1、目 錄第一章 緒論 1第二章 塔板的工藝設計 32.1 精餾塔全塔物料衡算 32.2 常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關系 32.3 理論塔板的計算 824 塔徑的初步計算 102.5 溢流裝置112.6 塔板布置及浮閥數目與排列12第三章 塔板的流體力學計算 143.1 氣相通過浮閥塔板的壓降143.2 淹塔153.3 液沫夾帶153.4 塔板負荷性能圖16第四章 附件設計 204.1 接管214.2 筒體與封頭224.3 除沫器224.4 裙座224.5 吊柱224.6 人孔23第五章 塔總體高度的設計23第六章 塔附屬設備設計 236.1冷凝器的選擇236.2 進料的選擇246.

2、3 預熱器的選擇24參考書目24主要符號說明25結束語26（一） 設計題目 乙醇-水連續精餾塔的設計（二） 設計任務及操作條件1) 進精餾塔的料液含乙醇30%（質量分數，下同），其余為水； 2) 產品的乙醇含量不得低于93%； 3) 殘液中乙醇含量不得高于0.5%； 4) 每年實際生產時間：7200小時/年，處理量：80000噸/年；5) 操作條件 a) 塔頂壓力： 常壓 b) 進料熱狀態： 飽和液體進料 (或自選) c) 回流比： R=1.55Rmin d) 加熱方式：直接蒸汽 e) 單板壓降： 0.7kPa（三） 板類型浮閥塔（四）廠址臨沂地區（五）設計內容1、設計說明書的內容 1) 精餾

3、塔的物料衡算；2) 塔板數的確定； 3) 精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算； 4) 精餾塔的塔體工藝尺寸計算；5) 塔板主要工藝尺寸的計算；6) 塔板的流體力學驗算； 7) 塔板負荷性能圖； 8) 精餾塔接管尺寸計算；9）設計結果匯總10) 對設計過程的評述和有關問題的討論。 2、設計圖紙要求 繪制生產工藝流程圖（選作）； 注:常壓下乙醇-水氣液平衡組成與溫度的關系見課程設計教材附錄(105頁)第一章設計方案簡介本次課程設計的任務是設計分離乙醇-水的精餾塔，塔型選為浮閥塔，因為篩板塔與浮閥塔相比，浮閥塔有降液槽和溢流堰，氣體頂開浮閥上升與塔盤上液體接觸，傳質在塔盤上進行，液體通過降液槽下降

4、，其操作彈性較大。本設計任務為分離乙醇-水混合物，進料為飽和液體進料，操作壓力是一個大氣壓。對于二元混合物的分離，應采用連續精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送人精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。第二章 塔板的工藝設計2.1 精餾塔全塔物料衡算F：原料液流量(kmol/h) xF：原料組成（摩爾分數，下同）D：塔頂產品流量(kmol/h) xD：塔頂組成W：塔底殘液流量(kmol

5、/h) xW：塔底組成原料乙醇組成：塔頂組成：塔底組成：進料平均分子量：=46.07×0.144+18.02×0.856=22.06kg/kmol進料量：kmol/h物料衡算式為： （1）聯立代入求解：D=85.471 kmol/h W=418.206 kmol/h2.2 常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關系溫度/液相氣相溫度/液相氣相溫度/液相氣相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.

6、7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.992.2.1 溫度利用表中數據由插值法可求得tF、tD、tW。 tF：，tF=84.73 tD：，tD=78.25 tW：，tW=99.536精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：2.2.2 密度已知：混合液密度 （2） 混合氣密度（a為質量分率，為平均分子量） （3）塔頂溫度： tD =78.25氣相組成：, =85.09%進料溫度：tF=84.73氣相組成：, =48.87%塔底溫度：tW=

7、99.536氣相組成：, =1.75%（1） 精餾段液相組成x1：，x1=49.15%氣相組成y1：，y1=66.98%所以 =31.81kg/kmol =36.81kg/kmol（2）提餾段液相組成x2：，x2=7.30%氣相組成y2：，y2=25.31%所以 =20.07kg/kmol =25.12kg/kmol由不同溫度下乙醇和水的密度溫度/乙醇水溫度/乙醇水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在與下乙醇和水的密度（單位：）， kg/m³， kg/m³同理：， kg/m³， kg/m&#

