1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：乙醇水混合液常壓連續(xù)精餾二、設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)： 原料液處理量28000噸/年 原料液初溫20 原料液含乙醇45%（質(zhì)量） 餾出液含乙醇93%（質(zhì)量） 乙醇回收率99.9%（質(zhì)量）三、設(shè)計(jì)任務(wù)：完成精餾工藝設(shè)計(jì)，精餾塔設(shè)備設(shè)計(jì)和有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)、選用；編寫設(shè)計(jì)說明書；繪制工藝流程圖和塔板結(jié)構(gòu)簡圖。四、設(shè)計(jì)完成日期: 2013年01月18日五、設(shè)計(jì)者 ： 王堯堯設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：張鴻發(fā)目錄：1. 緒論2. 工藝計(jì)算3. 塔設(shè)備的計(jì)算4.泵的選擇及計(jì)算5. 主凝器選型6. 再沸器加熱釜中水蒸汽的用量計(jì)算7.計(jì)算結(jié)果匯總表8.工藝流傳簡圖緒 論精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝

2、置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸氣由塔底進(jìn)入，與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點(diǎn))組分不斷地向蒸氣中轉(zhuǎn)移，蒸氣中的難揮發(fā)(高沸點(diǎn))組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達(dá)到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸氣進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕觥?精餾塔的工作原理是根據(jù)各混合氣體的汽化點(diǎn)（或沸點(diǎn)）的不同，

3、控制塔各節(jié)的不同溫度，達(dá)到分離提純的目的?；どa(chǎn)常需進(jìn)行液體混合物的分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的，精餾操作在化工、石油化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中中占有重要的地位。為此，掌握氣液相平衡關(guān)系，熟悉各種塔型的操作特性，對選擇、設(shè)計(jì)和分析分離過程中的各種參數(shù)是非常重要的。要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾的方法，因?yàn)橐掖己退膿]發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)分離過程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程，因此可使混合液得到幾乎完全的分離。化工廠中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內(nèi)進(jìn)行的，塔內(nèi)裝有若干層塔板或充填一定高度的填料。為實(shí)現(xiàn)精餾分離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔

4、頂引入下降液。可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，還必須有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時(shí)還要配原料液預(yù)熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。 本次設(shè)計(jì)的篩板塔是化工生產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設(shè)備。此設(shè)計(jì)針對二元物系的精餾問題進(jìn)行分析、選取、計(jì)算、核算、繪圖等，是較完整的精餾設(shè)計(jì)過程。本設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)方案的選取，主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，輔助設(shè)備的選型，工藝流程圖，主要設(shè)備的工藝條件圖等內(nèi)容。 通過對精餾塔的運(yùn)算，調(diào)試出塔的工藝流程、生產(chǎn)操作條件及物性參數(shù)，以保證精餾過程的順利進(jìn)行并使效率盡可能的提高。 一、工藝計(jì)算：利用水一乙醇的

5、平衡數(shù)據(jù)在坐標(biāo)上作xy圖，（見附圖）部分平衡數(shù)據(jù)見指導(dǎo)書。（一）設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)原料液處理量：28000噸/年原料液初溫：20原料液含乙醇：45%（質(zhì)量）餾出液含乙醇：93%（質(zhì)量）乙醇回收率：99.9（質(zhì)量）由于在生產(chǎn)過程中，除去設(shè)備安裝，設(shè)備檢修等因素外，假定每年生產(chǎn)300天。則每小時(shí)處理量：（二）物料衡算及最適回流比的選擇乙醇分子量為：46.068，水分子量為18.016解方程得： =0.00034083在制成的平衡圖上分別定出點(diǎn)xF、xW、xD各點(diǎn)，在全回流的情況下R，操作線與對角線重合，此時(shí)有最小理論塔板數(shù)Nmin，過點(diǎn)（xD、xD）作平衡曲線的切線，其斜率為：Rmin=1.8387 (

6、P33)下面用逐板計(jì)算法，求出最小理論塔板數(shù)Nmin在一定范圍內(nèi)，有符合 當(dāng)x0.3時(shí)，當(dāng)x0.3時(shí)，x1=xW=0.00034083x2=0.0044076 2=12.594 y2=0.05281x3=0.05281 3=9.1110 y3=0.33686x4=0.33686 4=2.8925 y4=0.59503x5=0.59503 5=1.5903 y5=0.70030x6=0.70030 6=1.3155 y6=0.75453x7=0.75453 7=1.2034 y7=0.78719x8=0.78719 8=1.1432 y8=0.80875x9=0.80875 9=1.1062 y

