阀孔动能因数F0，符合要求 塔板开孔率 ,在之间，符合要求.2.6.6.3 浮阀塔板的液体力学校验1、气体通过浮阀塔板的压强降A、干板压降hc 因为：则，可知：，阀全开。根据公式，干板压力为：B、板上充气液层阻力计算板上充气液层阻力一般以经验公式计算 充气因数因本设计
20、液相为水，故取充气系数则：C、液体表面张力所造成的阻力此阻力很小忽略不计。因此，气体通过浮阀塔板的压强降为： 得：液泛为了使液体能由上层塔板稳定的流入下层塔板，降液管必须维持一定高度的液柱。降液管内的清液及高度Hd用来克服相邻两塔板的压强降。板上液层阻力和液体流过降液管的阻力。A、计算与流体流过降液管的压强降相当的液柱高度由于板上不设置进口堰，故：流体流过降液管的压强降相当的液柱高度将算得的数据代入公式，得：为防止液泛发生，应保证降液管中当量清液层高度不超过上层塔板的出口堰，为此应使：选用，并且，可见,符合防止淹塔的要求。2、 雾沫夹带 通常，用操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值作为
21、估算雾沫夹带的指标，此比值称为泛点率在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带达到规定指标，即ev0.1 kg（液）/kg（气）。大塔 泛点率80%直径0.9 m以下的塔 泛点率70%减压塔 泛点率75% 板上液体流经长度板上液体面积 物性系数K为常数 乙醇和水按正常系统取物性系数K=1.0，由泛点负荷系数图:查得则：故泛点率65.58%泛点率在80以下，故知雾沫夹带量能达到规定指标。4、漏液取阀孔动能因数作为控制漏液流量的操作下限。此时漏液量接近10%2.6.6.4 塔板复合性能图当塔板的各项结构参数均已确定后，应将极限条件下的关系标绘在直角坐标系中，从而得到塔板的适宜气液相操作范围，此即塔
22、板的负荷性能图。负荷性能图由以下五条线组成。1、雾沫夹带上限线当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量将过大，使效率严重下降，塔板适宜操作区应在雾沫夹带线以下。对常压，塔径大于900mm的大塔，泛点率=80%为其雾沫夹带上限，则：则据：代入数据，得雾沫夹带上限线：2液泛线 指降液管内泡沫层允许达到最大值时的关系塔板的适宜操作区操作区应在此线以下，否则将会发生液泛，使塔不能正常工作。时， 即：(HT+hw)= 由上式确定液泛线，忽略h项，液泛线方程为：其中：则：3液相负荷上限线当降液管尺寸一定时，若液体流量超过某一限度使液体在降液管的停留时间过短，则其中气泡来不及释放就被带入下一层塔板，造成气相返混，降
23、低塔板效率。以作为液体在降液管中停留时间的下限，则：4漏液线气相负荷下限线对于F1型重阀，当F=5-6时，泄漏量接近10%为确定气相负荷下限的依据，依据 计算：5液相负荷下限线为保证板上液流分布均匀，提高气液接触效果，取堰上液层上高度how=0.006m作为液相负荷下限条件由于，可以推出：精馏段操作性能符合图 在塔德操作液气比下，作出操作线OP操作线OP与负荷性能图交点的气相负荷与之比，称作操作弹性。 由 则： 2.6.6.5 板式塔的结构 1、塔体结构（1） 塔顶空间：H（2） 塔底空间：H第三章板式塔的结构与附属设备3.1 塔体结构板式塔内装有塔板、降液管、各物料的进出口管及人孔（手孔）、
24、基座、除沫器等附属设备。3.1.1 塔顶空间塔顶空间指最上层与塔顶的空间距离。此不段要高于板间距，或根据除沫器要求高度决定。3.1.2 塔底空间塔底空间是指塔内最下层板到塔底间距。塔径为1.6米，为大塔，取2.5m3.1.3 人孔每隔6到8层设一人孔，直径为450mm，伸出塔体的筒长为200mm，设6个人孔3.1.4 塔高H=(n-1)+式中H塔高，m；n实际塔板数；进料板数；人孔数；进板处间距, m；塔顶空间, m；塔底空间, m 故:H=18.25m3.2 塔板结构由于直径为1.2m,故塔板分3块塔径800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数3456表
25、2.5 塔板分块数参考文献：参考文献：1化工原理课程设计 化工原理教研室室选编2 谭蔚，聂清德化工设备设计基础天津大学出版社2008. 3 陈国桓化工机械基础化学工业出版社2006.14 夏清陈常贵化工原理（上）天津大学出版社2006.35 夏清陈常贵化工原理（下）天津大学出版社2006.36 中国石化 化工工艺设计手册(第三版) 化学工业出版社2003.7设计结果统计： 项目数值塔径D/m1.6板间距HT/m0.45板上液层高度hL/m0.05精馏塔塔速u/(ms-1)1.43溢流堰长度lW/m096精馏段溢流堰高度hw/m0.04降液管截面积Af/m20.136降液管高度Wd/m0.21精
26、馏段降液管底隙高度h0/m0.028浮阀数N/个（等边三角形叉排）188开孔率 %11.2%精馏段实际动能因数F05精馏段阀孔气速u0/(ms-1)12.81孔阀中心距t/m0.075精馏段塔板压降 hp/m0.065精馏段液体在降液管内的停留时间/s24.92精馏段降液管内的清液高度Hd/m0.11486精馏段气相负荷下限1.02精馏段液相负荷下限0.01003液相负荷上限0.00981精馏段操作弹性3.01表2-6设计结果统计致 谢为期两周的课程设计在今天画上了句号。我首先要向我的代课老师赫文秀老师表示深深的谢意！感谢她在我的课程学习期间，在学习上对我的谆谆教诲和悉心指导， 、帮助。我的课
27、程设计的完成，至始至终都凝聚着老师心血。老师在工作中所形成的兢兢业业的敬业精神、认真求实的治学态度和严谨系统的科学理念，我将永远铭刻在心。我还要感谢给予我大量帮助的老师们，以及我的同学。感谢在大学三年期间的代课老师，感谢他们在我这大学三年里来对我的谆谆教诲和帮助。还要感谢与我一起的同学。与你们平时对一些问题的探讨和交流让我开拓了思路，也让我在课程设计时非常轻松，愉快。 感谢内蒙古科技大学，是您的培养才使我学到了丰富的知识。感谢化学与化工学院，为我们提供了良好的设计教室和画图工具。我还要特别感谢我的父母、姐妹对我无私的支持和理解，他们是我最坚强的后盾，正是他们的关心和爱护，使我能有机会在这里安心地学习 。最后，再次向所有帮助过我的老师、同学、朋友衷心地说声“谢谢”。
