...wd......wd......wd...化工原理課程設計乙醇-水填料精餾塔設計學生姓名學院名稱學號班級專業名稱指導教師年月日化工原理課程設計任務書一、設計題目：乙醇-水篩板〔填料〕精餾塔設計二、設計條件：1、常壓p=1atm〔絕壓〕。2、原料來自粗餾塔，為95~96℃飽和蒸汽，由于沿程熱損失，進精餾塔時，原料溫度約為90℃；3、塔頂濃度為含乙醇92.41%〔質量分數〕的藥用酒精，產量為25噸/天；4、塔釜采用飽和蒸汽直接加熱，從塔釜出來的殘液中乙醇濃度要求不大于0.3%〔質量分數〕；5、塔頂采用全凝器，泡點回流，回流比R=1.1~2.0Rmin；6、廠址：徐州地區三、設計任務：1、完成該精餾塔的工藝設計，包括輔助設備及進出口管路的計算和選型；2、畫出帶控制點工藝流程圖、x~y相平衡圖、塔板負荷性能圖、塔板布置圖、精餾塔工藝條件圖；3、寫出該精餾塔的設計說明書，包括設計結果匯總和設計評價。摘要乙醇是生活中一種常見的化學品，它是一種有機物，俗稱酒精。它是帶有一個羥基的飽和一元醇，在\t"://baike.baidu/_blank"常溫、\t"://baike.baidu/_blank"常壓下是一種易燃、易揮發的無色透明液體，它的水溶液具有酒香的氣味，并略帶\t"://baike.baidu/_blank"刺激性。有酒的氣味和刺激的辛辣滋味。乙醇液體密度比水小，能與水以任意比互溶。乙醇的生產離不開精餾、萃取等化工流程。氧化鈣脫水法、共沸精餾、吸附精餾、滲透汽化、吸附法、萃取精餾法和真空脫水法等多用在乙醇的回收和提純的方面。實際生產中較成熟的方法是共沸精餾和萃取精餾,這2種別離方法多以連續操作的方式出現。在一些領域生產乙醇設備簡單、投資小,可單塔別離多組分混合物,或同一塔可處理種類和組成頻繁更換的物系。塔設備是使氣液成兩相通過精細接觸到達相際傳質和傳熱目的的氣液傳質設備之一，一般分為級間接觸式和連續接觸式兩大類。前者的代表是板式塔，后者的代表那么為填料塔。本次課程設計就是針對乙醇-水體系而進展的常壓二元填料精餾塔的設計及相關設備選型。關鍵詞：乙醇；水；填料塔；精餾1概述 11.1物料性質 11.2塔設備簡介 12流程確實定及說明 12.1.加料 12.2.進料 12.3塔頂冷凝方式 22.4回流方式 22.5加熱方式 22.6加熱器 23精餾塔的設計計算 23.1物料衡算 23.2塔頂氣相、液相，進料和塔底的溫度分別為：、、、 33.3平均相對揮發度α 43.4回流比確實定 43.5熱量衡算 53.5.1加熱介質的選擇 53.5.2冷卻劑的選擇 53.5.3熱量衡算 53.6理論塔板數計算 73.6.1板數計算 73.6.2塔板效率 83.7精餾塔主要尺寸的設計計算 93.7.1流量和物性參數的計算 93.7.2塔徑設計計算 114附屬設備及主要附件的選型計算 154.1．冷凝器 154.2再沸器 164.3塔內其他構件 174.3.1.塔頂蒸汽管 174.3.2.回流管 174.3.3.進料管 184.3.4.塔釜出料管 184.3.5除沫器 184.3.6液體分布器 194.3.7液體再分布器 204.3.8填料支撐板的選擇 204.3.9塔釜設計 214.3.10塔的頂部空間高度 214.3.11手孔的設計 214.3.12．裙座的設計 225精餾塔高度計算 226總結 22附錄 24參考文獻 26第一局部概述1.1物料性質乙醇\t"://baike.baidu/_blank"易燃，具刺激性。其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇\t"://baike.baidu/_blank"明火、高熱能引起燃燒\t"://baike.baidu/_blank"爆炸。與\t"://baike.baidu/_blank"氧化劑接觸發生\t"://baike.baidu/_blank"化學反響或引起燃燒。所以運輸時要單獨裝運，運輸過程中要確保容器不泄漏、不倒塌、不墜落、不損壞。運輸時運輸車輛應配備相應品種和數量的\t"://baike.baidu/_blank"消防器材。要儲存于陰涼、通風的\t"://baike.baidu/_blank"庫房。遠離火種、\t"://baike.baidu/_blank"熱源。在操作過程中，還要注意安全防護等措施。\t"://baike.baidu/_blank"1.2塔設備簡介填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備。