8、179;在精餾段液相密度： kg/m³氣相密度： =1.2657kg/m³在提餾段液相密度： kg/m³氣相密度： kg/m³2.2.3 混合液體表面張力二元有機物-水溶液表面張力可用下列各式計算公式： （4）注： （5） （6） （7） （8） （9） （10） （11） （12） （13）式中下角標w、o、s分別代表水、有機物及表面部分，Xw、Xo指主體部分的分子數，、指主體部分的分子體積，、為水、有機物的表面張力，對乙醇q=2。 精餾段：溫度/708090100乙醇表面張力/10-3N/m1817.1516.215.2水表面張力/10-3N/m64

9、.362.660.758.8 cm3/mol dm3/mol乙醇表面張力：，水表面張力：，塔頂表面張力：因為 ， 所以 聯立方程組 代入解得： ， 提餾段： cm3/mol dm3/mol乙醇表面張力：， 水表面張力：， ，因為 ， 所以 聯立方程組 代入解得： 故2.2.4 混合物的粘度不同溫度下乙醇和水的粘度如下表：溫度t/8090100110乙醇的粘度mpa/s0.4950.4060.3610.324水的粘度mpa/s0.3550.31480.28240.2589，利用插值法得： mPa·s， mPa·s，查表得： mPa·s， mPa·s精餾段粘

10、度 mPa·s提餾段粘度 mPa·s2.2.5.相對揮發度精餾段揮發度：由，得，所以 （14） 提餾段揮發度：由，得，所以 （15）2.2.6.氣液相體積流量計算根據x-y圖得： 所以 取（1）精餾段： kmol/s （16） kmol/s （17）已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m³， kg/m³質量流量： kg/s （18） kg/s （19）體積流量： m³/s （20） m³/s （21）（2）提餾段：因本設計為飽和液體進料，所以q=1 kmol/s （22） kmol/s （23）已知： kg/kmol， k

11、g/kmol kg/m³， kg/m³質量流量： kg/s （24） kg/s （25）體積流量： m³/s （26） m³/s （27）2.3 理論塔板的計算理論板：指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。理論板的計算方法：可采用逐板計算法、圖解法，本次實驗采用圖解法。根據1.103×105Pa下，乙醇-水的氣液平衡組成關系可繪出平衡曲線即x-y曲線圖，泡點進料，所以q=1，即q為一直線，本平衡具有下凹部分，操作線尚未落到平衡線前，已與平衡線相切。，操作回流比已知：精餾段操作線方程：精餾段操作線方程：在圖上作操作線，由點（0.

12、839，0.839）起在平衡線與操作線間畫階梯，過精餾段操作線與q線交點，直到階梯與平衡線交點小于0.000196為止，由此得到理論板NT=18塊，加料板為第15塊理論板。板效率與塔板結構、操作條件、物質的物理性質及流體性質有關，它反映了實際塔板上傳質過程進行的程度。板效率可用奧康奈爾公式計算。 （29）注：塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發度塔頂與塔底平均溫度下的液體粘度mPa·s（1）精餾段已知：，mPa·s所以： 故塊（2）提餾段已知：， mPa·s所以： 故塊全塔所需實際塔板數：塊全塔效率加料板位置在第30塊板。2.4 塔徑的初步計算2.4.1精餾段由=（安全

13、系數）×，安全系數=0.6-0.8，式中C可由史密斯關聯圖查出： （30）橫坐標數值：取板間距： m， m，則 m查圖可知： m/s m/s m 圓整： m橫截面積： m2空塔氣速： m/s2.4.2 提餾段橫坐標數值：取板間距： m， m，則 m查圖可知： m/s m/s m 圓整： m橫截面積： m2空塔氣速： m/s2.5 溢流裝置2.5.1 堰長取 m出口堰高：本設計采用平直堰，堰上液高度按下式計算 （近似取E=1） （30）（1）精餾段 m m（2）提餾段 m m2.5.2 弓形降液管寬度和橫截面積查圖得：，則 m2， m驗算降液管內停留時間：精餾段： s （31）提餾段：

