1、化工與制藥學院課程設計說明書 題 目: 1.5萬噸乙醇水溶液連續精餾塔設計學 院: 化工與制藥學院專業班級: 學生姓名: 學 號: 同組者: 指導老師: 完成日期: 年 月 日09生技1班化工原理課程設計任務書一、 課程設計題目乙醇-水溶液連續精餾塔設計二、 課程設計的內容1 設計方案的確定2 帶控制點的工藝流程圖的確定3 操作條件的選擇（包括操作壓強、進料狀態、回流比等）4 塔的工藝計算（1） 全塔物料衡算（2） 最佳回流比的確定（3） 理論板及實際板的確定（4） 塔徑的計算（5） 降液管及溢流堰尺寸的確定（6） 浮閥數及排列方式（篩板孔徑及排列方式）的確定（7） 塔板流動性能的校核（8）

2、塔板負荷性能圖的繪制（9） 塔板設計結果匯總表5 輔助設備工藝計算（1）換熱器的面積計算及選型（2）各種接管管徑的計算及選型（3）泵的揚程計算及選型6塔設備的結構設計：（包括塔盤、裙座、進出口料管）三、 課程設計的要求1、 撰寫課程設計說明書一份2、 工藝流程圖一張3、 設備總裝圖一張四、 課程設計所需的主要技術參數原料： 乙醇-水溶液原料溫度： 30處理量： 1.5萬噸/年原料組成（乙醇的質量分數）：50%產品要求：塔頂產品中乙醇的質量分數： 94%；塔頂產品中乙醇的回收率：99%生產時間： 300天（7200 h） 冷卻水進口溫度：30加熱介質： 0.6MPa飽和水蒸汽五、 課程設計的進度

3、安排1、 查找資料，初步確定設計方案及設計內容，1-2天2、 根據設計要求進行設計，確定設計說明書初稿，2-3天3、 撰寫設計說明書，總裝圖，答辯，4-5天六、 課程設計考核方式與評分方法指導教師根據學生的平時表現、設計說明書、繪圖質量及答辯情況評定成績，采用百分制。其中：平時表現 20%設計說明書 40%繪圖質量 20%答辯 20%指導教師：王為國 學科部負責人： 年 月 日化工與制藥學院課程設計綜合成績評定表學生姓名學生班級設計題目指導教師評語指導教師簽字：年 月 日答辯記錄答辯組成員簽字： 記錄人：年 月 日成績綜合評定欄設計情況答辯情況項 目權重分值項 目權重分值1、計算和繪圖能力35

4、1、回答問題能力202、綜合運用專業知識能力102、表述能力（邏輯性、條理性）103、運用計算機能力和外語能力104、查閱資料、運用工具書的能力55、獨立完成設計能力56、書寫情況（文字能力、整潔度）5綜合成績指導教師簽名： 學科部主任簽名： 年 月 日 年 月 日目 錄一、概述1.1 設計依據11.2 技術來源11.3 設計任務及要求2二：計算過程1.塔型選擇22.操作條件的確定32.1 操作壓力32.2 進料狀態32.3 加熱方式32.4 熱能利用33. 有關的工藝計算3.1 最小回流比及操作回流比的確定43.2 塔頂產品產量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算43.3 全凝器冷凝介質的消耗量63

5、.4理論塔板層數的確定63.5全塔效率的估算83.6 實際塔板數94. 精餾塔主題尺寸的計算4.1 精餾段與提餾段的體積流量94.1.1 精餾段94.1.2 提餾段104.2 塔徑的計算114.3 塔高的計算135. 塔板結構尺寸的確定5.1 塔板尺寸135.2 弓形降液管145.2.1 堰高 145.2.2 降液管底隙高度h0 145.3 浮閥數目及排列145.3.1 浮閥數目 145.3.2 排列 155.3.3 校核 166. 流體力學驗算6.1 氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降) 176.1.1 干板阻力176.1.2 板上充氣液層阻力176.1.3 由表面張力引起的阻力176.2

6、漏液驗算 176.3 液泛驗算 186.4 霧沫夾帶驗算 187. 操作性能負荷圖7.1 霧沫夾帶上限線 197.2 液泛線197.3 液體負荷上限線 197.4 漏液線 207.5 液相負荷下限線207.6 操作性能負荷圖 20 8. 各接管尺寸的確定8.1 進料管 228.2 釜殘液出料管 228.3 回流液管 238.4 塔頂上升蒸汽管 238.5 水蒸汽進口管239 輔助設備的選取9.1 冷凝器249.2 再沸器24三、設計一覽表24四、設計小結26附錄：工藝流程圖設備總裝圖一:概述乙醇在工業、醫藥、民用等方面，都有很廣泛的應用，是很重要的一種原料。在很多方面，要求乙醇有不同的純度，有