填料塔具有生產能力大，別離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優點。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料外表流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續通過填料層的空隙，在填料外表上，氣液兩相密切接觸進展傳質。填料塔屬于連續接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續變化，在正常操作狀態下，氣相為連續相，液相為分散相。第二局部流程確實定及說明2.1.加料加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接加料。雖然采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩定的流量和流速，但由于多了高位槽，建設費用相應增加。假設采用泵加料，流量穩定，傳質效率高，構造簡單，安裝方便。所以本設計采用泵直接加料。2.2.進料進料狀況一般有冷液進料和泡點進料。對于冷液進料，當組成一定時，流量一定，對別離有利，省加熱費用，但其受環境影響較大；而泡點進料時進料溫度受季節、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，泡點進料時，基于恒摩爾流假定，精餾段和提鎦段的塔徑基本相等，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。此設計采用泡點進料。2.3塔頂冷凝方式塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。乙醇和水不反響。且容易冷凝，故使用全凝器。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產品溫度不高無需進一步冷卻。2.4回流方式回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。其優點是回流冷凝器無需支撐構造，其缺點是回流冷凝器回流控制較難。由于本次設計為小型塔，故采用重力回流。2.5加熱方式加熱方式分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱是用蒸汽直接由塔底進入塔內。由于重組分是水，故省略加熱裝置。采用飽和蒸汽直接加熱。2.6加熱器類型采用U型管蒸汽間接加熱器，用水蒸汽作加熱劑。因為塔小，可將加熱器放在塔內，即再沸器。第三局部精餾塔的設計計算3.1物料衡算乙醇M=1\*alphabetica=46.07Kg/Kmol水Mb=18.02Kg/KmolXF=〔0.35/46.07〕/〔0.35/46.07+0.65/18.02〕=0.174XD=〔0.9241/46.07〕/〔0.9241/46.07+0.0759/18.02〕=0.826XW=〔0.003/46.07〕/(0.003/46.07+0.997/18.02)=0.001MF=0.17446.07+(1-0.174)18.02=22.90Kg/KmolMD=0.82646.07+(1-0.826)18.02=41.19Kg/KmolMW=0.00146.07+(1-0.001)18.02=18.05Kg/KmolF=25000/(24*22.90)=45.49Kmol/h由：F=D+WFXF=DXD+WXW聯立得D=9.54Kmol/hW=35.95Kmol/h3.2塔頂氣相、液相，進料和塔底的溫度分別為：、、、表1乙醇-水的汽-液平衡組成乙醇／％〔mol分率〕溫度／℃乙醇／％(mol分率)溫度／℃乙醇／％〔mol分率〕溫度／℃液相氣相液相氣相液相氣相0.000.00100.00.23370.544582.70.57320.684179.30.01900.170095.50.26080.558082.30.67630.738578.740.07210.389189.00.32730.582681.50.74720.781578.410.09660.437586.70.39650.612280.70.89430.894378.150.12380.470485.30.50790.656479.80.16610.508984.10.51980.659979.7由表中數據，用內差法計算得塔頂：〔0.7472-0.826〕/〔0.7472-0.6763〕