化工原理课程设计说明书学霸加强版酒精连续精馏塔的设计.docx

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1、设计者指导老师专业名称所在学院提交日期分类号学校代号UDC密级学号化工原理课程设计酒精连续精馏塔的设计食 品 科 学 与 工 程 酒精连续精馏板式塔的设计目 录第一局部 设计任务书41.1 题目41.2 原始数据41.3 任务41.4 作业份量4其次局部 工艺流程图流程方案的说明与论证52.1 工艺流程图52.2 设计方案确实定62.3 方案的说明6第三局部 设计计算与论证73.1 工艺条件和物性参数计算71) 物料衡算,求最小回流比,适宜回流比,理论塔板数72) 计算全塔效率并算出实际塔板数73) 塔的工艺条件及物料数据计算83.2 塔的主要工艺尺寸计算131) 计算塔径132) 溢流装置设

2、计133) 塔板布置及浮阀数目与排列153.3 浮阀塔板的流体力学验算181) 气相通过浮阀塔板的压强降182)淹塔183)雾沫夹带193.4 塔板负荷性能图201) 雾沫夹带线202) 漏液线203) 液相负荷上限204) 液相负荷下限205) 液泛线216) 作出负荷性能图213.5 塔的关心设备设计221) 预热器222) 冷却器233) 全凝器244) 全凝器的校核245) 进料泵256) 冷却水泵253.6 主要接收尺寸计算261) 进料管262) 回流管263) 釜液出口管264) 塔顶蒸汽管272 酒精连续精馏板式塔的设计5) 塔釜蒸汽管273.7 塔总体构造281) 塔封头确实

3、定282) 塔壁厚283)塔高283.8 塔具体构造设计293.9 鼓泡管设计303.10 除沫器的选择30第五局部 设计心得32第六局部 参考资料33第七局部 附录347.1 VB 程序界面及运行结果341)界面342)运行结果357.2 VB 程序源代码363 酒精连续精馏板式塔的设计第一局部 设计任务书1.1 题目酒精连续精馏板式塔的设计1.2 原始数据1) 乙醇水混合物，含乙醇 33质量，温度 330C;2) 产品：馏出液含乙醇 92质量，温度 350C;3) 生产力量：日产酒精指馏出液36000kg;4) 热源条件：加热蒸汽为饱和蒸汽，其确定压强为 3.6kgf/cm2; 0.294

4、5) 釜底液浓度 0.04质量1.3 任务1) 确定精馏的流程，绘出流程图，标明所需的设备、管线及其有关观测或掌握所必需的仪表和装置。2) 精馏塔的工艺设计和构造设计：选定塔板型，确定塔径、塔高及进料板的位置：选择塔板的构造型式、确定塔板的构造尺寸；进展塔板流体力学的计算包括塔板压降、淹塔的校核及雾沫夹带量的校核等。3) 作出塔的操作性能图、计算其操作弹性。4) 确定与塔身相连的各种管路的直径。5) 计算全塔装置所用蒸汽量和冷却水用量，确定每个换热器的传热面积并进展选型，假设承受直接蒸汽加热，需确定蒸汽鼓泡管的形式和尺寸。6) 其它。1.4 作业份量1) 设计说明书一份，说明书内容见化工过程及

5、设备设计的绪论，其中设计说明结果概要一项具体内容包括：塔板数、塔高、塔径、板间距、回流比蒸汽上升速度、热交换面积、单位产品热交换面积、蒸汽用量、单位产品蒸汽用量、冷却水用量、单位产品冷却水用量、操作压强、附属设备的规格、型号及数量等。2) 塔装配图1 号图纸；塔板构造草图；工艺流程图4 酒精连续精馏板式塔的设计其次局部 工艺流程图流程方案的说明与论证2.1 工艺流程图5 酒精连续精馏板式塔的设计2.2 设计方案确实定1) 塔板类型：选用 F1 型重阀浮阀塔.浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，而且操作弹性大，操作敏捷，板间压降小，液面落差小, 浮阀的运动具有去污作用，不简洁积垢赌塞，操作周期长，

6、结够简洁简洁安装，操作费用较小，又由于轻阀泄漏量大，故承受重阀。2) 操作压力：常压精馏对于酒精水体系，在常压下已经是液态，且不是热敏性物质，所以选用常压精馏。由于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，我们选择常压操作。3) 进料状态：泡点进料泡点进料的操作简洁掌握，而且不受季节的影响；另外泡点进料时精馏段和提馏段塔径一样，设计和掌握比较便利。4) 加热方式：承受直接蒸汽加热直接蒸汽加热只能用于塔底产物根本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，