7、時要求純度很高，甚至是無水乙醇，這是很有困難的，因為乙醇極具揮發性，也極具溶解性，所以，想要得到高純度的乙醇必須通過一定的方法。要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度，最簡單的方法就是用連續精餾的方法，因為乙醇和水的揮發度相差不大。精餾是多數分離過程，即同時進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精餾塔內進行的，塔內裝有若干層塔板或充填一定高度的填料。為實現精餾分離操作，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，有時還要配原料液預熱器、回流液泵等附屬設備，才能實現整

8、個操作。乙醇水是工業上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應用于化工、日化、醫藥等行業。近些年來，由于燃料價格的上漲，乙醇燃料越來越有取代傳統燃料的趨勢，且已在鄭州、濟南等地的公交、出租車行業內被采用。山東業已推出了推廣燃料乙醇的法規。長期以來，乙醇多以蒸餾法生產，但是由于乙醇水體系有共沸現象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進乙醇水體系的精餾設備是非常重要的。塔設備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產過程中得到了廣泛的應用，在此我

9、們作板式塔的設計以熟悉單元操作設備的設計流程和應注意的事項是非常必要的。1.1 設計依據本設計依據于教科書的設計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。1.2 技術來源目前，精餾塔的設計方法以嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴格計算法對于連續精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴格計算法。1.3 設計任務及要求原料：乙醇水溶液，年產量1.5萬噸乙醇含量：45%(質量分數)，原料液溫度：30設計要求：塔頂的乙醇含量不小于94%(質量分數)塔頂的乙醇回收率99%(質量分數) 二：計算過程1. 塔型選擇根據生產任務，若按年工作日300天，每天開動設備24小時計算，產品流量為2083

10、kg/h，由于產品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產效率，選用浮閥塔。其被廣泛使用原因浮閥塔的主要特點如下： 操作彈性大，在較寬的氣液負荷變化范圍內均可保持高的板效率。其彈性范圍為5-9，比篩板塔和泡罩塔的彈性范圍都大； 處理能力大，比泡罩塔大20-40，但比篩板塔略小； 氣體為水平方向吹出，氣液接觸良好，霧沫夾帶量小，塔板效率高，一般比泡罩塔高15左右； 干板壓降比泡罩塔小，但比篩板塔大； 結構簡單、安裝方便，制造費用約為泡罩塔的60%-80，為篩板塔的120-130； 2. 操作條件的確定2.1 操作壓力由于乙醇水體系對溫度的依賴性不強，常壓下

11、為液態，為降低塔的操作費用，操作壓力選為常壓其中塔頂壓力為塔底壓力2.2 進料狀態雖然進料方式有多種，但是飽和液體進料時進料溫度不受季節、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設計中采取飽和液體進料2.3 加熱方式精餾塔的設計中多在塔底加一個再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內有足夠的熱量供應；由于乙醇水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時只需在塔底安裝一個鼓泡管，于是可省去一個再沸器，并且可以利用壓力較底的蒸汽進行加熱，無論是設

12、備費用還是操作費用都可以降低。2.4 熱能利用精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進行加熱。3. 有關的工藝計算由于精餾過程的計算均以摩爾分數為準，需先把設計要求中的質量分數轉化為摩爾分數。原料液的摩爾組成：同理可求得：原料液的平均摩爾質量：同理可求得：30下，原料液中由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點，以上計算結果見表2。表2 原料液、餾出液與釜殘液的流量與溫度名稱原料液餾出液釜殘液50900.5(摩爾

13、分數)0.28120.77880.002摩爾質量25.8739.8118.1沸點溫度/8078.6299.383.1 最小回流比及操作回流比的確定由于是泡點進料，過點做直線交平衡線于點，由點可讀得，因此：又過點作平衡線的切線，切點為，讀得其坐標為 所以，可取操作回流比3.2 塔頂產品產量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算以年工作日為300天，每天開車24小時計，進料量為：由全塔的物料衡算方程可寫出：=0.002(蒸汽) (泡點) 3.3 全凝器冷凝介質的消耗量塔頂全凝器的熱負荷：可以查得，所以取水為冷凝介質，其進出冷凝器的溫度分別為30和40則平均溫度下的比熱，于是冷凝水用量可求：3.4理論塔板層數

14、的確定精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：線方程：表1 乙醇水溶液體系的平衡數據液相中乙醇的含量(摩爾分數)汽相中乙醇的含量(摩爾分數)液相中乙醇的含量(摩爾分數)汽相中乙醇的含量(摩爾分數)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.