=〔78.4-〕/〔78.41-78.74〕=78.04℃〔0.7815-0.826〕/〔0.7815-0.7385〕=〔78.41-〕/〔78.41-78.74〕=78.07℃塔釜：(0-0.001)/(0-0.019)=(100-)/(100-95.5)=99.76℃進料：〔0.2337-0.1661〕/〔0.174-0.1661〕=〔82.7-84.1〕/〔-84.1〕=83.94℃精餾段平均溫度：=〔+〕/2=〔78.07+83.94〕/2=81.01℃提餾段平均溫度：=〔+〕/2=〔99.76+83.94〕/2=91.85℃3.3平均相對揮發度α在溫度下乙醇和水的飽和蒸汽壓分別為：精餾段：=81.01℃〔81.01-89.0〕/〔80.7-89.0〕=〔x1-0.5079〕/〔0.3965-0.5079〕=(y1-0.6564)/(0.6122-0.6564)x1=0.4007y1=0.6139精餾段：=91.85℃(91.85-89.0)/(95.5-89.0)=(x2-0.0721)/(0.019-0.0721)=(y2-0.3891)/(0.17-0.3891)x2=0.0488y2=0.2930將分別代入得a1=2.38a2=8.08a=4.393.4回流比確實定由于是泡點進料，=0.174=4.39*0.174/(1+3.39*0.174)=0.480=(0.826-0.480)/(0.480-0.174)=1.13一般操作回流比取最小回流比的1.1~2倍，本設計取1.5倍。即R=1.5=1.51.13=1.70L=R·D=1.70*9.54=16.22kmol/h=L+q·F=16.22+45.49=61.71kmol/h=V=〔R+1〕D=16.22+9.54=25.76kmol/h3.5熱量衡算3.5.1加熱介質常用的加熱劑有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸氣是一種應用最廣泛的加熱劑。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達100~1000℃，適合于高溫加熱。煙道氣的缺點是比熱容及傳熱系數較低，加熱溫度控制困難。所以本設計選用300kPa〔溫度為133.3℃〕的飽和水蒸氣做加熱介質。3.5.2冷卻劑常用的冷卻劑是水和空氣，應因地制宜地加以選用。受當地氣溫限制，冷卻水一般為10~25℃.如需冷卻到較低溫度，那么需采用低溫介質，如冷凍鹽水、氟利昂等。本設計建廠地區為徐州，應該采用冷卻水。循環冷卻水進口溫度32℃，出口溫度為38℃。3.5.3熱量衡算已求得：78.04℃78.07℃99.76℃83.94℃=81.01℃=91.85℃溫度下:EQ=140.12kJ/(kmol·K)=EQ75.34kJ/(kmol·K)=140.120.826+75.34(1-0.826)=128.85kJ/(kmol·K)溫度下：=151.89kJ/(kmol·K)=EQ75.87kJ/(kmol·K)=151.890.001+EQ75.87(1-0.001)=75.95kJ/(kmol·K)溫度下：=83.95kJ/kg；=2314.6kJ/kg；=83.950.826+(1-0.826)=472.08kJ/kg〔1〕0℃時塔頂氣體上升的焓塔頂以0℃為基準，=25.76128.8578.04+25.76472.0841.19=759931.06kJ/h〔2〕回流液的焓78.07℃溫度下EQ=140.12kJ/(kmol·K)=EQ75.34kJ/(kmol·K)=140.120.826+75.34(1-0.826)=128.85kJ/(kmol·K)=16.22128.8578.07=163162.16kJ/h〔3〕塔頂餾出液的焓因餾出口與回流口組成一樣，所以=9.54128.8578.04=95929.03J/h〔4〕冷凝器消耗的焓EQ=759931.06-163162.16-95929.03=500839.87kJ/h〔5〕進料口的焓溫度下：=153.06kJ/(kmol·K)；=EQ76.84kJ/(kmol·K)；=153.060.174+EQ76.84(1-0.174)=90.10所以=45.4990.1083.94=344040.60EQkJ/(kmol·K)(6)塔底殘液的焓=35.9575.9599.76=272384.95EQkJ/(kmol·K)〔7〕再沸器塔釜熱損失為10%，那么η=0.9設再沸器損失能量，加熱器的實際熱負荷=500839.87+272384.95+95929.03-344040.60=525113.25kJ/h3.6理論塔板數計算3.6.1板數計算精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：因為泡點進料，所以q=1.