7、9=0.82388x10=0.82388 10=1.0817 y10=0.83499x11=0.83499 11=1.0641 y11=0.84337x12=0.84337 12=1.0511 y12=0.84984x13=0.84984 13=1.0412 y13=0.85492 層回流比的確定：理論根據(jù)：采用吉利蘭關(guān)聯(lián)圖，以R-N為坐標(biāo)作圖。nR=nRmin1.051.93060.0313710.6446629.3571.102.02260.0608320.5966625.7441.202.20640.114690.5303121.9661.302.39030.162700.4821319

8、.8301.402.57420.205780.4439818.4001.502.75810.244630.4124417.3591.602.94200.279870.3856816.5591.703.12580.311960.3625515.9221.803.30970.341320.3422815.4011.903.49350.368270.3243314.9652.003.66740.393100.3082814.5942.103.86120.416060.2938414.2752.204.04510.437340.2807513.9982.304.22900.457120.2688313

9、.7532.404.41290.475570.2579213.5362.504.59770.492790.2478913.3422.604.78060.508930.2386313.1682.704.96450.524070.2300613.0102.805.14840.538300.2221012.8672.905.33220.551710.2146812.7363.005.51610.564360.2077612.616坐標(biāo)圖上繪出R-N圖，由曲率最大處確定R值（見附圖）回流比的選取需綜合考慮設(shè)備費(fèi)用及經(jīng)常費(fèi)用的影響，選取最佳回流比。確定R=3（因?yàn)樽鞒龅腞min偏小，故R取稍大）（三）操

10、作線方程的確定及計(jì)算：1、精確段操作線方程：（從下往上數(shù)1、2、3、 ）2、q線方程的確定求進(jìn)料操作狀態(tài)：V=D（R+1）=45.254(3+1)=181.02 kmol/h假定泡點(diǎn)進(jìn)料：由于恒摩爾流V=V則塔釜中水的汽化量為：181.0218.016=3261.2 kg/h取釜內(nèi)P=1atm ts=100 水=536.5 kcal/kg每小時(shí)汽化V水需熱:Q1=3261.2536.5=1.749625106 kcal/h設(shè)加熱蒸汽壓力為4 kgf/cm2查得Ts=142.9 汽=511.1Kcal/kg需水蒸汽量 該蒸汽的冷凝水作為原料的加熱熱源假定水的出口溫度為70 Cp水=1 kcal/

11、kg原料進(jìn)口t1=20 組成45%（質(zhì)量）其沸點(diǎn)ts=82.45Cp=0.978+0.00274t kcal/kg考慮熱損失為10%，則：可以泡點(diǎn)進(jìn)料。但考慮到換熱器兩端溫差太大，熱應(yīng)力較大，設(shè)備要求較高，故采用60進(jìn)料，將多余的熱量可作其它用途，如生活用水等，并改用3kgf/cm的蒸汽將原料液從2060進(jìn)料。q線方程：q點(diǎn)的確定 解得xq=0.2507yq=0.37253、提留段操作線方程 P22式1-414、逐板計(jì)算：提餾段：x1=xw=0.00034083xyq進(jìn)入精餾段操作xn+1=1.25yn-0.21492x5=0.40398 5=2.4173 y5=0.62099x6=0.561

12、32 6=1.6989 y6=0.66849x7=0.64123 7=1.4592 y7=0.72284x8=0.68863 8=1.3423 y8=0.74802x9=0.72011 9=1.2730 y9=0.76609x10=0.74269 10=1.2227 y10=0.77978x11=0.75981 11=1.1936 y11=0.79061x12=0.77334 12=1.1684 y12=0.79946x13=0.78441 13=1.1485 y13=0.80690x14=0.79370 14=1.1321 y14=0.81328x15=0.80115 15=1.1314 y

13、15=0.82008x16=0.80868 16=1.1066 y16=0.82673x17=0.81849 17=1.1059 y17=0.82838x18=0.82056 18=1.0871 y18=0.83252x19=0.82573 19=1.0787 y19=0.83637x20=0.83054 20=1.0711 y20=0.83999y20=0.839990.83860總的理論塔板數(shù)： 層（包括釜）提餾段的理論塔板數(shù)： 層（包括釜）精餾段的理論塔板數(shù)：N2=20.616-4.003=16.613層4、板效率的確定1、精餾段：塔頂 xD=0.83860 ts=78.3 加料板：xF