7、这样就适用于酒精水体系。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热，塔釜只需要安装鼓泡管，可以节约设备费用和操作费用，满足经济上的要求。5) 回流方式：泡点回流泡点回流易于掌握,设计和掌握时比较便利,而且可以节约能源.6) 热能的利用：塔釜残液作为原料预热热源。2.3 方案的说明本流程承受直接蒸汽加热，使用 25水作为冷却剂，通入全凝器和冷却器对塔顶蒸汽进展冷凝和冷却。从预热器、全凝器、冷却器出来的液体温度分别在 50-60、35和 35左右，可以用于民用热澡水系统或输往锅炉制备热蒸汽重复利用。料液先通过离心泵送往高位槽，再通过阀门和转子流量计掌握流量使其满足工艺要求。该精馏塔利用高温的

8、釜液与进料液作热交换，以同时完成进料液的预热和釜液的冷却，经过热量与物料衡算，设想合理。釜液完全可以把进料液加热到泡点，且釜液排出时的温度约为 35，可用与其他用途，即使直接排放也不会造成热污染。用此方法加热的好处：热能损失少；加热蒸汽用量少；釜液热能得到回收利用；不用再沸器削减设备费用等。本设计在塔顶安装除沫器，削减雾沫夹带提高产品质量。设计的封头承受蝶型，虽塔径为 800mm，担忧装人孔，6 酒精连续精馏板式塔的设计第三局部 设计计算与论证3.1 工艺条件和物性参数计算1) 物料衡算,求最小回流比,适宜回流比,理论塔板数承受 VB 程序运算得出,现列出结果如下: D=12023Kg/day

9、=14.062kmol/h依据物料衡算和 VB 程序得出F=93.526kmol/h W=79.464 kmol/h原料液 x =0.12643F馏出液 x =0.83868D釜残液 x =0.0003915W最小回流比 R 1.7min取回流比为 3.0理论塔板数为 22 块(包括再沸器)：精馏段 17 块，提馏段 5块，加料板为第 18 块2) 计算全塔效率并算出实际塔板数a. 计算平均相对挥发度和平均粘度塔顶：x =0.83868 时，y =0.84838DDt 78.34 C ,挥发度a11.0756, m11= 0.46mPa s查传质与分离工程P351进料：x =0.12643 时

10、，y 0.4711依据 x，用内FFt 85.38 C ,挥发度a26.1544, m22= 0.42mPa s差法求得 y，t用公式塔釜：x =0.0003915 时，y 0.00357Wwa =y(1 - x)x(1 - y)7 酒精连续精馏板式塔的设计求算挥发度查流体力学t 99.99 C (由于考虑到实际状况常用 103 C )3与传热P257挥发度a9.1831, m33= 0.32mPa s液体年度共线图求粘度平均相对挥发度：3 a1a2 a33 1.0756 6.1544 9.1831a=m平均粘度：3m m12 m33 0.46 0.42 0.32m=mb. 计算全塔效率E =

11、0.49(a m l) -0.245Tlc. 计算实际塔板数= 3.9320= 0.4mPa s=0.49 (3.9320 0.4)-0.245 = 0.4385N =N 1/E 22-1/0.4385=47.89pTT精馏段：N =P/0.4385=17/0.4385=38.771提馏段：N =N -N2p1取实际总板数 Np=48 块板，精馏段板数取39 块，进料板在第40 块3) 塔的工艺条件及物料数据计算a.操作压强 Pm承受常压精馏。塔顶压强： P2D= 101.3KPa ，取每层压强降为DP = 0.5KPa塔底压强： PW= P+ DP 48 = 101.3 + 0.5 48 =

12、 125.3KPaD进料板压强： PF= P+ DP 39 = 101.3 + 0.5 39 = 120.8KPaD全塔平均操作压强：P+ P101.3 + 125.3P= DW =m22= 113.3KPa精馏段平均操作压强：P+ P101.3 + 120.8P= DF =m22P+ P= 111.1KPa120.8 + 125.3提馏段平均压强： Pm= FW=22= 123.1KPab. 温度8 酒精连续精馏板式塔的设计塔顶： tD= 78.34 C进料板： tF= 85.38 C塔釜： t= 103 CWt+ t78.34 + 103全塔平均温度： t=mD 2 W=2= 90.67

13、Ct+ t78.34 + 85.38精馏段平均温度： tm= DF =22= 81.86 C提馏段平均温度： tmc. 平均分子量 塔顶第一块板：= t F + tW2= 85.38 + 1032= 94.19 Cy =x =0.83868,查表得 x = 0.82561D1气相 MVDM= 0.83684610.838681841.4830 g / mol液 相 M= 0.8256 46 1 0.8256 18 L D M进料板：x =0.12643,查表得 y 0.471141.1168 g / molFF气 相 M= 0.4711 46 1 0.4711 18 V D M31.1908

