生物科學技術學院生物工程專業課程設計PAGE第22頁，共化工原理課程設計（2013-2014學年第一學期）題目名稱：精餾塔工藝設計化工原理課程設計任務書專業：生物工程同組成員：一．題目：精餾塔工藝設計二．設計條件：1．基礎數據：項目進料質量分率餾份質量分率殘液質量分率冷卻用水蒸汽流速年產量年工作日符號αFαDαWT進T出uPn單位%%%℃℃m/sT/ad數據35900.009227520200003652．操作條件：（加壓/常壓/減壓）3．進料熱狀態：（冷液進料/飽和液體進料/飽和蒸汽進料）三．設計和計算內容全塔物料平衡計算（列出物料恒算表），塔內各點溫度的確定，塔板數及進料位置的確定、塔徑、塔高的計算及塔板結構尺寸的確定（含塔板布置圖），塔板水力計算，塔板操作負荷性能校核，各主要接管的尺寸的選擇計算、位置的確定，附屬設備的選用計算和加熱蒸汽及冷卻用水消耗量的計算。四．設計要求1．寫出設計計算說明書一份，包括：目錄、任務書、前言、工藝流程圖及流程說明，工藝設計計算結果匯總表，工藝管線接管尺寸匯總表，對設計結果的評價及問題的討論，設計所用的參考書目（書名，著作，出版社，出版年月日）計算包括：主要設備的工藝計算（物料恒算，熱量恒算，操作條件的確定，塔板數及進料位置的確定，必要的草圖，選用的公式，經驗公式要注明來源）。主要設備的結構尺寸的確定步驟，附屬設備的選用計算。2．附圖：精餾塔的裝配圖（正視圖，俯視圖（管口位置），局部放大圖），塔板布置圖，酒精生產工藝流程圖，操作負荷性能圖，常壓下乙醇—水溶液的y-x圖（階梯圖，局部放大圖）。圖紙尺寸：A3。發出任務書時間：年月日完成設計時間：年月日指導教師： 目錄任務書—————————————————————————————2目錄——————————————————————————————3前言——————————————————————————————4關鍵字—————————————————————————————4第一部分設計方案的確定一、設計方案的內容———————————————————————5二、確定設計方案的原則—————————————————————5第二部分板式精餾塔的工藝計算一、回流比的確定————————————————————————5二、實際塔板數的確定——————————————————————6三、物料衡算——————————————————————————8四、熱量衡算——————————————————————————10第三部分塔板和塔主要工藝尺寸設計一、初選塔板間距————————————————————————10二、塔徑計算——————————————————————————11三、塔板布置及板上液體流程———————————————————12四、溢流裝置——————————————————————————12五、鼓泡區閥孔分布———————————————————————14第四部分塔板的流體力學計算一、氣相通過塔板的壓降—————————————————————15二、降液管內液面高度——————————————————————16三、霧沫夾帶——————————————————————————16四、負荷性能圖—————————————————————————17第五部分板式塔的結構設計一、塔板結構——————————————————————————19二、接管結構——————————————————————————19三、塔體、封頭及入口——————————————————————20四、支座————————————————————————————21五、補強圈———————————————————————————22第六部分塔式精餾塔的輔助設備設計一、冷凝器———————————————————————————22二、加熱蒸汽鼓泡管———————————————————————