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1、化工原理课程设计化工原理课程设计题 目乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计（院） 系化工院专 业化学工程与工艺班 级2010级化工1班学生姓名 *学 号1006210117指导教师*目录一、化工原理课程设计任务书4二、塔板工艺设计62.1精馏塔全塔物料衡算62.2乙醇和水的物性参数计算62.2.1 温度72.2.2 密度82.2.3相对挥发度92.2.4混合物的黏度92.2.5混合液体的表面张力92.3塔板的计算102.3.1 q、 精馏段、提留段方程计算102.3.2理论塔板计算122.3.3实际塔板计算122.4操作压力的计算13三、 塔体的工艺尺寸计算133.1塔径的初步计算133.1.1气液
2、相体积流量计算133.1.2塔径计算133.2塔体有效高度的计算153.3精馏塔的塔高计算163.4溢流装置163.4.1堰长163.4.2溢流堰高度163.4.3弓形降液管宽度和截面积173.5塔板布置173.5.1塔板的分块173.5.2边缘区宽度的确定183.5.3开孔区面积计算183.5.4筛孔计算及其排列18四、 筛板的流体力学验算194.1塔板压降194.1.1干板阻力194.1.2气体通过液层的阻力194.1.3液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计）204.1.4气体通过每层板的压降204.2雾沫夹线214.3液沫夹带214.4漏液214.5液泛22五、 塔板负荷性能图225.1
3、漏液线225.2液沫夹带线235.3液相负荷下限线245.4液相负荷上限线255.5液泛线255.6图表汇总及负荷曲线图26六、 主要工艺接管尺寸的计算和选取28七、课程设计总结34八、 参考文献35一、化工原理课程设计任务书1.1设计题目分离乙醇一水筛板精馏塔的设计1.2原始数据及条件生产能力：年处理乙醇一水混合液2.6万吨/年（约为87吨/天）。原料：来自原料罐，温度20，乙醇含量为30%（质量分率，下同）。分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%。塔底乙醇含量不高于0. 05%。塔顶压力P=105KPa。进料状态为冷进料。塔釜为饱和蒸汽直接加热。1.3设计说明书内容1.设计任务。2.塔的工艺计
4、算：包括全塔物料恒算、塔底及塔顶温度、精馏段和提馏段气液负荷、塔顶冷凝去热负荷、冷却水用量、塔底再沸器热负荷、加热蒸汽用量、塔的理论板数、实际板数。3.塔的结构设计：包括塔高、塔径、降液管、溢流堰、开孔数及开孔率。4.塔板流体力学验算。5.塔板布置图、塔板负荷性能图。6.附属设备的设计：塔顶冷凝器、塔顶再沸器、进料接管、塔顶产品接管、塔底产品接管、塔顶蒸汽接管。7.计算塔的人孔或手孔开孔数目。8.撰写设备结果一览表。9.绘制精馏塔或冷凝器的设备图。10.设计感想、设计评价。11.参考文献。1.4设计时间安排1.6月24日6月28日：完成设计说明书中的1-4项。2.6月29日7月3日：完成设计说
5、明书5-8项。3.7月4日：完成设计说明书。4.7月5日7月7日：绘制精馏塔或冷凝器的设备图。1.5格式基本要求1.纸型：A4纸。2.页边距：上3.5cm，下2.5cm,左2.5cm,右2.5cm。3.页眉：2.5cm,页脚：2cm，上侧装订。4.字体：正文全部仿宋体、小四。5.行距：固定值22磅。6.包括封面、任务书、目录等，内容大概15-20页。 工艺流程图及说明首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开
6、了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇与水的分离。 冷凝器塔顶产品冷却器乙醇储罐乙醇 回流原料原料罐原料预热器精馏塔 回流 再沸器 塔底产品冷却器水的储罐水 二、塔板工艺设计2.1精馏塔全塔物料衡算乙醇
7、-水溶液中含乙醇 30% （质量分数下同），乙醇和水的相对摩尔质量分别为46kg/kmol和18kg/kmol。F:进料量(kmol/s) XF:原料组成D:塔顶产品流量(kmol/s)XD:塔顶组成W:塔底残液流量(kmol/s)XW:塔底组成原料甲醇组成：塔顶组成：塔底组成：2.2 平均摩尔质量 2.3 全塔物料衡算：依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，有：全塔物料衡算： 釜液处理量 ， 2.2乙醇和水的物性参数计算2.2.1 温度常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系温度T液相中乙醇的摩尔分率%气相中乙醇的摩尔分率%1000.000.0095.50.01900.170089.0
8、0.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23770.544582.30.26080.558081.60.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943根据表中数据可以求得 1. 2. 3. 2. 精馏段平均温度：3. 提留段平均温度：2.2.2 密度已知：混合液密度： 混合气密度：塔顶温度：气相组成：
9、进料温度：气相组成： 塔底温度：气相组成： （1） 精馏段液相组成：气相组成：所以 (2) 提留段液相组成：气相组成：所以 不同温度下一寸与水的密度表温度T，708090100110754.2742.3730.1717.4704.3977.8971.8965.3958.4951.6 所以 2.2.3相对挥发度 （1） 精馏段平均相对挥发度（2）提留段平均挥发度2.2.4混合物的黏度 查手册得 查手册得 （1） 精馏段黏度：（2） 提留段黏度：2.2.5混合液体的表面张力乙醇表面张力：温度，2030405060708090100110，m N/m22.321.220.419.818.81817.