14、g / mol液相 M塔釜：LDM= 0.126434610.126431821.5400 g / molx 0.0003915,查表得 y 0.00357W气相 M液相 MVDMLDMW= 0.003574610.003571818.1000 g / mol= 0.00039154610.0003915189 酒精连续精馏板式塔的设计8.0109 g / mol精馏段平均分子量：M= (41.4830+31.1908)/ 2=36.3369 g / molVMM=(41.1168+21.5400)/2=31.3284 g / molLM提馏段平均分子量：M= (31.1908+18.1000

15、)/224.6454 g / molVMM=(21.5400+18.0109)/2=19.7755 g / molLMd. 平均密度液相：物理化学试验P162 表 6 用内差法查纯塔顶： t178.34 C 查得r水(液)0.9728 g / cm3液体密度r(液)0.754 g / cm3乙醇r= 0.83868 0.754 1 0.83868 0.9728 L10.7893 g / cm3 =789.3 kg / m3进料： t= 85.38C 查得r(液)0.9681 g / cm32水r(液)0.755 g / cm3乙醇r= 0.12643 0.755 1 0.12643 0.968

16、1 L20.941 g / cm3 =941 kg / m3查化工原理上册 P335 查塔釜： t3= 103C查得r水(液)958.4 kg / m3水的密度r= 0.0003915010.0003915958.4958 kg / m3L3精馏段液相平均密度：789.3+941/2=865.2 kg / m3提馏段液相平均密度：941+958/2=949.5 kg / m3气相：化工原理上册 P337 查饱和水蒸汽密度化工原理实塔顶： r=V 1MVDmVDm41 .483=273 + 78 .34= 1.439022 .4 273验P144 表 2 查乙醇蒸汽的密度10 酒精连续精馏板式塔

17、的设计M进料板： r=VFmV 2VFmM=31.1908= 1.0607 273+ 85.38kg / m322.4 27318 .1000塔釜： r=V 3VWmVWm=273 + 103= 0.5914kg / m322 .4 273精馏段气相平均密度：1.4390+1.0607/2=1.2499 kg / m3提馏段气相平均密度：1.0607+0.5914/2=0.8261 kg / m3e. 外表张力塔顶： t178.34 C 查得ss62.90 mN/m水17.3 mN/m化工原理上册 P335 查水的外表张力乙醇s= 0.8386817.310.8386862.9024.656m

18、N/m1P355 查乙醇的外表张力进料： t2= 85.38C 查得ss61.60 mN/m水15 mN/m乙醇s0.126431510.1264361.6055.708 mN/m2塔釜： t3= 103C查得ss58.23 mN/m水15.2 mN/m乙醇s= 0.000391515.2(10.000391558.23358.213 mN/m 精馏段平均外表张力： s ( 精)=(24.656+55.708)/2=40.18 mN/m提馏段平均外表张力： s ( 提)=(55.708+58.213)/2=56.96mN/mf. 气液负荷计算精馏段：V= ( R + 1) D = (3 + 1

19、) 14 .062= 56 .248 kmol/ h=VMV Vm精rVm= 56 .248 36 .33691 .2499 3600= 0.45423m3 / sL = RD = 3 14 .062 = 42 .186 kmol / h11 酒精连续精馏板式塔的设计LML=Lm精rLm42.186 31.3284= 0.00042877m3 / s1.54359m3 / h 856.2 3600提馏段:LmL= (L + F )M=提rLm(42 .186 + 93 .5262 ) 24.6454 949 .5 3600= 0.000978 m 3 / s= 3.52257 m 3 / hV

20、=VMVm提r= 56 .248 19 .77550 .8261 3600= 0 .37402m 3 / sVmg. 综合数据：相关参数塔顶进料板塔釜液相浓度 (摩尔分0.838680.126430.0003915率)气相浓度 (摩尔分率)0.84830.47110.00357温 度 ( 摄 氏 度78.3485.38103t )气 相 密 度 Kg/ m3 1.43901.06070.5914液相密度 Kg/789.3941958m3 外表张力mN/m24.65655.70858.213液体粘度mPa/s0.460.420.32相对挥发度 a1.07566.15449.1831气相平均分子量

