化工原理(精馏塔设计).docx

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1、成绩南京工程学院课程设计说明书（论文）题目乙醇一水连续精镭塔的设计课程名称化工原理院（系、部、中心） 康尼学院专业环境工程班级K环境091学生姓名 朱梦皓学号设计地点 文理楼A404指导教师 李乾军/乙醇外表张力22.321.220.4X 103/N/m水外表张力72.671.269.6X 10.VN/m19.818.81817. 116.215.2567.766.264.362.660.758.814.456.9塔顶因为t =81.48 D所决 90 -80 _ 81.48 -80。=17.01mN/m162-17? -17.15 乙乙o = 6232mN I m水90-80 _ 81.48

2、-8060.7 - 62.6 o -62.6水进料板因为t =104.5F所以110-100104.5-100-15.2 乙110-100 _ 104,5-10056.9-58.8 a -58.8水o = 14.84m/V/m乙o = 57.945mA/m水o = V X O mi/=1a =0.86x17.01+ （1-0.86）c62.32 = 23.35mN/m m （顶）a =0.191x14.81+ （1-0.191）x57.945 = 49.71 m/V/m m （进）那么精储段平均外表张力为。=23.35 + 49.71 = 36.53m/V/mm（精）2（六）液体黏度日LmA

3、A：lg|J = 乙醇的 A=686, 64 B=300. 88i T B塔顶和二686.64_ 686.64乙 273.1 + 81.48 300.88水的黏度90-8081.48-80m -35.65水pi = 0.451 mPa s乙pi = 0.350 mPa -s水进料板 IgN =686.64_ 686.64口 = 0.344 mPa - s乙 273.1 + 104.5 300.88乙n = 0.302 mPa -s水水的黏度 HOT。 = 104.510028.38-31.65 7K-31.65pi = V x 日Lm/=1口 = 0.86 x 0.451 + （1- 0.86

4、） x0.350 = 0.437 mPa - sL（顶）|i =0.344x0.191+ （1-0.191）x0.302 = 0.31mPQsL（进）那么精微段平均液相黏度为H0,437 + 0.31 = 0.37 mPa - sLm（精）2五、精储段气液负荷计算U =（R + 1）。=（3.23 + 1） x 30.94 = 130.88/cmo/ hV = 9一（精）_ = 0.993 /ss 3600P3600x1.38一（精）L = RD = 3.23 x 30.94 = 99.94/cmo/ hL = “Lm（精）.99.94 * 32.63 =o.ooug/ss 3600p3600

5、 x 794.77Lm（精）L =L - 3600 = 0.001 lx 3600 = 4.10m3/h h S六、塔和塔板主要工艺尺寸计算（一）塔径D参考表4-1,初选板间距H =0.45m,取板上液层高度力=0.07mTL表4-1板间距与塔径的关系塔径 D/m0. 3-0. 50. 50. 8板间距./顿200-300250350H -h = 0.45 - 0.07 = 0.38m T T0. 81.63004501.62.43506002. 44. 04006000.0026 y 826.63I 2.298 A 1.38 ）=0.0277图4-5 Sminth关联图查图4-5可知，C =

6、0.076,依照下式校正C 20。(39.26C = C ()0,2 = 0.076 X I = 0.08720 20I 20 Jr p一 P- 八 co, 1826.63 1.38 1 Q1 /u =C 二L乙=0.087J-= 1.81m/smax PV 1.381 V取平安系数为0.70,那么u = 0.70w=0.7 xl.81 = 1.267m/5故。二4 x2.298max=1.52m按标准，塔径圆整为1.6m, 4 Vx那么空塔气速 =c 4 2.298 =1.14m/5 一 a =兀 )2（二）溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。困

7、53塔板溢流类型型流“）单溢潦（c）双溢流（d）酰样式双用流1 .溢流堰长/WI 为 0.66D,即WI = 0.66 x1,6 =1.056mw2 .出口堰高万h = h -hw L ow9.36由 / /O= 1.22/1.85=0.66 ， L 112.5 = 8.17W1 ,0562.5E5图4-9液流收缩系数计算图查图4-9,知E =1.2.84 E（乙节 2.84 , （ 9.36 ! nndO贝Ijz? = 【=x1x 3 = 0.012m。卬 WOO T） WOO 1,056）w故 h =0.07-0.012 = 0.058m w3管滴宽度W与降液管滴面积A d/由/ / D