15、900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0在相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出塊(含塔釜)其中，精餾段13塊，提餾段4塊。3.5全塔效率的估算用奧康奈爾法()對全塔效率進行估算：由相平衡方程式可得根據乙醇水體系的相平衡數據可以查得：(塔頂第一塊板)(加料板)(塔釜)因此可以求得：全塔的相對平均揮發度：全塔的平均溫度：在溫度下查得因為所以，全塔液體的平均粘度：全塔效率3.6 實際塔板數，即38塊(含塔釜)其中，精餾段的塔板數為：，即29塊4. 精餾塔主題尺寸的計算4.1 精餾段與提餾段的體積流量4.1.1精餾段整理精餾段的已知數據列于表3(見下頁)，

16、由表中數據可知：液相平均摩爾質量：液相平均溫度：表3 精餾段的已知數據位置進料板塔頂(第一塊板)質量分數摩爾分數摩爾質量/溫度/83.8378.62在平均溫度下查得液相平均密度為：其中，平均質量分數所以，精餾段的液相負荷同理可計算出精餾段的汽相負荷。精餾段的負荷列于表4。表4 精餾段的汽液相負荷名稱液相汽相平均摩爾質量/32.3136.845平均密度/794.91.274體積流量/1.357(0.000377)3862.7(1.073)4.1.2提餾段整理提餾段的已知數據列于表5，采用與精餾段相同的計算方法可以得到提餾段的負荷，結果列于表6。表5 提餾段的已知數據位置塔釜進料板質量分數摩爾分數

17、摩爾質量/溫度/99.3883.83表6 提餾段的汽液相負荷名稱液相汽相平均摩爾質量/21.9826.9平均密度/889.20.878體積流量/3.13(0.000869)3999.2(1.1)4.2 塔徑的計算由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們取兩段的塔徑相等。有以上的計算結果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度：汽塔的液相平均密度：塔徑可以由下面的公式給出：由于適宜的空塔氣速，因此，需先計算出最大允許氣速。取塔板間距，板上液層高度，那么分離空間：功能參數：從史密斯關聯圖查得：，由于，需先求平均表面張力：全塔平均溫度，在此溫度下，乙醇的平

18、均摩爾分數為，所以，液體的臨界溫度：設計要求條件下乙醇水溶液的表面張力平均塔溫下乙醇水溶液的表面張力可以由下面的式子計算：，所以：根據塔徑系列尺寸圓整為此時，精餾段的上升蒸汽速度為：提餾段的上升蒸汽速度為：4.3 塔高的計算塔的高度可以由下式計算：已知實際塔板數為塊，板間距由于料液較清潔，無需經常清洗，可取每隔8塊板設一個人孔，則人孔的數目為：個取人孔兩板之間的間距，則塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度，那么，全塔高度：5. 塔板結構尺寸的確定5.1 塔板尺寸由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分塊式塔板。取無效邊緣區寬度，破沫區寬度，查得弓形溢流管寬度弓形降液管面積驗算：液體在精餾段降液

19、管內的停留時間液體在精餾段降液管內的停留時間5.2 弓形降液管5.2.1堰高采用平直堰，堰高取，則5.2.2降液管底隙高度h0若取精餾段取，提餾段取為，那么液體通過降液管底隙時的流速為精餾段：提餾段：的一般經驗數值為5.3 浮閥數目及排列采用F1型重閥，重量為33g，孔徑為39mm。5.3.1浮閥數目浮閥數目氣體通過閥孔時的速度取動能因數，那么，因此個5.3.2排列由于采用分塊式塔板，故采用等腰三角形叉排。若同一橫排的閥孔中心距，那么相鄰兩排間的閥孔中心距為：取時畫出的閥孔數目只有60個，不能滿足要求，取畫出閥孔的排布圖如圖1所示，其中圖中，通道板上可排閥孔40個，弓形板可排閥孔20個，所以總