14、 s （32）停留時間>5s，故降液管可用。2.5.3 降液管底隙高度（1）精餾段取降液管底隙的流速 m/s，則 m（2）提餾段取降液管底隙的流速 m/s，則 m因為不小于20mm，故滿足要求。2.6 塔板布置及浮閥數目與排列2.6.1 塔板分布本設計塔徑D=2m，采用分塊式塔板，以便通過人孔裝拆塔板。2.6.2 浮閥數目與排列（1）精餾段取閥孔動能因子，則孔速為 m/s（33）每層塔板上浮閥數目為 個 （34）取邊緣區寬度 m，破沫區寬度 m計算塔板上的鼓泡區面積，即（35）其中 m （36） m （37）所以 m2浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個橫排的孔心距t=75mm則排間

15、距： m=103mm （38）考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，二各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區面積，因此排間距不宜采用103mm，而應小些。故取mm=0.065m，按t=75mm，mm，以等腰三角形叉排作圖，排的浮閥數290個。按N=290重新核算孔速及閥孔動能因子： m/s，閥孔動能因子變化不大，仍在9-13范圍內，塔板開孔率=（39）（2）提餾段取閥孔動能因子，則 m/s （40）每層塔板上浮閥數目為個 （41）按t=75mm，估算排間距：m=123mm （42）取mm，以等腰三角形叉排作圖，排的浮閥數240個。按N=240重新核算孔速及閥孔動能因子： m/s，閥孔動能因子

16、變化不大，仍在9-13范圍內，塔板開孔率=（43）第三章 塔板的流體力學計算3.1 氣相通過浮閥塔板的壓降可根據計算 （44）1.精餾段 干板阻力 m/s （45）因故 （46） 板上氣液層阻力取， （47） 液體表面張力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經塔板的壓降相當的高度為 （48） （49）2.提留段 干板阻力 m/s （50）因，故 （51） 板上充氣液層阻力。取， （52） 表面張力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經塔板的壓降相當的高度為： （53）3.2 淹塔為防止發生淹塔現象，要求控制降液管中清液高度 （54）1、精餾段 單層氣體通過塔板壓降所相當

17、的液柱高度 液體通過降液管的壓頭損失： （55） 板上液層高度：，則，（56）取，已選定，則可見，所以符合防止淹塔的要求2、提留段 單板壓降所相當的液柱高度 液體通過降液管的壓頭損失 （57） 板上液層高度：，則（58）取，則 （59）可見，所以符合防止淹塔的要求3.3 霧沫夾帶1、精餾段泛點率= （60）板上液體流經長度：板上液流面積：查物性系數 K=1.0，泛點負荷系數圖泛點率=對于大塔，為了避免過量物沫夾帶，應控制泛點率不超過80%，由以上計算可知，無沫夾帶能夠滿足的要求。2.提留段取物性系數K=1.0，泛點負荷系數圖泛點率=由計算可知符合要求。3.4 塔板負荷性能圖1、霧沫夾帶線泛點率

18、= （62）據此可作出負荷性能圖中的物沫夾帶線，按泛點率80%計算 精餾段整理得： （63）由上可知物沫夾帶線為直線，則在操作范圍內任取兩個值，算出 提留段整理得： （64）2、液泛線 （65）由此確定液泛線，忽略式中的，（66）而 （67）1 精餾段0.52=2.67 提留段0.251=5.34整理得： （68）3、液相負荷上限液體的最大流量應保證降液管中停留時間不低于35s液體降液管內停留時間 （70）以Q=5s作為液體在降液管內停留時間的下限，則m3/s （71）4、漏液線對于型重閥，依作為規定氣體最小負荷的標準，則（72） 精餾段 m3/s 提留段 m3/s5、液相負荷下限取堰上液層高