8、= 0.66 w0.30.40.30.23 51讣 0,085 O 06 0.050.040,030.020.01 I I ,1 I0,4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 .0图4-11弓形降液管的宽度和面积查图 4-11,得/。= 0.124 ， A IA = 0.0722 df T故班=0.124 x1,6 =0.198m d兀A = 0.0722 x D 2= 0.145m2 f4由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即A H9 = f f = 25.1 5 （符合要求）L 0.0026 S4.降液管底隙高度/?取液体通过降液管底隙得流速u = 0.08m Is

9、,依下式计算降液管底隙高 0度h0h = s =。.。26= 0.031 m0。25m（符合要求）。/ u 1.056 x 0.08 x 3600W 0（三）塔板布置W = 0.085ms，.取边缘区宽度勿=0.06m,安定区宽度 C2.依下式计算开孔区面积A a 兀X / =2xF2- x 2 +R 2sin-i 0.5171“180R 71=2 0.517V0.742-0.5172 +一x 0.742 sm-i1 = 1.39m 2L1800.74 J其中 x = 2 + W ) =2 - (0.198 + 0.085) = 0.517mc 2ds 2D1 aR =勿=-0.06 = 0.

10、74m2 c 2图4-8塔板结构参数其中：h出口堰高 w底隙高度h 堰上液层高度OWh降液管Oh进口堰与降液管的水平距离hf 进口堰高1W中清液层高度H板间距T14/弓形降液管高度 dW 无效周边高度14/ 安定区宽度CSH降液管 d/堰长D塔径R鼓泡区半径鼓泡区宽度的1/2 t同一横排的阀孔中心距（单位均为m）（四）筛孔数n与开孔率（p取筛孔的孔径d =6mm,正三角形排列，一般碳钢的板厚3 = 取 ot / d = 3，o故孔中心距3x6= 18mm图59筛孔的正三角形排列依下式计算塔板上的筛孔数n,即=CxL39 = 4955 孔 n = Aa 依下式计算塔板上的开孔区的开孔率（P，即q

11、 =4 %= 0.907 % = / 0.907、=10.1% （在 5%15%范围内）才 （t/d）2U006/IQ 7 0/0.018每层塔板上的开孔面积A为4 =（M =0.101x1.39 = 0.140392 0QV 2.298气体通过筛孔的气速 u = -= 16.37m/s。Ao（五）塔有效高度Z （精偏段）z =（明青一1）“7=（43 -1）X 0.45 = 18.9m（六）塔高计算七、筛板的流体力学验算（一）气体通过筛板压强降的液柱高度万P依式 h =h +h + h p e / O1.干板压强降相当的液柱高度力c依 d / 5 = 6 / 3 = 2图4-13干筛孔的流量

12、系数查图 4-13, C =0.76 Oh _0,051( uo )2(fj _0.05lf16-37Yf 1,38 1_0.04mc - 丁 F 1076 八 826.63 J O L2气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度勺V2.298U -$=f- 1.23/77 / S0 -二43,14x(o,8 -0,145T fF = u Jp- = 1.23x J1.38 = 1.44 a c? * V00,4 0.8 1.2 1 .6 2.0 2.4 2.8图4-14充气系数关系图由图4-14查取板上液层充气系数为0.6o依右式 h = p/? = P(6 + h )= 0.6 x 0.07 =

13、0.042m /LW OW3.克服液体外表张力压强降相当的液柱高度人依式(4-41) h = 4。=4 x 39.26 x10 3 = 0o p gd 826.63x9.81x0.006 L o故h =h +h +h = 0.040 + 0.042 + 0.00323 = 0.08523p e l (5单板压强降 AP =hP g = 0.08523 x 826.63 x 9.81 =0.690. 7kPa (设计 P P L允许值)(二)雾沫夹带量。的验算V依式(4-41)5.7 x10-6 u5.7 x10-61.23e =( a )3.2 =()3.2， C H -hT f=0.018k

14、g夜/kg气 15u 8.77 OW故在设计负荷下不会产生过量漏液。(四)液泛的验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度“( +h )o dT Wh = 0.153( Ls )2= 0.153(0.08)2= 0,00098mdI -hw oH =h +h +h = 0.08523 + 0.07 + 0.0009 =0,156m d P L d取= 0.5,那么(H +h ) = 0.5x(0.45 + 0.058) = 0.254m T W故” u=那么代人式漏液点气速式:L W OW53 OW AOu = 4.4C J(0.0056 +0.13/2 -/?)p /pOW0 *L