23三、除沫器———————————————————————————23第七部分設計結果匯總工藝設計參數表———————————————————————24塔和塔板的主要尺寸表————————————————————25板式塔結構參數表——————————————————————26第八部分參考文獻及設計論述——————————————————27前言化工、石油、輕工業生產過程中，常要將均相液體混合物分離，以達到分離或回收有用組分的目的，分離均相液體混合物的方法中，常用蒸餾分離法，其在工業中應用范圍十分廣泛，是分離液體混合物的重要單元操作之一。各種混合物分離的方法，都是造成一個離相物系，利用均相混合物中各組分的某種物性的差異使其中某個組分或某些組分從一相向另一相傳遞，以達到分離的目的。蒸餾就是利用均相混合物中各組分揮發性的差異進行分離的一種單元操作。在一定的總壓下，將均相混合物直接加熱，使其部分汽化，使他們達到一定程度的分離，將液體部分汽化或部分冷凝后，最終得到較純的易揮發組分，而在液相中得到較難揮發的組分。精餾塔是進行精餾的一種塔式氣液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據操作方式又可分為連續精餾塔與間歇精餾塔。蒸汽由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發（低沸點）組分不斷地向蒸汽中轉移，蒸汽中的難揮發（高沸點）組分不斷地向下降液中轉移，蒸汽愈接近塔頂，其易揮發組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發組分則愈富集，達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸汽進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取用。塔底流出的液體，其余的一部分送入再沸器，熱蒸發后，蒸汽返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取出。精餾塔的工作原理是根據各混合氣體的汽化點（或沸點）的不同，控制塔各節的不同溫度，達到分離提純的目的。化工生產常需進行液體混合物的分離以達到提純或回收有用組分的目的，精餾操作在化工、石油化工、輕工等工業生產中占有重要的地位。為此，掌握氣液相平衡關系，熟悉各種塔型的操作特性，對選擇、設計和分析分離過程中的各種參數是非常重要的。要想把低濃度的乙醇水溶液提升到高純度，要用連續精餾的方法，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?；S中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內進行的，塔內裝有若干塔板或填充一定高度的填料。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，才能實施整個操作。本設計是針對工業生產中常用的精餾操作而作的，對精餾操作的設備和工藝計算進行了初步的設計，設計的具體內容見以下章節。關鍵字：精餾塔課程設計化工原理第一部分設計方案的確定設計方案的內容：操作壓力.確定操作壓力時，必須根據所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經濟上的合理性進行考慮。減壓蒸餾應用于熱敏性物料，減壓操作組分之間相對揮發度較大有利于分離；加壓蒸餾應用于沸點低，常壓下呈氣態的物料；本次設計用的料液為乙醇—水溶液，無特殊要求，可選用常壓蒸餾。進料狀態本次設計采用泡點進料，泡點進料塔的操作比較容易控制，不致受季節氣溫影響。此外，泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，在設計上和制造上比較方便。