21、41.483031.190818.1000Mv液相平均分子量41.116821.540018.0109Ml相关参数精馏段提馏段液相平均密度Kg/ m3865.2949.5气相平均密度Kg/ m31.24990.8261液相平均流量m3/s0.000428770.000978气相平均流量m3/s0.454230.37402平均外表张力mN/m40.1856.9612 酒精连续精馏板式塔的设计3.2 塔的主要工艺尺寸计算1) 计算塔径1a. 求空塔气速 u化工过程及设 备 设 计 L r0.00042877 865.2 2P131式 4 1(1) L = 2= 0.02483523V V r0.4

22、54231.2499 (2) 初选板间距 H =0.35m，板上液层厚度 h =0.06mTLH -h =0.35-0.06=0.29mTL(3) 查 Smith 图,得C= 0.06020C = C s0.2= 0.060 40.18 0.2= 0.069020 20 20865.2 - 1.24991.2499(4) 求空塔气速rLm- rrVmVmu= Cmax= 0.0690= 1.814m / su=(安全系数)umax安全系数为 0.60.8，取安全系数为 0.6则u = 0.6 1.814 = 1.088m / sb. 求塔径 D，4 0.45423p 1.088化工原理下4Vp

23、usD = 0.729m册P157圆整：取 D=0.8m;pp塔的截面积： AT= 4 D 2 =4 0.82 = 0.5027m 2Vs实际空塔气速： u = p0.45423=p= 0.9037m / s2) 溢流装置设计主要符号说明D 20.82符号l意义与单位堰长 m符号hwlh堰高，mhn意义与单位塔板上的液层高度，m齿深 mmwh堰上液体高度，m阀孔直径，mowd04413 酒精连续精馏板式塔的设计符号W意义与单位弓形降液管宽度,m符号意义与单位Ad塔截面积,m 2H塔板间距,mTD塔径,mTWW塔板上人口安定区宽度,m塔板上边缘区宽度,mW降液管宽度,msdU阀孔气速,m/sc0

24、气体的阀孔动能因F 0Vs气体体积流率,m 3 /s子,kg 0.5 /s*m 0.5 t阀孔中心距，mA f开孔鼓泡区面积,m 2A 0阀孔总面积,m 2选用单溢流,弓形降液管,不设进口堰,平形受液盘以及平形溢流堰。a. 堰长lw堰长l=(0.60.8)Dw取堰长lw=0.6D=0.60.8=0.48mb. 出口堰高hw（1） 液流收缩系数 E：取 E=1（2） 堰上液层高度：22.84 L 32.841.54359 23h= 1000E l h =1= 0.00619mow10000.48w（3） 堰高： hw= h- hLow= 0.06 - 0.00619 = 0.054m依据 0.1

25、 how h 0.05 hwow，验算：0.10.006190.0540.050.00619 是成立的。故h0.00619mhoww=0.054mc. 弓形降液管高度Wd及降液管面积 Af14 酒精连续精馏板式塔的设计由于 lw= 0 .6 ，DW所以 dDA= 0.11，fAT= 0.055 。由于 AT= 0.5027m2 ，所以 Af= 0.055Af= 0.055 0.5027 = 0.02765m2 。由于 D = 0.8m ，所以W= 0.11D = 0.11 0.8 = 0.088m 。dd. 验算液体在降液管中停留时间A H0.02765 0.35q =fT =Ls0.0004

26、2877= 22.57s保存时间 (3-5)s，故降液管适用。e. 降液管底隙高度ho取液体通过降液管底隙的高度 uo为 0.13m/s。h= how- 0.006 = 0.054 - 0.006 = 0.048m满足不少于 2025mm，符合要求。3) 塔板布置及浮阀数目与排列a.塔板布置由于塔径 D=800mm，可以承受整块板式塔板当 D1.5m 时，WS=6075mm溢流堰入口安定区：WS=60mm=0.06m入口堰后的安定区：W ” =60mm=0.06mS小塔的Wc可选 3050mm,大塔可选 5075mm边缘区宽度(无效区)Wc=40mm0.04m降液管宽度：Wd=88mm=0.0

27、88mb.浮阀孔的数目及孔间距对于 F1 型浮阀重阀，当板上浮阀刚刚全开时，动能因数F 在 912 之间，故在此范围取得适宜的 F =100015 酒精连续精馏板式塔的设计F10rv1.2499阀孔气速： u= O=o= 8.945m / s每层塔板浮阀数：VN = ps=4 0.45423p 0.0392 8.945= 42.51d 2 u400计算鼓泡区面积：R 2 - X 2pX aA= 2 X+1800R 2 sin -1R X = D2- (wd+ w ) = 0.8 / 2 - (0.088 + 0.06) = 0.252msR = D - w2c= 0.8 / 2 - 0.04