15、(J L V = 4.4x 0.76, 0.0056 + 0.13(0.058 + 0.6433L J) -0.00323O14前已算出为0.14m2,代入上式并整理，得 ov = 11.4J0.00991+0.0836Lts,mins此即气相负荷下限关系式，在操作范围内任取n个L值，依(4)式计算S相应得，值。S40.6x10-41.5x10-33.0x10-34.5x10-3m3 Is1. 141.201.231.26m3 1s74VSjnoix2Vs,min024681012LsxlJm7s将以上5条线标绘于图4-24 （V -L图）中，即为精微段负荷性能图。5SS条线包围区域为精储段塔

16、板操作区，P为操作点，0P为操作线。0P线与线的交点相应气相负荷为V， 0P线与气象负荷下限线（4）的交点相应s ,max气相负荷为VOs,min其中 P（L , v）即（3.7X10-3, 33.3）SS可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。精储段的操作弹性=口心=咨_= 3. 38V 1. 13s, min九、筛板塔的工艺设计计算结果总表筛板塔的工艺计算结果汇总见表10序号工程数值1平均温度tm, 92. 992平均压力Pm, kPa120. 353气相流量Vs, (m3/s)2.2984液相流量Ls, (m3/s)0. 00265实际塔板数536有效段高度Z, m23. 75

17、7塔径，m1.68板间距，m0. 459溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，m1.05612堰高，m0. 05813板上液层高度，m0.0714堰上液层高度，m0.01215降液管底隙高度，m0. 03116安定区宽度，m0. 08517边缘区宽度，m0. 0618开孔区面积，m21.3919筛孔直径，m0. 00620孔中心距，m0.01821筛孔数目495522开孔率，%10. 123空塔气速，m/s1.2324筛孔气速，m/s16. 3725稳定系数1.8726每层塔板压降，Pa69127负荷上限液沫夹带控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带eV, (kg液/kg气)0.01830气

18、相负荷上限，m3/s3. 8231气相负荷下限，m3/s1. 1332操作弹性3. 38十、精储塔的附属设备及接管尺寸选列管式原料预热器，强制循环式列管全凝器，列管式塔顶及塔底产品冷却器，热虹吸式再沸器。第三章总结两个周的化工原理课程设计已经圆满结束。在此感谢我们的指导老师李乾军老师对我们悉心的指导，感谢同学给 予我的帮助。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体工程、课题 相结合设计的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得 了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量 的以前没有学到过的知识，所以我们就上网，图书馆找资料。在查阅资料的 过程中，

19、我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力 也得到了很好的锻炼。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发 现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。验算的时 候只要一个不合格，那么必须全部重来，不断的改正，不断地吸取教训，才 能不断的进步，得到最终的设计成果。通过该课程设计，全面系统的理解了精福塔的一般原理和基本实现方 法。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的精 得塔的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己设计的精储塔表示出 来，加深了对理论知识的理解。以前对与精储塔认识是模糊的，概念上的，现在通过自己动手做实验，从实践上认识了精储

20、塔是如何运行的，各个部件之间的关系，对精储塔原理的认识更加深刻。课程 设计中程序比拟复杂。在这次课程设计中，我就是按照实验指导的思想来完成。加深了理解 精微塔的内部功能及内部实现，培养实践动手能力。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，而且 大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成 功时的喜悦。虽然这个设计还存在一些瑕疵，但是在设计过程中所学到的 东西是这次课程设计的最大收获和财富，结果固然重要，但过程才是最让人受益匪浅的。参考文献(1)化工传递与单元操作课程设计。贾绍义，柴诚敬。天津大学出版社, 2002o(2)化工原理。陈迁乔，王娟，曲虹霞，马卫华

21、。国防工业出版社，2007。(3)化工过程及设备设计。华南理工大学出版社，1986。(4)化工设计。王静廉，黄璐。天津大学出版社，1989。(5)化工原理。谭天恩，麦本熙，丁惠华。化学工业出版社，1992。乙醇一一水连续精福塔的设计第一章绪论一、目的:通过课程设计进一步巩固课本所学的内容，培养学生运用所学理论知识进 行化工单元过程设计的初步能力，使所学的知识系统化，通过本次设计，应了 解设计的内容，方法及步骤，使学生具有调节技术资料，自行确定设计方案， 进行设计计算，并绘制设备条件图、编写设计说明书。在常压连续精微塔中精储别离含乙醇25%的乙醇一水混合液，别离后塔顶 偏出液中含乙醇量不小于94