加熱方式本次設計進料為乙醇—水溶液，塔底產物基本上是水，且在濃度稀薄時溶液的相對揮發度較大，所以采用直接蒸汽加熱。節省設備費，且可用較低溫度的蒸汽加熱。熱能利用蒸餾過程中的特性是重復的進行汽化和冷凝，因此熱效低，塔頂蒸汽和塔底殘液都有余熱可以利用，但在利用這些熱量時需分別考慮這些熱量的特點。確定設計方案的原則總原則是在可能的條件下，采用科學技術上的最新成就，使生產達到技術上最先進經濟上最合理的要求。符合優質、高產、安全、低消耗的原則。滿足工藝和操作的要求流程和設備首先必須保證產品達到要求，質量要穩定，其次，設計方案要有一定的操作彈性，流量應能在一定范圍內進行調節，再次要考慮必須裝置的儀表及其裝置位置。滿足經濟上的要求保證安全生產第二部分板式精餾塔的工藝計算回流比的確定繪制相平衡曲線（見附圖）各種組成的確定MA=46g/mol,MB=18g/molXF=eq\f(αF/MA,αF/MA+(1-αF)/MB)=eq\f(35/46,35/46+65/18)=17.4%XD=eq\f(αD/MA,αD/MA+(1-αD)/MB)=eq\f(90/46,90/46+10/18)=77.885%XW=0.009%÷2.5≈0.0035%溫度的確定進料溫度℃塔頂溫度tD=78.354℃確定最小回流比Rmin在附圖中，過（X0,Y0）點作相平衡曲線的切線，得截距B=40.66∵B=eq\f(XD,Rmin+1)∴Rmin=eq\f(XD,B)-1=0.9155確定最小理論塔板數Nmin全回流情況下作圖得Nmin=8確定回流比R取R為（1.2~2.5）Rmin查圖得4-3，計算NN*RminR1.2Rmin1.5Rmin2.0Rmin2.5Rmin1.09861.373251.8312.28875(R-Rm)/（R+1）0.087360.19290.32340.4176(N-Nm)/(N+1)0/56170.45490.35450.2928N19.5315.5112.9411.73吉利蘭圖：0.75-0.75*N=根據R-N關系示意圖，R=取R=1.6實際塔板數的確定理論塔板數NTD`=L=RD=1.6×69.78=111.648V=(R+1)D=2.667.68=181.428V`=V0=V=181.428L`=W=L+FF*xFL`=W=L+F=111.648+321.05=432.698精餾段操作線方程=提餾段操作線方程在圖1中，過（）點和（0，29.9558）作精餾線，過()做提級，到x<xW為止。在附圖1中作圖得14塊塔板,包括塔釜。即Nt=14。實際塔板數NP確定全塔效率ET平均溫度tm=eq\f(tD+tW,2)=eq\f(78.354+99.992,2)=89.173。=0.0035在t=89.173下求的所以由課本附錄十二中查乙醇（x=10.5,y=13.8）和水（x=10.2,y=13.0）對應的粘度系數，查得=0.38×0.06045+0.32×（1-0.06045）=0.38

ET=2實際塔板數NP取NP=29即N=29精餾板8個即NT`=8此外實際加料板NP1=18塊即進料加在第19塊實際塔板上物料衡算平均分子量液相：汽相：密度計算由附錄六查得水在各溫度下的ρ，進料：在tF=83.75下，,塔頂：在tD=78.354下，塔底在tW=99.992下，物料計算物質的量流量W=432.698V`=V0=V=181.428L=111.648L`=W=L+F=111.648+321.05=432.698∴換算為體積流量為：精餾段：提餾段：塔底：四、熱量衡算由表查得，在tD=78.354下，塔頂餾分汽化潛熱，在tW=99.992下，釜底汽化潛熱，。