19、度作為液相負荷下限條件作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關的豎直線。，取E=1.0 （73）則 m3/s由以上15作出塔板負荷性能圖。可以看出 在任務規定的氣液負荷下的操作點p（設計點）處在適宜操作區內的位置； 塔板的氣相負荷上限完全由物沫夾帶控制操作下限由漏液控制； 按固定的液氣比，由圖可查出塔板的氣相負荷上限 m3/s，氣相負荷下限m3/s所以精餾段操做彈性=，提餾段操做彈性=浮閥塔工藝設計計算結果項目符號單位計算數據備注精餾段提留段塔徑Dm22板間距m0.450.45塔板類型單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速m/s1.231.27堰長m1.31.3堰高m0.05370.0516板上液

20、層高度m0.070.07降液管底隙高m0.030.0358浮閥數N290240等腰三角形叉排閥孔氣速m/s10.6713.1浮閥動能因子12.813臨界閥孔氣速m/s9.511.42孔心距tm0.0750.075同一橫排孔心距排間距m0.0650.08相鄰橫排中心距離單板壓降Pa670.85666.03液體在降液管內停留時間s20.5517.04降液管內清液層高度m0.2520.251泛點率%57.1040.96氣相負荷上限m³/s4.924.84物沫夾帶控制氣相負荷下限m³/s1.661.72漏液控制操作彈性2.962.81第四章 塔附件設計4.1 接管1、進料管進料管的

21、結構類型很多，有直管進料管，彎管進料管，本設計采用直管進料管。管徑計算：,取=1.6m/s，kg/m3 （74） m3/s查表取2、回流管采用直管回流管，取 m/s （75） m3/s查表取3、塔釜出料管取m/s，直管出料，m3/s 查表取4、塔頂蒸汽出料管取直管出氣，取出口管速 ，則查表取5、法蘭由于常壓操作，所有法蘭均采用標準管法蘭，由不同的公稱直徑選用相應的法蘭 進料管法蘭： 回流管法蘭： 塔釜出料管法蘭： 塔頂蒸汽管法蘭： 塔釜蒸汽進氣法蘭：4.2 簡體與封頭1、簡體 （76）壁厚選6mm，所用材質為2、封頭封頭分為橢圓形封頭、碟形封頭等幾種，本設計采用橢圓形封頭，由公稱直徑，查得曲面

22、高度,直邊高度，內表面積，容積，選用封頭，4.3 除沫器當空塔氣速較大，塔頂帶液現象嚴重，以及工藝過程中不許出現氣速夾帶霧滴的情況下，設置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續設備的正常操作。常用除沫器有折流式除沫器，絲網除沫器以及程流除沫器。本設計采用絲網除沫器，其具有比表面積大，重量輕、空隙大及使用方便等優點。設計全速，選取，系數=0.107 （77）m/s除沫器直徑選取不銹鋼除沫器：類型：標準型，規格：10-100，材料：不銹鋼絲網（）4.4 裙座塔底常用裙座的結構性能好，連接處產生的局部阻力小，所以它是塔設備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。由于群座內徑>

23、800mm,故群座壁厚取16mm。基礎環內經：基礎環外經：圓整：=1800mm，=2400mm.基礎環厚度，考慮到腐蝕余量，腐蝕余量取18mm，考慮到再沸器，群座高度取2.5m，地角螺栓直徑取M30.4.5 吊柱對于較高的室外無框架的整體塔，在塔頂設置吊柱，對于補充和更換填料、安裝和拆卸內件，既經濟又方便的一項措施，一般取15m以上的塔物設吊柱，本設計中高度大，因此設吊柱。因設計塔徑D=2000mm，可選用吊柱600kg，s=1000mm，l=3500mm，H=1000mm，材料為。4.6 人孔人孔是安裝和檢修人員進出塔的惟一通道，人空的設置應便于人進入任一層塔板，由于設置人孔處塔間距離大，且