28、= 0.36m所以 Aa= 0.331m2VuA=0.45423/8.945=0.0507800孔心距t = d0= 0.039= 0.095m0.907 AaA00.907 0.3310.05078取 h=0.09m=90mm浮阀排列方式承受正三角形叉型排列,如图：实际排得 N=45 个验算：Vpu=s=0d 2 N4 0.4542345p 0.0392= 8.45m / s4016 酒精连续精馏板式塔的设计F =8.450=9.45 阀孔能动系数仍在 912 之间1.2499u0.9037开孔率：=u08.45= 10.69%开孔率在 4%15%之间17 酒精连续精馏板式塔的设计3.3 浮

29、阀塔板的流体力学验算1) 气相通过浮阀塔板的压强降h= hpc+ h+ hnbDP = DP +DP +DPpClsa. 干板阻力73 .173 .1u= 1.825ocrv= 1.8251.2499= 9.2948 m / su= 8.45m / s u= 9.2948m / s0oc19.9u 0.175h=0crv= 19.9 8.450.175865.2= 0.03375mb. 板上充气液层阻力取e= 0.50h= ehl0l= 0.5 0.06 = 0.03mc. 液体外表张力所造成的阻力一般很小，完全可以无视。所以 hp= h + hlc= 0.03 + 0.03375 = 0.0

30、638mr单板压强降Dp= h r g =0.0638*9.81*865.2=541.51Papl2) 淹塔需 要 控 制 的 降 液 管 液 面 高 度H fH+ h ，且有 Hd= h+ h + hplddTw液体通过塔板的压降所相当的液拄高度 hp=0.0638ml2 0.00042877 2h= 0.153s= 0.153= 0.00005299mdl hw0 0.48 0.048 板上液层高度 h =0.06ml所以降液管液面高度 Hd=0.1239m由于乙醇水的物系不易起泡，取f = 0.5fHT+ h =0.6*0.35+0.054=0.202mw18 酒精连续精馏板式塔的设计由

31、于 Hd=0.12390.202,所以设计结果符合要求。3) 雾沫夹带查表得：C =0.101F由于酒精水系统为无泡沫系统，K=1板上液流面积：A= AbT- 2 Af= 0.5027 - 2 0.02765= 0.4474 m 2Vrvsr- rlv泛点率 =0.78 KCAFT 100 %0.454231.2499=865 .2 - 1.24990.78 1 0.101 0.5027 100 % = 43 .62 % 70 %对于直径小于 0.9m 的塔，为了避开雾沫夹带，应掌握泛点率不超过 70。以上计算泛点率在 70以下，故雾沫夹带量满足 e 0.1Kg液/Kg气v19 酒精连续精馏板

32、式塔的设计3.4 塔板负荷性能图vrsr - rlv+ 1.36l Zslv1) 雾沫夹带线化工原理P166按泛点率=KCAFb，对于肯定的物系及肯定的塔板构造，式中 p , pvl, A ,CbZF ,L, K 均为值。相应于ev 0.1的泛点率上限值亦可确定，将各数据代入上式，使得出 V L 的关系式，依据此可做出负荷性能图中ss的雾沫夹带线。Vrsr - rlv+ 1.36l Zslv按泛点率=70%，计算如下：kcAFb=70%又由于板上液体流经长度：Z= D - 2WLd= 0.80 - 2 0.088 = 0.624m将各数据代入得雾沫夹带线：V 0.586817.5203Lss2

33、) 漏液线对于 F1 型重阀，取 F= UOO= 5 则PV化工原理下册o4rOVV=s minp d 2 N F= p 0.0392 45 5= 0.2404m3 / sP167,171,17241.24993) 液相负荷上限最大流量应保证降液管中液体停留时间不少于 3-5 秒q = A H/ LfTs 3 5s化工原理下册 P172L= 0.03465 0.35 / 5 = 0.0024255m3 / ss max4) 液相负荷下限取堰上液层高度 h =0.006m 作为液相负荷的下限oWw该线为与气相流量无关的竖直线。22.843600(L )31000 Esmax lw= 0.00620 酒精连续精馏板式塔的设计取 E=1，则( L)= 0 . 00426m 3 / ssmax化工原理5) 液泛线下册 P171利用公式：f(HT+ h)wp u 2 L2()2 2.84 3600L3 = 5.34voP 2gL+ 0.153slhwo+ 1 + eohw+ E1000S lwVSuo = pd 2 N40将各数代入整理得：V 2 = 0 .8891 - 1951 .690 L2ss- 11 .6708 L23s6) 作出负荷性能图如以下图：)s/13sm( 0.9V雾沫夹带线0.8液泛线0.70.6液相负荷上限线0.50.40.30.20.1