22、%,塔底釜液中含乙醇不高于0.1%（均为质量分数）。二、参数：（1）设计任务 进料乙醇X = 30 % （质量分数，下同） 生产能力Q = 100t/d 塔顶产品组成 94 % 塔底产品组成 0. 1 %（2）操作条件 操作压强：常压 精储塔塔顶压强：Z二3 KPa 进料热状态：泡点进料 回流比：自定待测 冷却水：20 加热蒸汽：低压蒸汽，0.2 MPa 单板压强：W 0.7 全塔效率：ET = 52 % 建厂地址：南京地区 塔顶为全凝器，中间泡点进料，筛板式连续精储三、设计内容:（1）设计方案确实定及流程说明（2）塔的工艺计算（3）塔和塔板主要工艺尺寸的计算（a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的

23、确定；b、塔板的流体力学验算；c、塔板的负荷性能图）（4）设计结果概要或设计一览表（5）精储塔工艺条件图（6）对本设计的评论或有关问题的分析讨论第二章课程设计报告内容一、精储流程确实定乙醇、水混合料液经原料预热器加热至泡点后，送入精偏塔。塔顶上升蒸汽 采用全凝器冷凝后，一局部作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至 贮槽。塔釜采用间接蒸汽向沸热器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。二、塔的物料衡算（一）料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数30/46= 0.14430/46 + 70/1894/4694/46 + 6/18= 0.86x -1/460.0004勿 0.1/46 + 99.9/18（二

24、）平均摩尔质量M =0.144x46 + (1-0.144)x18 = 22.03kg / kmol FM = 0.86 x 46 + (1- 0.86) x18 = 42.08。/ kmol d1Mw= 0.0004 x 46 + (1 - 0,0004) x18 = 18.01kg / kmol（三）物料衡算易挥发组分物料衡算xD + xW = xFDwF日生产能力Y-100吨F= m = 100*1000 =i89.149mo/?Mf-T 22.03x24联立以上三式得F = 189.14/cmo/?D = 30.94/cmo/ / hW = 58.2kmol I h总物料衡算D+W=F

25、三、塔板数确实定（一）理论塔板数N的求取T乙醇、水属理想物系，可采用M.T.图解法求N1 .根据乙醇、水的气液平衡数据作y-x图附表乙醇一水气液平衡数据液相中乙醇的摩尔分数气相中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. 1750.40.6140. 040. 2730. 50. 6570. 060. 340.60. 6980. 080. 3920.70. 7550. 10. 430.80. 820. 140. 4820. 8940. 8940. 180.5130. 950. 9420.20.

26、5251.01.0图：乙醇一水的y-x图及图解理论板2 .乙醇一水体系的平衡曲线有下凹局部，求最小回流比自a （x ）作 2 D,平衡线的切线并延长与y轴相交，截距= 0,273R +1min即 R =2.15min取操作回流比 R = L5R =1.5x2.15 = 3.23 min精储塔的气液相负荷 L=LD=3. 23*30. 94=99. 94V=（R+l）D=130. 88L =L+F=288. 93V =V=130. 88故精储段操作线方程R + XDR + l R + l即）= 0.764x+0.203提储段操作线方程厂即 y=2.21X -0. 0053.作图法求理论塔板数N得

27、TN =20.5层（包括再沸器）。其中精储段理论板数为18层,提留段为2.5 T层（包括再沸器），第18层为加料板。（二）全塔效率ETE =52%（三）实际塔板数N18精储段N = = 35层精 0.52提留段N =_ = 5层提 0.52四、塔的工艺条件及物性数据计算以精储段为例进行计算（一）操作压强Pm塔顶压力 P =3+101.3 = 104.3/cPqD取每层塔板压强降尸=0.7kPa那么进料板压强 P = 104.3 + 43x 0,7 = 134.4/cPaF精储段平均操作压强P = 1043 +134.4 = 9.35妙。m 2（二）温度tm依据操作压力，通过方程试差法计算出泡点