加熱蒸汽用量∴加熱蒸汽的質量流率冷卻水用量第三部分塔板和塔主要工藝尺寸設計初選塔板間距初定適宜的空塔氣速u=1m/s由浮閥塔板間距參考數值表D0.2~0.50.5~0.80.8~1.61.6~2.02.0~2.4>2.4HT200~300300~350350~450450~600500~800取HT=400mm，塔徑的計算需求，C由下式計算：,由smith圖查取，取板間距HT=0.4m，取板上液層高度hL=70mm，則HL-hL=400-70=330mm=0.33m史密斯關聯圖圖中HT——塔板間距，m；hL——板上液層高度，m；V,L——分別為塔內氣、液兩相體積流量，m3/s；ρV，ρL——分別為塔內氣、液相的密度，kg/m3。二、塔徑的計算精餾段塔徑計算查上表C20=0.065表面張力計算混合物的臨界溫度計算查表得，Tc乙醇=243K，Tc水=374K氣體負荷參數：U允許=空塔速度初步估算塔徑為：由表，圓整取提餾段計算查C20圖：取C20=0.07表面張力計算：查圖混合物的臨界溫度25℃時，乙醇水溶液表面張力氣體負荷參數空塔速度:初步估計：由表圓整D=1000mm最后取塔徑D=1400mmHT=400mm三、塔板布置及板上液體流程D=1400mm查表得液流程數為單流塔板，塔盤結構形式為分塊塔板溢流裝置降液管降液管面積查表2、液體線速度：3、液體在降液管中的停留時間（1）精餾段（2）提餾段溢流堰堰長：參照表取在0.6~0.8之間堰高平堰上液流高度E——液流收縮系數，一般取1how——堰上液流高度Lh——液流量Lw——堰長精餾段提餾段堰高精餾段提餾段降液管底部與下一塔板的間隙h(三)受液盤及入口堰∴采用凹形受液盤深度為50mm由于受液盤對改變液體流向具有緩沖作用，所以不用設置入口堰（四）安定區與邊緣區的安排安定區安定區寬度Ws取90mm邊緣區邊緣區寬度Wc取60mm五、鼓泡區閥孔分布1．閥孔孔徑d0按JB118-68選取孔徑為39mm2.塔板上浮閥數與開孔率取（F0）c=12精餾段在10%~14%內（2）提餾段經計算，精餾段和提餾段的開口率均在10%~14%之間∴查表得n=168塊，t1=65mm，。閥孔的排列按等腰三角形排列，采用叉排三角形底邊t`固定為75mm查表，取高度h=t1=65mm第四部分塔板的流體力學計算氣相通過塔板的壓降干板壓降hc精餾段提餾段塔板上液層有效阻力hl精餾段有效阻力液柱提餾段有效阻力液柱3、塔底壓力精餾段壓降：提餾段壓降：由前面求的Np=29塊，精餾段塔板數ND=18塊，∴提餾段塔板數Nw=11塊塔底壓降：二、降液管內液面高度∵無入口堰精餾段液層高度符合要求提餾段液層高度符合要求三液沫夾帶液相流程長氣相負荷因數K：物性系數CF——泛點負荷因數K由P32得k=1由板上液流面積：大塔：F1必須小于80%∴F1=48.52%∴液沫夾帶量ev可控制在10%以下四負荷性能圖（一）氣相下限操作線（1）漏液線當閥孔動能因數F0為5~6時，泄漏量接近10%，可作為確定氣相負荷下限值的依據。取取F0=5時`(二)過量霧沫夾帶線（2線）F1=80%時，由液相下限線（3線）對平堰取堰上液流高度how=6mm作為液相負荷下限條件故方程為：液相上限線（4線）根據對液相在降液管內停留時間的要求取t=5s液泛線（5線）∴(六)操作負荷線（操作線）本設計中在負荷圖上，通過l0（0，0）作操作線OAB符合畫圖時由于VS與LS相差有1000倍，特取10VS=100LS作圖第五部分板式塔的結構設計一塔板結構（一）塔板結構塔徑D=1400>800所以采用單流分塊式塔板塔板厚度為4mm。由黃皮書P-46表8-1塔板分為4塊：其中弓形板2塊，通道板1塊，矩形板1塊。1、矩形板短邊長為420mm長邊長L1=Dg-2b-56=1400-2（Dg是塔出標直徑，b是弓形板寬Wd）2、通道板短邊長為400mm長邊長L1=894mm3、弓形板因為Dg>2000mm，m=20mm弧邊直徑D=Dg-2m=1400-220=1360mm弓形板矢高e=0.5[Dg-377(n-3)-18(n-1)-400-2m]=0.5[1400-377(4-3)-18(4-1)-400-220]=264.5mm（二）受液盤結構本設計采用凹形受液盤，受液盤深度為50mmDg=1400mm在800~1400mm之間所以取=4mm開兩個直徑為10mm的淚孔（三）降液板結構降液板長度就是堰長tw=1.029mm（四）支承板和支承圈結構支承板厚度取10mm，寬度取50mm材料選用A3鋼（五）緊固件結構（1.