14、=0.24241 ts=82.45 查得平均溫度下的 x=0.46265（=0.8938(x)-1.0632=0.8938(0.46265)-1.0632 =2.0284=0.57 cpET=0.49 ()-0.245 =0.49(2.02840.57)-0.245 =0.47288 2、提餾段：加料板 xF=0.24241 ts=82.45 塔底 xW=3.408310-4 ts100查得平均溫度下的 x=0.042275=1.1213(x+0.2)-1.5235=1.1213(0.042275+0.2)-1.5235 = 9.7214= 0.50 cpET= 0.49()-0.245 =

15、0.49(9.72140.50)-0.245 = 0.33262實(shí)際塔板數(shù)：N精= 取36 層N提= 取9 層（不包括釜）加料板位置：在第37塊塔板上總的塔板數(shù)N=37+9=46層二、塔設(shè)備的計(jì)算理論教科書見P154167需要算的參數(shù)如下：通過前面工藝設(shè)計(jì)及查閱有關(guān)資料，列出設(shè)備設(shè)計(jì)的有關(guān)工藝參數(shù)表： 基準(zhǔn)參數(shù)塔頂進(jìn)料板塔底備注溫 度 壓 力 Pa氣相負(fù)荷VS m3/S液相負(fù)荷LS m3/S氣相密度V kg/m3液相密度L kg/m3液體表面張力 Nm液體粘度 Cp 塔頂壓力可按常壓計(jì)，塔底壓力可按每塊塔板5060mm液柱估算。塔徑初估 應(yīng)分別計(jì)算 再圓整。液泛速度 當(dāng)20mN/m時(shí)應(yīng)按下式校

16、正 可查史斯密關(guān)聯(lián)圖，乙醇水溶液的可按下式計(jì)算： 板間距按有關(guān)要求選定。 溢流裝置設(shè)計(jì) 根據(jù)塔徑和液體流量選擇板上液體流動(dòng)形式和溢流管類型。 根據(jù)塔板系列參數(shù)選用或計(jì)算確定降液管及堰的有關(guān)參數(shù)，包括：堰長 、堰高 、降液管下端問隙 及液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間。 塔板布置設(shè)計(jì) 浮閥數(shù)的確定 （精餾段、提餾段分別計(jì)算）根據(jù)浮閥全開時(shí)的閥孔動(dòng)能因素912 ，選擇 ，按下式計(jì)算閥孔氣速 則理論浮閥數(shù)可按下式計(jì)算： 浮閥的排列及塔板布置確定鼓泡區(qū)、溢流區(qū)、破沫區(qū)和無效區(qū)的尺寸，并確定閥孔間距和排間距，作圖排列得實(shí)際浮閥數(shù)。驗(yàn)算實(shí)際動(dòng)能因素和開孔率是否符合適宜范圍，若精餾段和提餾段浮閥數(shù)相近，又能滿足工藝

17、要求時(shí)，最好統(tǒng)一。畫出塔板平面布置圖。 液體力學(xué)驗(yàn)算 包括： 氣體通過塔板壓降 霧沫夾帶驗(yàn)算 液泛驗(yàn)算負(fù)荷性能圖繪制分別畫出精餾段、提餾段的負(fù)荷性能圖，求出操作彈性。列出塔的性能表將以上設(shè)計(jì)所得的有關(guān)參數(shù)列入表中。 接管和塔高 接管規(guī)格根據(jù)流量和液體性質(zhì)，選取經(jīng)驗(yàn)流速，確定管道和接管標(biāo)準(zhǔn)。 全塔總高包括：塔頂空間、塔底空間、裙座高度。二、塔設(shè)備的計(jì)算（一）精餾段：（塔頂）設(shè)備計(jì)算及校核1、已知數(shù)據(jù)：物料：乙醇水混合物平均分子量= 46.0680.83860+18.016(1-0.83860) = 41.540操作壓力 1.013105 N/m操作溫度：78.2水的密度：乙醇的密度：2= 736