20、閥孔數目為個5.3.3校核氣體通過閥孔時的實際速度：實際動能因數：(在912之間)開孔率：開孔率在10%14之間，滿足要求。6. 流體力學驗算6.1 氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)6.1.1干板阻力浮閥由部分全開轉為全部全開時的臨界速度為：因為所以6.1.2板上充氣液層阻力取板上液層充氣程度因數，那么：6.1.3由表面張力引起的阻力由表面張力導致的阻力一般來說都比較小，所以一般情況下可以忽略，所以：6.2 漏液驗算動能因數，相應的氣相最小負荷為：其中所以可見不會產生過量漏液。6.3 液泛驗算溢流管內的清液層高度其中，所以，為防止液泛，通常，取校正系數，

21、則有：可見，即不會產生液泛。6.4 霧沫夾帶驗算泛點率=查得物性系數，泛點負荷系數所以，泛點率=可見，霧沫夾帶在允許的范圍之內7. 操作性能負荷圖7.1 霧沫夾帶上限線取泛點率為80%代入泛點率計算式，有：整理可得霧沫夾帶上限方程為：7.2 液泛線液泛線方程為其中，代入上式化簡后可得：7.3 液體負荷上限線取，那么7.4 漏液線取動能因數，以限定氣體的最小負荷：7.5 液相負荷下限線取代入的計算式：整理可得：7.6 操作性能負荷圖由以上各線的方程式，可畫出圖塔的操作性能負荷圖。根據生產任務規定的氣液負荷，可知操作點P(0.00146，1.103)在正常的操作范圍內。連接OP作出操作線，由圖可知

22、，該塔的霧沫夾帶及液相負荷下限，即由漏液所控制。在負荷性能圖A上，作出操作點A，連接OA，即可作出操作線。由圖可以看出，該篩板的操作上線為液泛控制，下線為漏液控制。由圖可讀得：所以，塔的操作彈性為有關該浮閥塔的工藝設計計算結果匯總于表7表7 浮閥塔工藝設計計算結果項目數值與說明備注塔徑1.0板間距0.4塔板型式單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速1.44溢流堰長度0.705溢流堰高度0.05板上液層高度0.06降液管底隙高度0.015浮閥數個80等腰三角形叉排閥孔氣速10.5閥孔動能因數5臨界閥孔氣速10.09孔心距0.0764同一橫排的孔心距排間距0.06相臨二橫排的中心線距離單板壓降540.

23、2液體在降液管內的停留時間76.3精餾段32.5提餾段降液管內的清液高度0.1284泛點率，%64.1氣相負荷上限1.65霧沫夾帶控制氣相負荷下限0.57漏夜控制開孔率，%13.5操作彈性2.898. 各接管尺寸的確定8.1 進料管進料體積流量取適宜的輸送速度，故經圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規格：實際管內流速：8.2 釜殘液出料管釜殘液的體積流量：取適宜的輸送速度，則經圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規格：實際管內流速：8.3 回流液管回流液體積流量利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度，那么經圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規格：實際管內流速：8.4 塔

24、頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽的體積流量：取適宜速度，那么經圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規格：實際管內流速：8.5 水蒸汽進口管通入塔的水蒸氣體積流量：取適宜速度，那么 經圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規格：實際管內流速：9 輔助設備的選取9.1 冷凝器 冷凝器選用單殼程的列管式換熱器，冷凝劑選用冷水，冷水走管程，蒸汽走殼程，該冷凝器為全冷凝器，對全凝器作熱量衡算并忽略熱量損失，選定冷水的入口溫度為t1=25,出口溫度為t2=40,選定回流液在飽和溫度下進入塔內，由于塔頂餾出液幾乎為純乙醇作焓按純乙醇計算，則所以QC=Vr=256.629×16399=4.3

25、15;106J為冷水消耗量9.2 再沸器本設計分離乙醇-水體系，可以采用直接蒸汽加熱，只需在精餾塔的底部通入水蒸氣即可，不需要外加再沸器。設計結果一覽表項目符號單位計算數據精餾段提鎦段各段平均溫度79399.38平均流量氣相VSm3/s0.5361.1液相LSm3/s0.003850.001869實際塔板數N塊134板間距HTm0.40.4塔的有效高度Zm9.22.8塔徑Dm0.90.9空塔氣速um/s1.371.4塔板液流形式單流型單流型溢流裝置溢流管型式弓形弓形堰長lwm0.7050.705堰高hwm0.060.05溢流堰寬度Wdm0.120.12管底與受液盤距離hom0.03320.0216板上清液層高度hLm0.060.06孔徑domm5.05.0孔中心距tmm76.476.4孔數n孔8080開孔面積m