兩種龍門楔子承固件2.螺紋卡極緊固件）本設計用龍門楔子承固件，其結構簡單，裝拆方便，不需特殊鋼材。二、接管結構（一）進料管液體流速uf=0.6m/sdF=0.06879m=68.79mm取進料管如下（mm）內管dg1*S1外管dg2*S2abcH1H276*4108*41570305120150uF===0.52m/s(二)回流管UL=0.45m/sdL===0.0644m=64.4mm取dL=65mm外徑D=76mm壁厚=4mmUL===0.49m/s（三）塔釜金出料管Uw=0.6m/sdw===0.0696m=69.6mm取dw=65mm，D=76mm，壁厚=4mmUw==0.687m/s（四）進氣管U=20m/sd===311.07mm取d=300mm，D=325mm，壁厚=8mmU===21.5m/s三、塔體、封頭及人孔1、塔體查表4-11塔體公稱直徑為1400mm筒體壁厚為6mm；材料為A3鋼2、封頭公稱直徑Dg曲面高度h1直邊高度h2內表面積F容積V1400mm350mm40mm2.29m0.421m材料為A3鋼，厚度為6mm，重量為106kg3、人孔每隔9塊塔開一人孔，人孔處兩板間距為800mm公稱直徑DgDD1HH1Abb1S螺栓及螺母數量直徑*長度5006005602331403251210616M16*45公稱直徑Dg標記常壓人孔常壓回轉蓋人孔總重kg標準圖號總重kg標準圖號500人孔Dg50042.1HG-21515-95-343HG21517-95-3四、支座 （一）座體座體厚度SG基礎環厚度S環地腳螺栓個數及公稱直徑4.0mm15.7mmZ-M:8-36圓整SG=4mmS環=15mm座體高度取1700mm（二）基礎環（是塊圓形墊極將塔底傳遞下來的重量傳遞到基礎上去）由上螺栓尺寸M36裙座名義直徑（mm）D1（mm）D2cm2D0cm2F環*102W環*1041400173016001200121.939.8（三）螺栓座螺栓直徑M27d1d2s1sah1ll1D1b344026123001201+50D環外-130（D環外-D座外）/2（四）管孔 選圓人孔d0=450mm2個引出管通孔250*S環排氣管孔4個五、補強圈接管公稱直徑100125500接管外徑108133530補強圈內徑112137534補強圈外徑200250840第六部分精餾塔的輔助設備設計一、冷凝器（一）冷凝器的放置方式臥式冷凝器（二）冷凝器的選型冷凝水走管程K=550w/m2冷卻水進出口溫度分別為20和70==℃Qc=7.224106kJ/h所以A==取一個A計=183m2的固定管板式換熱器各換熱器的基本參數如下：公稱直徑Dg=1000mm，管程數Ⅰ管子數量為801管長l為6000mm換熱面積公稱值為180m2選用碳鋼管25*2.5其管程通道截面積為0.2516m2公稱壓力pg=6kg/cm2二、加熱蒸汽鼓泡管（直接蒸汽加熱）（一）加熱蒸汽用量GB=3.27103kg/h（二）計算加熱蒸汽管直徑及孔數1、直徑由前算得d=300mm2、孔數N0孔徑d0=10mm空心距t=8d0=80mmN0==3、有效長度L=D-20=1400-20=1380mm4、排列孔數n===17.25185、孔的行數=N0/n=實際排列數n==實際排列數你n>排列孔數n所以成立三、除沫器（一）除沫器結構選用大型除沫器，安裝在塔頂人孔以下（二）除沫器直徑氣速u=0.107=m/s在1～3m/s內除沫器直徑D==四、輸送機稱離心泵的選取F-熱料m3/hG-冷卻水m3/h第七部分設計結果匯總一、工藝設計參數表名稱符號單位數值進料質