乙醇-水板式精馏塔课程设计(44页).doc

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1、-华侨大学化工原理课程设计 题 目： 板式精馏塔的设计 姓 名： 池源斌 班 级： 2009级化学工程与工艺1班 学 号： 0926211003 指导老师： 赵鹏老师、黄昀昉老师 时 间： 2012年7月1日至7月14日 目录1、 绪论.32、 设计概况简介.33、 设计条件.33.1题目.33.2设计数据.33.3操作条件.34、工艺要求计算.34.1精馏塔的物料衡算.44.2温度的确定.44.3密度的确定.54.4混合液体表面张力.84.5操作压力的计算.104.6混合物得黏度.104.7相对挥发度的计算.114.8气液相体积流量计算.124.9理论板图解和逐板计算.174.10实际板数的

2、计算.195、 主体设备设计.195.1精馏塔的塔体工艺尺寸计算.195.2精馏塔的有效高度计算.215.3塔板主要工艺尺寸的计算.216、 筛板流体力学计算.236.1阻力的计算.236.2液面落差的计算.256.3液沫夹带.256.4漏液.276.5液泛.287、 塔板负荷性能图.297.1漏液线.307.2液沫夹带线.307.3液相负荷下限线.317.4液相负荷上限线.317.5液泛线.318、塔附件设计.348.1接管.348.2筒体与封头.368.3塔体总高度.389、 设计结果汇总表.3910、 参考文献.4111、 心得体会.421、 绪论化工原理课程设计是化工专业学生必修的一门

3、课程。化工原理课程设计是化工原理学习的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中还应培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。通过化工原理课程设计的训练，我们应该建立工程的思想，在解决实际问题的时候把问题做近似合理的简化，从而使问题得到解决。2、 设计概况简介在做课程设计的过程中，应当充分查找相关资料，其中基本物性数据的查找相当关键。在选取经验关联式的时候，应

4、该注意选取的关联式的适用范围。同时，在处理大量数据时，必须能够熟练的使用计算机。比如用计算的方法求取理论板数时，当计算量很大时，可以根据已经总结的相平衡经验关联式编写程序求解。当需要将方程联系求解时，通过计算机求解将相当方便（特别是当方程为隐式方程时，计算机就能体现其优势）。本课程设计在手工计算的基础上加入了化工软件的模拟，模拟结果显示能达到分离的要求，也证实了之前的计算是合理的。通过化工原理课程设计，也发现自己还欠缺很多方面的知识。比如CAD，ASPEN PLUS等软件不能熟练的应用。同时word排版方面的知识也很欠缺。3、设计条件3.1题目乙醇水物系连续精馏塔的设计3.2设计数据生产能力：

5、40000吨/年 生产天数330天原料：料液初温21料液质量百分数44%分离要求：产品质量百分数93% 残液质量百分数0.3%3.3操作条件A、 塔顶操作压强：常压；B、 采取4atm的饱和蒸汽间接加热；C、 回流比：自选；D、 泡点进料； E、设备形式：筛板塔；4、工艺要求计算4.1精馏塔的物料衡算通过全塔物料横算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。 将各个质量分数转化为摩尔分数 由物料衡算式可算出产品流量D和釜残液流量W 解得4.2温度的确定由化工工艺设计手册 上第二版2-379页数据见下表 表1 乙醇-水二组分气液平衡与温度的关系由内插法计算进料料液的温度： 解得塔

6、顶溜出液温度: 解得再沸器的温度: 解得精馏段平均温度:提馏段平均温度：4.3密度的确定 由化工原理课程设计（天大版）148页可知混合液体密度： 混合气体密度： 4.3.1精馏段计算精馏段平均液相组成： 解得精馏段平均气相组成： 解得所以 4.3.2提馏段计算提馏段平均液相组成： 解得提馏段平均气相组成： 解得所以 由化学化工物性数据手册 无机卷第3页查得水的密度随温度的组成由石油化工基础数据手册第495页查的乙醇密度对温度的组成表2 不同温度下乙醇和水的密度温度/ 乙醇密/kg/m3水密度/kg/m3温度/ 乙醇密度/kg/m3水密度/kg/m380735971.895720961.8585