10、1516.215.214.4水表面张力温度，020406080100，m N/m75.6472.7569.6066.2462.6758.91查物理化学手册可得水的表面张力的经验公式：所以可以求得，取表可以通过内插法算得,塔顶表面张力：， ， ， （1） 精馏段的平均表面张力：（2） 提馏段的平均表面张力：2.3塔板的计算2.3.1 q、 精馏段、提留段方程计算 泡点温度84.86平均温度：乙醇的摩尔热容乙醇的摩尔汽化焓水的摩尔热容水的汽化潜热平均汽化热对 不论q=1还是q=1.13 挟点均是切点。所以最小回流比一样，在x=0.和x=1.0之间拟合平衡曲线乙醇水平衡数据液相中乙醇的摩尔分数气相中
11、乙醇的摩尔分数液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.400.6140.040.2730.500.6570.060.340.600.6980.080.3920.700.7550.100.430.800.820.140.4820.8940.8940.180.1530.950.9420.200.5251.01.0计算得根据工艺要求取1.8精馏段方程：提留段方程：2.3.2理论塔板计算根据吉利兰关联图，已知对应 取13块板，精馏段7块，提留段5块（塔釜一块）2.3.3实际塔板计算实际塔板数：全塔效率：精馏段实际板数
12、为：提馏段实际板数为：（不包括再沸器）2.4操作压力的计算取每块板的压降为0.7KPa塔顶压强 进料板压强 塔底压强 精馏段平均压强 提馏段平均压强 3、 塔体的工艺尺寸计算3.1塔径的初步计算3.1.1气液相体积流量计算（1） 精馏段：质量流量： 体积流量： （2） 提留段：质量流量： 体积流量： 3.1.2塔径计算板式塔的塔径依据流量公式计算，即 式中 D 塔径m；Vs 塔内气体流量m3/s；u 空塔气速m/s。由上式可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 最大空塔气速umax可根据悬浮液滴
13、沉降原理导出，其结果为 式中 umax允许空塔气速，m/s；V，L分别为气相和液相的密度，kg/m3 ； C气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；图中的气体负荷参数C20仅适用于液体的表面张力为0.02N/m，若液体的表面张力为6N/m，则其气体负荷系数C可用下式求得： 所以，初步估算塔径为： 其中，u适宜的空塔速度，m/s。由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。图中 HT塔板间距，m；
14、hL板上液层高度，m；V ,L分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s； V，L 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 取 查图得m/s取安全系数0.7则空塔气速D=0.84m取 查图得取安全系数0.7则空塔气速D=0.75m精馏段与提留段相差不大，根据JB-1153-73圆整塔径取D=1m实际气速：精馏段，提留段3.2塔体有效高度的计算精馏段有效高度提馏段有效高度3.3精馏塔的塔高计算实际塔板数：选取每9层塔建立一个人孔，故人孔数为3个设人孔处的板间距;进料段高度：取取塔底停留时间为5min3.4溢流装置3.4.1堰长3.4.2溢流堰高度选用平直堰E近似取1计算得精馏段：提留段：3.4.3弓形
15、降液管宽度和截面积因为 查弓形降液管参数图得 故根据验算降液管内停留时间精馏段：提留段：故设计合理。3.4.4降液管底隙高度（1） 精馏段取降液管底隙的流速则（2） 提留段取降液管底隙的流速则3.5塔板布置3.5.1塔板的分块因为故塔板采用分块式。查塔板分块相关资料塔径14001400160016001800分块数334故分3块3.5.2边缘区宽度的确定取 3.5.3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算，即其中 故3.5.4筛孔计算及其排列由于乙醇和水物系无腐蚀性，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t为 筛孔数目n为开孔率为气体通过阀孔的速度精馏段：提留段：4、 筛板的流体力
16、学验算4.1塔板压降4.1.1干板阻力由查图故 精馏段： 提留段：4.1.2气体通过液层的阻力精馏段： 查充气系数关联图可知提留段： 查充气系数关联图可知4.1.3液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计）4.1.4气体通过每层板的压降精馏段： 提留段： 4.2雾沫夹带线已知泛点率取，即F=80.2%精馏段将代入整理得提馏段将代入整理得4.3液沫夹带精馏段：提留段：故设计符合要求4.4漏液筛板塔动能因子810，取9精馏段：提留段：稳定系数： 故本设计无明显液漏4.5液泛乙醇水体系不宜发泡，故安全系数取精馏段：提留段： 故本设计不会产生液泛。5、 塔板负荷性能图5.1漏液线推出精馏段：提留段：精馏段