圖1理論板數圖解法〔不含再沸器〕進料板精餾段4塊，提餾段5塊。3.6.2塔板效率表2不同溫度下乙醇-水黏度〔mPa·s〕溫度℃20406080100乙醇1.150.8140.6010.4950.3611.0050.6560.46880.35650.2838全塔的平均溫度：=88.90℃乙醇：乙醇=0.435mPa·s水：=0.324mPa·s因為所以，mPa·smPa·smPa·s全塔液體平均黏度：mPa·s℃，由表3-6-1，利用內插法計算得：因此：x=0.0732y=0.03912已求得4.39全塔效率=0.435實際塔板數：=21塊〔不含塔釜〕3.7精餾塔主要尺寸的設計計算3.7.1流量和物性參數的計算表3乙醇-水在不同溫度下的密度溫度℃=77.470.7350.971=99.890.7160.958=83.540.7300.968塔頂條件下的流量和物性參數=46.07×0.826+18.02×(1-0.826)=41.19kg/kmol=1.303mL/g=0.74405g/mL=767.46=1.432=41.19×25.76=1061.05kg/h=668.10kg/h進料條件下的流量和物性參數=46.07×0.174+18.02×(1-0.174)=22.90kg/kmol=0.7824=1.0865mL/g=0.92039g/mL=920.39=22.90×25.76=589.90kg/h精餾段：EQ=371.44kg/h提餾段：=1413.16kg/h塔底條件下的流量和物性參數=46.07×0.001+18.02×(1-0.001)=18.05kg/kmol=0.590=1.044mL/g=0.95785g/mL=957.85=18.05×25.76=461.36kg/h=1113.87kg/h精餾段的流量和物性參數=1.107=843.93=825.48kg/h=519.77kg/h提餾段的流量和物性參數=0.6862=943.62=525.63kg/h=1263.52kg/h6.體積流量塔頂：進料：塔底：精餾段：提餾段：3.7.2塔徑設計計算1.填料填料塔中填料的種類有很多，基本分類有散堆填料、規整填料和近年來開展起來的毛細管填料。填料的選擇包括確定填料的種類、規格及材質等。所選填料既要滿足生產工藝的要求,又要使設備投資和操作費用最低。填料種類的選擇：填料種類的選擇要考慮別離工藝的要求,通常考慮以下幾個方面：(1)傳質效率要高。一般而言,規整填料的傳質效率高于散裝填料。〔2)通量要大。在保證具有較高傳質效率的前提下,應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。(3)填料層的壓降要低。(4)填料抗污堵性能強,拆裝、檢修方便。Eckert將鮑爾環、拉西環、距鞍填料的性能做了比較，個填料的通過能力以鮑爾環的通過能力最大，拉西環最小，距鞍填料接近鮑爾環。個填料的效率以及操作彈性比較，可明顯看出鮑爾環的效率及操作彈性都居首位。在進展精餾操作時，填料塔對填料的接觸效率要求很高，所以本次設計選擇金屬鮑爾環。填料選用型填料。2.塔徑設計計算表4填料尺寸性能填料名稱EQ〔〕堆積個數n〔〕堆積密度()比外表a〔〕空隙率〔%〕金屬鮑爾環130003651290.945圖2填料塔泛點氣速及氣體壓力降計算用關聯圖根據流量公式可計算塔徑，即(1)精餾段=0.0228由圖查得縱坐標為填料因子精餾段平均溫度：=81.01℃=843.93,0.378mPa·s泛點氣速泛點速率經歷值，取空塔氣速為50%，那么u=0.5×4.748=2.374m/s(2)提餾段：0.0646由圖查得縱坐標為填料因子提餾段平均溫度：=91.85℃943.63,0.378mPa·s泛點速率經歷值，取空塔氣速為50%，那么u=0.5×3.879=1.9393m/s圓整后：全塔塔徑為550mm填料層高度設計計算〔1〕等板高度設計計算精餾段動能因子經查每米填料理論板數為4-4.5塊取n=4HETP=1/n=0.25Z精=NT*HETP精餾段：Z精=4*0.25=1mZ1精=11.5=1.5m提餾段：Z精=50.25=1.25mZ2精=1.251.5=1.875mZ=Z1精+Z2精=3.375m〔2〕.