量百分率（輕組分）aF35%餾出液質量百分率（輕組分）aV90%殘液質量百分率（輕組分）aw0.009%進料中易揮發組分的摩爾分率XF17.4%產品中易揮發組分的摩爾分率XD77.885%釜液中易揮發組分的摩爾分率Xw0.0035%進料溫度tF83.75塔頂溫度tD78.354塔底溫度tW99.992最小回流比Rmin0.9155最小理論塔板數Nmin塊8回流比R1.6理論塔板數NT塊14全塔效率ET45.6%實際塔板數NP塊29進料平均分子量MFg/mol22.872塔底液相平均分子量g/mol18.00塔頂液相平均分子量g/mol39.8078塔底汽相平均分子量g/mol18.01塔頂汽相平均分子量g/mol41.08精餾段汽相密度Kg/m31.425提餾段汽相密度Kg/m30.5885進料液密度Kg/m3871.84塔頂液相密度Kg/m3757.804塔底液相密度Kg/m3958.382進料的摩爾流率FKmol/h321.05塔底產物的摩爾流率WKmol/h432.698塔頂產物的摩爾流率DKmol/h69.78精餾段液相摩爾流率LKmol/h111．648提餾段液相摩爾流率L,Kmol/h432.698精餾段汽相摩爾流率VKmol/h181.428提餾段汽相摩爾流率V,Kmol/h181.428加熱蒸汽摩爾流率V0Kmol/h181.428進料的體積流量FSm3/s2.34塔底產物的體積流量WSm3/s2.28塔頂產物的質量流量Kg/h2777.78精餾段汽相體積流量VSm3/s1.428提餾段汽相體積流量VS，m3/s1.542精餾段液相體積流量LSm3/s1.629提餾段液相體積流量LS,m3/s2.257塔底的摩爾汽化潛熱rv,kJ/kmol40669.82塔頂的摩爾汽化潛熱rvkJ/kmol39818.02冷卻劑的質量流率GCKg/h3.27加熱蒸汽的質量流率GBKg/h3.27加熱蒸汽的冷凝潛熱rBkJ/kg2258.02冷卻劑的比熱CPkJ/kg4.174冷卻劑進口溫度t122冷卻劑出口溫度t275冷凝器的熱負荷QCKJ/h7.224加熱蒸汽熱負荷QBKJ/h7.38二、塔和塔板的主要尺寸表名稱符號單位數值塔徑Dmm1400塔板間距HTmm400堰長lwmm1029弓形寬度Wdmm225堰高howmm60降液管面積Afcm21609.79受液盤深度hmm60安定區Wsmm90邊緣區Wcmm60閥孔孔徑d0mm39閥孔個數n個168開孔率13.04%塔板上液層有效阻力hem液柱0.035精餾段干板壓降hcm液柱0.052提餾段干板壓降hcm液柱0.041塔底壓力Pwkpu120.83精餾段液層高度Hdm0.156提餾段液層高度Hdm0.148泛點率F148.52%三、板式塔結構參數表名稱符號單位數值塔板厚度mm4矩形板短邊長mm400矩形板長邊長L1mm894弓形板弧邊直徑Dmm1360弓形板矢高emm264.5進料管徑dFmm144回流管徑dLmm100塔釜出料管徑dwmm80進氣管徑dmm400塔體壁厚mm4封頭曲面高度h1mm350直邊高度h2mm40封頭內表面積Fm22.29封頭容積Vm30.421人孔孔徑Dgmm500座體厚度Scmm4基礎環厚度S環mm15四、板式精餾塔輔助設備參數表名稱符號單位數值冷凝器傳熱系數Kw/m2550冷凝器換熱面積Am2194.2336冷凝器公稱直徑Dgmm1000冷凝器管長lmm6000管子數量S根801加熱蒸汽鼓泡管孔數N0個1261有效長度Lmm1380實際排列數n列28除沫器氣速um/s2.465除沫器直徑Dm0.86第八部分參考文獻及設計論述參考文獻1.王志魁等《化工原理（第四版）》化學工業出版社2．萬惠萍主編《浮閥式精餾塔設計》大連工藝大學化工原理教研室3．其他參考書二、設計論述通過為期兩周的課程設計實踐學習環節，我組對于精餾單元操作的認識得到了進一步的升華。本次化工原理課程設計是學習化工原理以來第一次