28、温度，其中水、乙醇的饱和蒸 汽压由安托尼方程计算。方程为。=口0乂 + poxA A B B式中：X 一溶液中组分的摩尔分数；p溶液上方的总压，Pa；P0一同温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa。（下标A表示易挥发组分，B表 示难挥发组分） 安托因方程为lg p。=4- -T+ C式中：po在温度为T 口寸的饱和蒸汽压，mmHgT温度，A, B, C一Antoine常数，其值见下表。附表 Antoine常数组分ABC乙醇8.044961554. 3222. 65水7.966811668.21228计算结果如下:塔顶温度1554 31 fifift公式：10 &4颉t+222.65 X0.133x 0

29、.86 + 10796681-t+228 x 0.133 x 0.14 =105.33t =81.48 D进料板温度1554.31668.21公式：108.。4496t+222.65 . x 0.133 x 0.0644 +107-96681-t+228 X0.133x 0.9356 = 135.4t =104.5 F那么精微段平均温度t = 81.48+ 104.5 = 92 99 M 2(三)平均摩尔质量M m塔顶x =j/ =0.86,查平衡曲线得 D 1Xl=0.854M = 0.86 x 46 + (1 - 0.86) x18 = 42.08% / kmol VDmM = 0.854

30、 x 46 + (1 - 0.854) x18 = 41,912/ / kmol LDm进料板 即查气液平衡曲线，可得y =0.524 x =0.191 FFM = 0.524 x 46 + (1-0.524) x 18 = 32.672kg / kmol VDmM = 0.191x 46 + (1 - 0.191)x18 = 23.348kg Ikmol LDm那么精微段平均摩尔质量：42.08+32.672M = 37.736修 / kmolVm(W241.912 + 23.3487M = 32,63矽 / kmolLm(精)2(四)平均密度pm1 .液体密度P Lm附表乙醇与水的密度温度

31、/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3 795785777765755746735730716水密度/kg/ni3998.2 995.7 992.2 988. 1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4703951.0：1/p =a/p +a/p (a为质量分数) Lm A LA B LB塔顶因为t =81,48D所以 90- 80 _ 81.48-80730 - 735 -P -735乙90-80_8L48-80965.3 -971.8 P -971.8 水10.940.06=+P 734.26 970.84LmDp =134 26kgim3乙

32、p =970.84kg/m3水P=745.16kg/ m3LmD进料板由加料板液相组成X = 0.191Aa _0.191x464 0.191x46 + (1-0.191)x18= 0.38因为t =104.5F所以 110 100 _ 104.5 100i 703 716 p 716乙p5kgim3乙110-100 _ 104.5-100951.0-958.4 - p -958.4 水p = 955.01kg / m3水P =844.38kg/m3710.15 955.071LmF故精储段平均液相密度p=-(745.16 + 844.38) = 794Tlkglm3Lm(精)22 ,气相密度

33、pmVp MP= rm Vm =Vm(精)RT120.35x 37,7638.314 x(92.99 +273.15)lA9kg /m3（五）液体外表张力am附表乙醇与水的外表张力温度2030405060708090100110依表中数据在V -L图中做出雾沫夹带线（1）,如图4-24所示。S S（二）液泛线（2）H+h ) = h +h +h +hdT W P W OW d(*)近彳以取 E1.0, / = 1.056m wg /c l/3600L 2/3600L,2 h = 2.84x10-3 E(-)3 = 2.84x10-3 (-)3owI1.056w故h = 0.6433L -OWs

34、3(c) h = h + h +h P c 1 Oh =0.051(。)2 (P ) = 0.051(、)2 P-cC PC A PO L0 o LVs 1.38=0.051()2= 0.00748 IZ 20.76x0.20 826.63sh =s (h +h )= 0.6xf0.058 + 0.6433L 2- 0.0348 + 0.3859L z3 Io10 w ows )* sh = 0.00323 (已算出)(5依表中数据做出液泛线（2）,如图4-24中线（2）所示。（三）液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为5s,列于下表中，依附表中数据作气相负荷下限线（4）,如图4-24中线（4） 所示。（五）液相负荷下限线（5）取平堰、堰上液层高度，h =0.006m作为液相负荷下限条件，依下式计OW算，取 Fl.O,那么 h = 0.6433LOW0.006 = 0.6433L 2s3整 理 上 式 得L =9x10 A-4m3/ss,min（5）依此值在U-L图上作线（5）即为液相负荷下限线，如图7所示。S S