填料層壓強降計算精餾段提餾段第四局部附屬設備及主要附件的選型計算4.1．冷凝器本次設計冷凝器選用殼程式冷凝器。對于蒸餾塔的冷凝器，一般選用列管式、空氣冷凝螺旋板式換熱器。因本次設計冷熱流體溫差不大，所以選用管殼式冷凝器，被冷凝氣體走管間，以便于及時排出冷凝液。徐州最熱月平均氣溫t1=32℃，冷卻劑用循環水，冷卻水出口溫度一般不超過40℃，否那么易結垢，取=38℃。泡點回流溫度1.計算冷卻水流量kg/h2.冷凝器的計算與選型冷凝器選擇列管式，逆流方式=43.06℃操作彈性為1.2，表5冷凝器相關參數公稱直徑/mm管程數管子數量管長/mm換熱面積公稱壓力MPa273Ⅰ3820008.3254.2再沸器選用U型管加熱器，經處理后，放在塔釜內。蒸汽選擇3.69atm，140℃的水蒸氣，傳熱系數K=600kcal/(m·h·℃)=2520kJ/(m·h·℃)，=513kcal/k間接加熱蒸汽量再沸器加熱面積℃為再沸器液體入口溫度；℃為回流汽化為上升蒸汽時的溫度；℃為加熱蒸汽溫度；℃為加熱蒸汽冷凝為液體的溫度；用潛熱加熱可節省蒸汽量從而減少熱量損失℃℃℃4.3塔內其他構件4.3.1.塔頂蒸汽管從塔頂只冷凝器的蒸汽導管，尺寸必須適合，以免產生過大壓降，特別在減壓過程中，過大壓降會影響塔德真空度。操作壓力為常壓，蒸汽速度圓整后表6塔頂蒸汽管參數內徑外徑R內管重/(kg/m)2251201577.104.3.2.回流管冷凝器安裝在塔頂時，回流液在管道中的流速一般不能過高，否那么冷凝器高度也要相應提高，對于重力回流，一般取速度為0.2~0.5m，本次設計取。圓整后表7回流管參數內徑外徑R內管重/(kg/m)501201501.114.3.3.進料管本次加料選用泵加料，所以由泵輸送時可取1.5~2.5m/s，本次設計取=2.0m/s。圓整后表8進料管參數內徑外徑R內管重/(kg/m)501201501.114.3.4.塔釜出料管塔釜流出液體的速度一般可取0.5~1.0m/s，本次設計取。圓整后表9塔頂蒸汽管參數內徑外徑R內管重/(kg/m)501201501.114.3.5除沫器除沫器用于別離塔頂出口氣體中所夾帶的液滴，以降低有價值的產品的損失，并改善塔后動力設備的操作。除沫器的直徑取決于氣體量及選定的氣體速度。氣速計算式中K－－常數，取0.107；－－塔頂氣體和液體密度〔kg/m〕除沫器直徑計算：4.3.6液體分布器采用蓬頭式噴淋器。選此裝置的目的是能使填料外表很好地潤濕，構造簡單，制造和維修方便，噴灑比較均勻，安裝簡單。〔1〕回流液分布器流量系數取0.82~0.85，本次設計取0.82，推動力液柱高度H取0.06m。那么小孔中液體流速小孔輸液能力由Q=得小孔總面積所以，小孔數，即為24個小孔。式中，d－－小孔直徑，一般取4~10mm，本設計取4mm。噴灑器球面中心到填料外表距離計算式中r－－噴灑圓半徑，－－噴灑角，即小孔中心線與垂直軸線間的夾角，〔2〕進料液分布器采用蓮蓬頭由前知W=0.89m/s取d=4mm，，即為28個小孔。蓮蓬頭的直徑范圍為4.3.7液體再分布器液體在亂堆填料層內向下流動時，有偏向塔壁流動的傾向，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕。為將流動塔壁處的液體重新聚集并引向塔中央區域，可在填料塔層內每隔一定高度設置液體再分布器，每段填料層的高度因填料種類而定，對鮑爾環，可為塔徑的5~10倍，但通常不超過6m。此次設計填料層的高度選塔徑的5倍，故每處裝一個再分布器。選取截錐式再分布器，因其適用于直徑0.8m以下的小塔。4.3.8填料支撐板本次設計選用分塊式氣體噴射式支撐板。這種設計板可提供100%的自由截面，波形構造系統承載能力好，空隙率大，宜于1200mm以下的塔。在波形內增設加強板，可提高支撐板的剛度。他的最大液體負荷為145，最大承載能力為40kPa，由于本塔較高，應選此板。表10分塊式氣體噴射式支撐板的設計參考數據塔徑D/(mm)板外徑D/mm分塊數近似重量/N300294228支撐圈尺寸塔徑/(mm)圈外徑/(mm)圈內徑/(mm)厚度/(mm)重量/N300297257341.24.3.9塔釜設計料液在釜內停留15min，裝料系統取0.5。塔底高〔h〕：塔徑〔d〕=1:2塔底液料量塔底體積因為，所以4.3.10塔的頂部空間高度塔的頂部空間高度是指塔頂第一層塔盤到塔頂封頭切線的距離。為了減少塔頂出口氣體中夾帶的液體量，頂部空間一般取1.2~1.5m，本設計取1.2m。4.3.11手孔的設計手孔是指手和手提燈能伸入的設備孔口，用于不便進入或不必進入設備即能清理、