24、人孔設備過多會使制造時塔體的彎曲度難以達到要求，一般每隔10-20塊塔板才設一個人孔，本塔總共37塊板，需設置3個人孔，每個孔直徑為450mm，在設置人孔處，板間距為600mm，裙座上應開設2個人孔，直徑450mm，人孔慎入塔內部應與他內壁修平，其邊緣需倒裝和磨圓，人孔法蘭的密封形狀及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同，本設計也是如此。第五章 塔總體高度的設計一、塔的頂部空間高度是指塔頂第一層塔盤到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到第一板的間距為600mm，頂部空間高度為1200mm二、塔的底部空間高度是指塔底最末一層塔盤到塔底封頭的直線距離，釜液停留時間取5s。 （78）（79）塔立體高度 （80

25、）（81）第6章 塔附屬設備設計6.1 冷凝器的選擇6.1.1 確定冷凝器的熱負荷（82）上式中的，為塔頂混合物的汽化潛熱。物質時的氣化潛熱KJ/mol乙醇402190.849水43193.940.151 kJ/h kJ/h6.1.2 冷凝器的選擇有機物蒸汽冷凝器的設計選用的總體傳熱系數一般范圍為5001500kcal/(h)本設計取 K=700 kcal/(h)=2926J/(h) 出料液溫度：78.237（飽和氣）78.273（飽和液）冷卻水溫度：2035逆流操作：=58.273，=43.237傳熱面積：（84）6.2泵的計算6.2.1 確定輸送系統的流量與壓頭 以進料泵為例，由以上可知，

26、設料液面至加料孔為10m，標準彎頭兩個，回彎頭一個，球心閥（全開）一個，則有關管件的局部阻力系數分別是： 進口突然收縮：，標準彎頭：，回彎頭：，球心閥（全開）：則總的局部阻力系數為：有進料液：，根據，則 對于水力光滑管，當時，摩擦系數可由下式計算：，則兩截面之間列柏努力方程求泵的揚程：流量 6.2.2 選擇泵的類型與型號 根據輸送液體的性質和操作條件選IS型泵，文獻4所選進料泵的型號為:IS 50-32-125，表5-5 進料泵的性能參數型號IS50-32-200流量m3/h7.5揚程m22功率Kw機2.2軸0.96轉速2900效率47%泵殼許用壓力Kgf/cm332/46結構單極6.3.原料

27、預熱器的設計 管層走物料，殼層走水，選取K=300 w/m2·K,選用1200C飽和水蒸氣加熱 進料液：200C950C 水：1200C1200C，因為QF=2.09×106kJ/h=5.806×105J/s所以A=參考書目教材：1.化工原理（上，下冊）譚天恩 竇梅 周明華 編著。化學工業出版社（第三版） 2009年4月第21次印刷2.化工原理王志魁編著 化學工業出版社（第二版）2002年2月第9次印刷主要參考文獻：1.化工原理（新版）上下冊 姚玉英主編天津大學出版社1999年8月第1版2.化工原理上、下冊 蔣維鈞主編 清華大學出版社 2003年2月第二版3.化工

28、原理課程設計指導 任曉光主編 化學工業出版社2009年1月4.化工原理課程設計 王國勝主編 大連理工大學出版社 2005年2月5.化工容器及設備簡明設計手冊 賀匡國主編 化學工業出版社 2002年8月6.化學工程手冊.北京:化學業出版社,19917.化工單元過程及設備課程教材 匡國柱，史啟才主編 化學工業出版社，2005年1月主要符號說明F：原料液流量(kmol/h) ：原料組成（摩爾分數）：進料溫度（） D ：塔頂產品流量(kmol/h) ：塔頂組成（摩爾分數） ：塔頂溫度（）W：塔底殘液流量(kmol/h) ：塔底組成（摩爾分數）：塔底溫度（） ：密度（kg/m³）：平均摩爾質量（kg/kmol） ：表面張力（N/m2）：粘度（mPa·s） R：回流比：相對揮發度 ：塔板效率：浮閥數 ：理論板數（塊）：實際板數（塊） ：流速（m/s）：閥孔氣速（m/s） ：臨界閥孔氣速（m/s