18、 kg/m3L=748.76 kg/m3蒸汽密度：液體表面張力：水：1=62.789 dyn/cm乙醇：2=17.6 dyn/cm液體流量：氣體流量：采用單流型塔板，暫定板間距HT=0.4mC20=0.079取液泛分率0.8u=0.8uF=0.81.7950=1.4360 m/s取 則 lw=0.6499D圖整到1.00m堰及降液管的設(shè)計(jì)(秒)how的求取 查得E=1.04取hw=0.045m則hL=0.045+0.015151=0.060151 m降液管底部距下一板的間距ho。ho=hw-0.015=0.045-0.015=0.03m浮閥布置：取Fo=11 個(gè)選取等邊三角形排列，取t=65m

19、m中心距75mm，作圖排列得浮閥孔116個(gè)，孔速：開孔率 塔板壓降： m液柱h1=0.5hL=0.50.060151=0.030076 m液柱hp=hc+h1=0.04409+0.030076=0.07417 m液柱Hd = hL+hd+hp=0.060151+0.001572+0.07417 = 0.135893 m液柱0.135893m液柱0.5(HT+hw)=0.5(0.4+0.045)=0.2225m故不會(huì)淹塔霧沫夾帶：KCF=10.106=0.106Z=D-2Wd=1-20.1200=0.7600 mAb=AT-2Af=0.785-20.05338 = 0.6782m2 此時(shí)霧沫夾帶

20、量 e0.1此時(shí)霧沫夾帶量 e0.1負(fù)荷上限時(shí)：a、淹塔控制時(shí)：Hd(max)=0.5(0.4+0.045)=0.0225 m液柱hp = Hd-hL-hd = 0.16078 m液柱hc0.060151=0.13070 m液柱Vs（max）=1.26191.72174=2.1727 m3/s Wo(max)=1.721748.6575=14.906 m/sb、負(fù)荷下限（二）提餾段的設(shè)備計(jì)算及校核提餾段塔釜內(nèi)可接近于純水已知數(shù)據(jù)：水的分子量為18.016 操作壓力1.013105N/m2（沒有考慮塔板壓降）水的密度：L=958.4 kg/m3蒸汽密度：液體表面張力：=58.8 dyn/cm液體

21、流量及氣體流量L = L+qF=45.5243+1.0677156.71 = 303.89 kmal/hV = V-（1-q）F = 45.524(3+1)-(1-1.0677)156.71 = 192.71 kmal/h定板間距HT=0.3mC0=0.065取液泛分率0.8u=0.8uF=0.83.2530=2.6024 m/s考慮到設(shè)備制造及強(qiáng)度等問題，園整到1.10m堰及降液管的設(shè)計(jì)AT=0.67547 Af=0.04593 m2Wd/D=0.1200 wd=0.132how的求取查得E=1.025取hw=0.04m 則hL=0.051311 m則ho=0.04-0.015=0.025

22、m浮閥布置：取Fo=11取t=80mm，中心距100mm，作圖排列得浮閥孔96個(gè)孔速：塔板壓降： m液柱h1=0.5hL=0.5*0.051311=0.025656 m液柱hp=hc+h1=0.034367+0.025656=0.0600225 m液柱 m液柱Hd=hL+hd+hp=0.051311+0.0011098+0.0600225=0.11244 m液柱0.112440.5(HT+hw)=0.5(0.3+0.04)=0.17故不會(huì)發(fā)生淹塔霧沫頭帶查圖CF=0.074 則KCF=0.074此時(shí)e0.1負(fù)荷上限a、淹塔控制時(shí)：Hd(max）= 0.5(HT+hw) = 0.5(0.3+0.

23、04)=0.17 m液柱hp = Hd-hL-hd = 0.11758 m液柱hc0.051311 = 0.091924 mVs(max) = 1.63831.6355=2.6794 m/sb、負(fù)荷下限Vs(min)=1.63830.38970=0.63845 m/s（三）負(fù)荷性能圖1、精餾段的負(fù)荷性能圖：（1）極限霧沫夾帶線取F1(max)=80%Vs = 1.5722 - 25.673 Ls取二點(diǎn)作直線（0，1.572），（0.002，1.5209）Vs=1.0214 m3/s（2）液泛線：0.00559695EL2/3+0.02466Vs2+673.65Ls2=0.225序號(hào)123456