7、730968.6100716958.495724965.3在精馏段对应的温度时，由内插法 解得 解得在提馏段对应的温度时，由内插法 解得 解得 精馏段解得提馏段：解得4.4混合液体表面张力由石油化工基础数据手册第93页二元有机物-水溶液表面张力计算公式： 其中：； ； ； ； ； ； ；各个符号的定义为：下标w、o、S分别直水，有机物及表面部分;指主体部分的分子分率；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，q为2。由化学化工物性数据手册（有机卷）第580页得表3 液体表面张力 温度/708090100乙醇表面张力/10-2N/m1817.1516.215.2水表面张力/10-

8、2N/m64.362.660.758.84.4.1精馏段的计算精馏段温度为80.47乙醇的表面张力： 解得水的表面张力： 解得联立方程 （注：运用LINGO软件直接求解）解得所以4.4.2提馏段的计算(计算方法和精馏段的一致，此过程中计算过程忽略)提馏段的温度为91.205 联立方程 （注：运用LINGO软件直接求解）解得4.5操作压力的计算单板压降0.7kPa；塔顶操作压力PD=101.3kPa；4.6混合物得黏度由石油化工基础数据手册第493页得下表表4 乙醇黏度-温度关系温度/8090100黏度/mPas0.4950.4060.361 表5 水黏度-温度关系温度/808182909192

9、93黏度/mPas0.35650.35210.34780.3165.031300.30950.3060 4.7相对挥发度的计算 4.8气液相体积流量计算泡点进料，；查化工工艺设计手册（上册 第二版）第2-379页得乙醇水溶液体系的平衡数据表6 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.

10、3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0有图1，过点做乙醇-水相平衡曲线的切线。由图得此切线的斜率为 塔顶相对挥发度的计算：采用图解法求取最小理论板数为12块。图形见附图。4.8.1最优回流比的确定查化学工程手册（第二版上卷）第13-56页得吉利兰经验关联图的关联式 其中：用计算机做数值解，得出回流比与理论板数的关系图2 回流比与理论板数的关系根据R与作图3 回流比R与

11、关系曲线由图形可知，当回流比R取2.65时，曲线出现极小值点。则回流比确定为2.65。4.8.2精馏段气液流量的计算4.9理论板图解和逐板计算 4.10实际板数的计算 5、主体设备设计5.1精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1.1塔径的计算5.1.1.1精馏段的计算 由板式塔设计设计第27页得史密斯关联图 图6 史密斯关联图由化工原理可知： 5.2精馏塔的有效高度计算5.3塔板主要工艺尺寸的计算5.3.1溢流装置在塔径小于2.2m时，选用单溢流方形降液管，采用凹形受液盘（可在低液量时形成良好的液封，有缓冲作用，对0.6m以上的塔适用）5.3.1.1堰长： 取5.3.1.2溢流堰的高度：选平直堰，由化

12、学工程师手册第884页，其中，E取1。5.3.1.3方形降液管宽度Wd和截面积由化学工程师手册第884页得方形降液管参数图图7 方形降液管截道面参数比例5.3.1.4降液管底隙高度 符合要求。5.3.1.5选用凹形受液盘：深度取（待定）5.3.2塔板的布置5.3.2.1塔板的布置：因为，所以采用分布式。5.3.2.2边缘区宽度的确定查化学工程师手册第883页，对于塔径小于1.5m的塔，取。对于小塔，。取。5.3.3开孔面积的计算查化学工程师手册第883页得5.3.4筛孔计算及排列物性无腐蚀，可选用。取筛孔直径。筛孔一般为正三角形排列，取孔中心距。6、 筛板的流体力学计算6.1阻力的计算6.1.