17、0.00100.00080.00060.3860.3810.375提留段0.00100.00080.00060.4930.4870.4835.2液沫夹带线已为限，求精馏段： 提留段： 精馏段0.00100.00080.00061.3911.4081.424提留段0.00100.00080.00061.6621.6811.695.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷的标准。据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷下限线。5.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留的时间的下限，据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷上限线。5.5液泛线根据筛板流体力学验算过程液泛部分的计算
18、，可整理得带入相关数据得精馏段：提留段：精馏段0.00100.00080.00062.0042.0062.008提留段0.00100.00080.00062.5262.5392.5565.6图表汇总及负荷曲线图精馏段负荷线0.0010.00080.0006漏液线0.3860.3810.375液沫夹带线1.3911.4081.424液相负荷下限线0.00029液相负荷上限线0.0047液泛线2.0042.0062.008提留段负荷线0.0010.00080.0006漏液线0.4930.4870.483液沫夹带线1.6621.6811.69液相负荷下限线0.0003液相负荷上限线0.0046液泛线
19、2.5262.5392.5566主要工艺接管尺寸的计算和选取6.1 蒸汽出口管的管径计算由于是常压蒸馏，允许气速：12.0020.00m/s，本次设计选取15m/s圆整直径：6.2回流管的管径计算冷凝器安装在塔顶，一般流速为0.20.5故选取流速为0.4m/s圆整直径：6.3进料管的管径：取精料速度为2.00m/s进料体积流量：故圆整直径：6.4釜底排出管的管径计算取排出速度0.8m/s圆整直径：设计结果一览表序号项目符号单位计算结果精馏段提馏段1平均温度81.4692.342平均压力kPa101.5113.63平均流量气相m3/s0.000460.00134液相m3/s0.3430.4245
20、实际塔板数块12116塔的有效高度m10.810.87塔径m0.840.758板间距m0.40.49降液管形式弓形弓形10空塔气速m/s0.7930.89611溢流装置溢流管形式单溢流单溢流12溢流堰长度m0.650.6513溢流堰高度m0.0480.04214板上液层高度m0.060.0615堰上液层高度m0.0110.017 16安定区宽度m0.0650.06517开孔区面积m20.520.5218阀孔直径mm5519浮阀或筛孔个数个2669266920阀孔或筛孔气速m/s6.297.7721开孔率%10.110.122孔心距mm151523塔板压降kPa0.0290.02124液相负荷上
21、限m3/s0.00470.004625液相负荷下限m3/s0.000290.000326气相负荷上限m3/s1.351.4927气相负荷下限m3/s0.390.4928操作弹性3.063.11七、课程设计总结 通过本次课程设计，不仅使我们对化工专业知识有了更加深刻的和理解，也让我们更好地将懂得了学以致用，同时，对化工设计的基本步骤和方法有了很好的掌握，增强了我们解决问题、分析问题的能力，为以后的毕业设计和工作打下了坚实的基础。在设计的过程中，我们遇到了很多困难，知难而上，查阅各种资料、求助同学、请教老师,基于以上帮助与指导，我们很快找到了解决难题的办法。在本次设计中,组员的齐心协力和团结合作，
22、让我们更加坚信了团队的力量是无限的，通过我们的共同努力，按时完成了学习任务。在此，谢谢不辞辛苦、耐心指导我们的各位老师、给予帮助的同学、以及我们团队的组员，正是因为你们，才有了这难忘的大学时光。这次设计让我们明白了，一种严谨求实的态度，是做好一切工作的前提，它为我们以后的生活和工作留下了宝贵的经验。在设计的过程中，我们每个人也发现了各自的不足之处，知道了各自学习中的薄弱环节，但在通过大家的互相讨论和交流，我们有了更多的收获。总而言之，本次课程设计让我们获益匪浅，我们相信在以后的专业设计中我们会做的更好。参考文献化工原理第五版，陈敏恒，丛德滋等，化学工业出版社。物理化学第五版，天大版，高等教育出版社。分离过程与设备，高等教育出版社。化工物性数据手册（有机卷，无机卷）化学工业出版社。化学设备与工程 高等教育出版社。