24、假定Ls（10-3）m3/s5678910L m3/h182022242628E1.071.081.091.101.111.12Vmax m3/s2.60252.51682.41722.30182.16792.012（3）液相上限線（4）液相下限線L=1.5843 m3/h=0.00044008 m3/s（5）漏液線Fomin=5 2、提餾段的負(fù)荷性能圖：（1）極限霧沫夾帶線取F1(max)=80%取二點(diǎn)作直線（110-3，1.9148），（510-3，1.7314）Vs=1.2632 m3/s（2）液泛線0.0055187EL2/3+0.017417Vs2+532.23Ls2=0.10序號(hào)1

25、23456假定Ls （10-3）m3/s3.03.54.04.55.05.5L m3/h121416182022E1.051.061.071.081.091.10Vmax m3/s1.9291.8481.7611.6651.4831.442（3）液相上限線：（3）液相下限線L=1.6308 m3/h=0.000453004 m3/s（5）漏液線Fomin=5 （四）、塔高及塔接管的計(jì)算：（1）設(shè)塔頂高Hd=1.5m 塔底高Hc=1.2m 塔座高Hb=2m 進(jìn)料位置兩塊板間距HF=1m精餾段開三個(gè)人口，塔頂及第12層，和24層處各一個(gè)，加料位置一個(gè)，提餾段第4層上開一個(gè)，共五個(gè)人孔，人孔=0.5

26、0mH=（N精-1）HT+Hd+20.5+(N提-1)HT+HC+0.5+HF+Hb =（36-1）0.4+1.5+20.5+(9-1)0.3+1.2+0.5+1+2 = 23.6m（2）接管：（a）塔頂蒸汽管已知V=1.4490 m3/s選uv=15 m/s取3258無縫鋼管則實(shí)際氣速:（b）回流接管已知：L=RD=345.25442.132=5719.9 kg/hrL=746.91 kg/m3選WR=0.4 m/s選955實(shí)際速度：（c）進(jìn)料管已知G=3888.9 kg/h選WF=0.6 m/s乙醇=756 kg/m3 水=983.2 kg/m3=866.07 kg/m3選545實(shí)際流速（

27、d）再沸蒸汽入口管已知V=1.4954 m3/s選u=15 m/s選3779實(shí)際速度 （e）塔釜出料管：已知W=L=0.0012826 m3/s選WW=0.7m/s選605實(shí)際速度可能用到的公式：三、泵的選擇及計(jì)算：1、選定主凝器的安裝高度為26m2、冷卻水在t=25下的物性參數(shù)：=996.95 kg/m3 =1.155 Cp體積流量:假定u=2 m/s 選取 1144 （P359）實(shí)際流速：e=0.05 (P48)則 考慮泵安裝位置取管長L=40m查得=0.0183 (P54)直管阻力局部阻力:假定管路中由下列管件組成名稱入口出口閘閥彎頭管接頭其他數(shù)量11122值0.510.170.750.

28、0412.5 = 0.51+11+10.7+1+20.75+20.04+12.5 = 15.75hf=hf1+hf2=2.2765+5.1921=7.4686 m在貯水槽與冷卻水進(jìn)入冷凝器管口列柏努利方程：Q=0.022432 m3/s= 80.75m3/h選取4B54A，參數(shù)如下： 流量：90 m3/h揚(yáng)程：43 m轉(zhuǎn)速：軸功率：15.6 kw電機(jī)功率：20 kw效率：69%吸上高度：4.5m葉輪直徑：200mm四、主凝器選型產(chǎn)物濃度94%（質(zhì)量）溫度T=78.2氣化潛熱：r=228.80 kcal/kg氣體的質(zhì)量流量：V=（R+1）D = 水：進(jìn)口溫度 t1=25 出口溫度 t2=45 密

29、度 比熱 Cp=0.997 kcal/kg 粘度=0.727 Cp 導(dǎo)熱系數(shù) =0.626 w/m 熱換失 5% Q=Vr=2.1185228.80=484.71 kcal/s用水量 假定K=750 kcal/m2h選取一列管式固定管板熱交換器 G-600- II -16-55公稱直徑Dg=600mm，管程II管數(shù) n=254根管長=3000mm管程通道截面積 Ao=0.040碳鋼管252.5管程流速為0.5米/秒時(shí)的流量為72.0 m3/h水走管程，汽走殼五、再沸器加熱釜中水蒸汽的用量計(jì)算：物性常數(shù)：V=(R+1)D-(1-q)F=191.625 kmol/h=3449.25kg/h塔底壓力： 水在p = 1.2796 kg/cm2下的沸點(diǎn) T=106.05 水 = 535.70 kcal/kg加熱水