13、1干板阻力计算查化学工程师手册得查化工工艺设计手册（上册 第二版）第2-199页干筛孔的流量系数图图8 干筛孔的流量系数6.1.2气体通过液层的阻力查化学工程师手册第892页充气因子图图8 充气因子6.1.3液体表面张力及阻力的计算精馏段：查化学工程师手册第892页，液体表面张力产生的阻力：6.2液面落差的计算：对于筛板塔，液面落差很小，可以忽略液面落差的影响。6.3液沫夹带查化学工程师手册第891页：6.4漏液正常操作时，液体应横贯塔板，在与气体进行充分接触传质后流入降液管。但有少量液体会由筛孔漏下。这少量漏下的液体如同“短路”，传质不充分，故操作中应尽可能减少漏液。当液体流量一定，气体流量

14、降到一定程度时漏液量会明显增多。一般将漏液量明显增多时的空塔气速称为在该液体流量下的漏液点空速uom，由于人们对漏液点判别的定量指标不同，所以不同研究者提出的计算漏液点的经验式亦不同。当孔速低于漏液点气速时，大量液体从筛孔漏液，这将严重影响塔板效率。因此，漏液点气速为下限气速，筛孔漏液点气速按下式计算：其中精馏段：C20=0.7692 实际筛孔气速uo与漏液点筛孔气速uom之比称为稳定系数F，一般情况下，F值应大于1，宜在1.52.0以上，使塔的操作可有较大弹性。故在本设计精馏段中无明显漏液。提馏段：C20=0.7692 实际筛孔气速uo与漏液点筛孔气速uom之比称为稳定系数F，一般情况下，F

15、值应大于1，宜在1.52.0以上，使塔的操作可有较大弹性。故在本设计精馏段中无明显漏液。综上可见，本设计中无明显漏液。6.5液泛为了防止降液管液泛，应保证降液管内泡沫液层总高度不超过上层塔板的溢流堰顶，通常可通过求出的降液管内清液层高度Hd是否满足Hd（HT+hw）来进行验算，即Hd=hp+hw+how+hc（HT+hw）为降液管中泡沫层的相对密度。对于一般物系，=0.5；对于发泡严重的物系，=0.30.4；对于不易发泡的物系，=0.60.7。本设计方案中取=0.5。其中液体在降液管出口阻力：（1）、液体通过降压管损失因不设进口堰。所以： （2）、气体通过塔板间的压强降所相当的液柱高度hp=0

16、.06986m（3）、板上液层高度，前已选定hL=0.05m（4）、前面已定。则化工原理修订版下册，夏清编Hd= hp+hw+how+hc=0.06986+0.03975+0.01025+4.87710-4=0.1203m可见，符合防止降液管液泛要求7、 塔板负荷性能图7.1漏液线由，（为之前计算的开孔率）.7.2液沫夹带线以为限，求取关系精馏段：7.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上高度作为最小液体负荷标准（因为堰上液层高度太小，会造成液体在堰上分布不均，影响传质效果最小为6mm）。所以取E=1，则7.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留下限（由实践经验表明，液体的停留时间不应小于s）所

17、以由此可以做出与全流量无关的液体负荷上限线。7.5液泛线由联立解得因为在中所占的比例很小，在整体中可以忽略。将的关系式代入，整理得用计算机作图，可得精馏段和提馏段的性能负荷图。图9 精馏段的负荷性能图图10 提馏段的负荷性能图由图可知精馏段 。提馏段 8、塔附件的设计8.1接管查化学化工物性数据手册(无机卷）第3页表7 饱和水密度温度/7080859095水密度/977.81971.8968.6965.3961.9查化学化工物性数据手册(有机卷）第495页表8 乙醇密度温度/708090乙醇密度/7547357248.1.1进料管（本设计采用直流管进料），取。有设计要求可知，由内插法得水和乙醇

18、的密度。. 8.1.2回流管采取值回流管，取。 8.1.4塔顶蒸汽出料管选直管出气口气速为 8.2筒体与封头9.2.1筒体材质采用，查表在温度小于150时，许用应力为 单板压降为0.7，塔顶为101.3，进料板得压降为 Q235-B查化工机械设备基础第125页对于焊接接头，所以圆整后取5mm。8.2.2封头封头采用椭圆封头，封头厚度近似等于筒体厚度。所以筒体和封头可以采用同样厚度的钢板。公称直径8.2.3除沫器当空塔气速较大时，塔顶滞液现象严重，以及工艺过程中不允许出塔气体夹带雾滴的情况，设置除沫器，以减少液体夹带损失。确保气体纯度及后续设备的正常工作。常用的除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器

19、以及程流除沫器。本设计采用丝网除沫器。其具有表面积大，重量轻，空隙大以及使用方便等优点。采用上述除沫器，将除沫器设在人孔上面。比例系数通常取0.0851.0，本设计取k=0.2选用不锈钢除沫器，规格为700mm。8.2.4吊柱查化工工艺手册（第四版下）选取 质量为254kg，材料为A38.2.5人孔一般每隔1020层踏板设置一人孔，塔板数为37，本设计开人孔数3个，每个直径为450mm孔板间距为600mm。8.2.6裙座选取裙座直径为1600mm，开孔数为2个，直径为450mm开孔中心高度为H=900mm裙座高度取3m。8.2.7法兰由于常压操作，所有的法兰均采用标准管法兰。不同的公称直径采用

20、相应的法兰。8.3塔体总高度8.3.1塔顶空间高度指塔顶的第一层，塔盘到塔顶封头的直线距离。取除沫器第一块板的距离为600mm，塔顶部空间高度为1200mm。8.3.2塔的底部空间高度是指塔底最末层，塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5min。 9、设计结果汇总表序号项目数值及说明备注1塔径D/m1.42板间距HT/m0.43塔板数37不包括在再沸器和冷凝器4塔板形式单溢流弓形降液管分块式塔板5全塔效率效率45.95%7精馏段塔板数31不包括冷凝器8提馏段塔板数6不包括再沸器9空塔气速m/s精馏段1.430提馏段2.197310堰长lw/m0.9111溢流堰堰高hw/m精馏段0.039

21、75提馏段0.0368712清液层高度hL/m0.0513降液管宽度/m0.1708面积/m20.105614降液管底隙ho/m精馏段0.03375提馏段0.0308715边缘区宽度wc/m0.0416开孔面积As/m21.047617筛孔数n5391正三角形叉排18筛孔气速m/s精馏段16.94提馏段15.4019孔心距t/mm15指同一排的孔心距20板压降hp/m液柱精馏段0.06986提馏段0.0608921塔截面积AT/m21.5422降液管面积Af/m20.107823弓形降液管宽Wd/m0.170824板厚/mm2.525筛孔直径 m0.00526开孔率/%10.0827液沫夹带量

22、 ev/kg液沫/kg干气精馏段0.018提馏段0.012528降液管液层高度Hd/m精馏段0.120提馏段0.109629稳定系数K精馏段1.94提馏段1.5830液相负荷上限m3/s精馏段0.0056提馏段0.005631液相负荷下限m3/s精馏段0.000887提馏段0.00088732操作弹性精馏段3.04提馏段2.81 参考文献1 柴诚敬等编化工原理课程设计M天津科学技术出版社，19942 化学工程手册编委会编化学工程手册（第二版）M化学工业出版社，19963 卢焕章等编石油化工基础数据手册M化学工业出版社，19824 潘国昌等编化工设备设计M清华大学出版社，20015 娄爱娟，吴志

23、泉，吴叙美编化工设计M华东理工大学出版社，20026 贾绍义，柴诚敬编化工原理课程设计M天津大学出版社，20037 上海医药设计院化工工艺设计手册（上 下）M化学工业出版社，19988 伍钦，梁坤编板式精馏塔设计M化学工业出版社，2010 心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，他可以使气(或汽)或液液两相紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及

24、三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。因此，掌握精馏塔的基本设计是身为化工专业学生是十分重要的。本设计进行乙醇和水的分离，采用直径为1.4m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。该设计的优点：1耐腐蚀和不易阻塞，操用、调节、检修方便；结构简单、材料耗用量少，制造安装较容易；处理能力大，效率较高，压强较低，从而降低了操作费用；操作弹性较大。进行了整整两周的化工原理课程设计终于告一段落，对我自己而言两周的辛勤劳动是收获颇丰的。总结于下：1. 1.在做课程设计的过程中，运用了许多软件，例如word，excel等等，如果不使用这些辅助软件，我想课程设计将会是一个甬长且更加繁琐的过程。忽然发现一个好工程师应该知识渊博，因为很多学科