乙醇-水筛板精馏塔设化工原理课程设计报告

1、-一设计题目乙醇水二元物系筛板式精馏塔的设计二设计条件常压： P=1atm处理量：100kmol/h进料组成：0.45馏出液组成：0.88釜液组成：0.12塔顶设全凝器，泡点回流加料热状况：q=0.98回流比单板压降0.7kPa三设计容 (1)精馏塔塔体工艺设计，包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计计算 (2)绘制带控制点的工艺流程图、精馏塔设计条件图。 (3)撰写精馏塔的设计说明书。目录化工原理单元设计任务书2第一章前言11.1精馏原理及其在工业生产中的应用11.2精馏操作对塔设备的要求11.3常用板式塔类型及本设计的选型21.4本设计所选塔的特性3第二章精馏塔的工艺设计52.1全塔物料衡算

2、52.2温度计算52.3气相组成计算62.4摩尔组成计算82.5混合液体外表力计算82.6平均相对挥发度的计算132.7精馏段和提馏段操作线方程132.8逐板法确定理论板数及进料位置14理论板数的计算14实际塔板数及加料位置的计算162.9全塔效率的计算17粘度计算17板效率计算17第三章热量衡算193.1加热器热负荷及全塔热量衡算193.2热量衡算20第四章精馏塔的主要工艺尺寸的计算214 .1体积流量的计算214.2塔径的计算224.3溢流装置的计算22堰长22溢流堰高度22弓形降液管宽度和截面积23降液底隙高度244.4塔板布置25边缘区宽度确定25开孔区面积计算25筛孔计算及其排列26

3、塔有效高度Z以精馏段为例26总高度计算26第五章精馏塔立体力学计算275.1塔板压降275.2液面落差285.3液沫夹带295.4漏液295.5液泛30第六章塔板负荷性能图316.1漏液线316.2液沫夹带线326.3液相负荷下限线336.4液相负荷上限线346.5液泛线33完毕语37主要符号说明38附录140参考文献41化工单元设计教师评分表42. z-摘要精馏是一种最常用的别离方法，它依据屡次局部汽化、屡次局部冷凝的原理来实现连续的高纯度别离。本设计采用浮阀精馏塔，进展甲醇水二元物系的别离，此设计针对二元物系的精馏问题进展分析、计算、核算、绘图，从而到达二元物系别离的目的。精馏操作在化工、

4、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析别离过程中的各种参数是非常重要的。本设计是以乙醇-水物系为设计物系，以筛板塔为精馏塔设备别离乙醇和水。筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系乙醇-水的精馏问题进展分析，选取，计算，核算，绘图等，是叫完整的精馏设计过程。通过逐板计算得出理论板9块，回流比为1.3，算出塔效率为0.45，实际板数为20块，尽料位置为第9块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1米，通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据交均符合标准。本次设计过程正常，操作适宜。关键词：乙醇-水，精

5、馏，筛板塔 Abstract Distillation is one of the most monly used methods of separation, which is based on the principle of multiple partial condensation to achieve continuous high purity separation. The design uses float valve distillation column for the separation of methanol water two yuan system, this d

6、esign for the two element system of distillation column analysis, calculation, calculation, drawing, so as to achieve the purpose of two yuan. This design is in ethanol water system design, the sieve plate distillation tower equipment separation of ethanol and water. Sieve plate tower is the main ga

7、s liquid mass transfer in chemical production equipment, this design to solve the problem of binary system of ethanol - water distillation analysis, selection, calculation, accounting, drawing and so on is called a plete the process of distillation design. By plate calculated theoretical plate numbe

8、r 9, reflu* ratio is 1.3, the calculated column efficiency of 0.45, the actual number of board for 20 blocks, as raw materials for the 9, tower diameter is 1 meter. By calculating the fluid mechanics of the sieve plate tower, Ming the indicator data of the cross are in line with the standards could

9、obtained in the design and calculation of the main process dimension of plate tower. The design process is the normal operation right.Keywords: ethanol - water distillation tray tower. z-第一章前言1.1精馏原理及其在工业生产中的应用1精馏原理：化工生产常需将液体混合物别离以到达提纯或回收有用组分的目的。别离互溶液体混合物有许多种方法，蒸馏是广泛应用的一种方法。液体具有挥发而成为蒸汽的能力。各种液体的挥发能力不

10、同，因此，液体混合物汽化后所生成的蒸汽组成与原来液体的组成是有差异的，蒸馏就是藉液体混合物中各组分挥发性的差异而进展别离的一种操作。2精馏应用：在精馏时，共沸组分能以恒沸物的形式从精馏塔顶蒸出，工业上把这种操作称为恒沸精馏。恒沸精馏的过程中，所参加的共沸组分必须从塔顶蒸出，而后冷凝别离，循环使用。因而恒沸精馏消耗的能量包括汽化共沸剂的热量和输送物料的电能较多。恒沸精馏生产无水酒精有很大的优点。作为塔底产品的乙醇(无水酒精)并不汽化,要分出的水只占料液的极小局部,又不需要很大的回流比,故汽化量(三元共沸物)相对较小。三元恒沸物的冷凝液分为轻重两相,夹带剂易于别离,循环利用。质量进一步提高.所示的

11、工艺适于生产质量要求不高,只对酒精度有严格要求的产品。用该法生产的无水酒精,可广泛应用于化学、医学、医药、电子、化装品等行业。也适用于汽油醇等方面。1.2精馏操作对塔设备的要求精馏所进展的是气液两相之间的传质，而作为气液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气液两相得到充分的接触，以到达较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备以下各种根本要求：1气液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。2操作稳定，弹性大，即当塔设备的气液负荷有较大围的变动时，仍能在较高的传质效率下进展稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。3流体流动的阻力

12、小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。4构造简单，材料耗用量小，制造和安装容易。5耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。6塔的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有*些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进展选型。1.3常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔可分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔。泡罩塔:塔板上开有假设干个孔，孔上焊有短管作为上升气体的通道，称为升气管。短管上覆以泡罩，泡罩下部周边开

13、有许多齿缝，齿缝一般有矩形，三角形及梯形三种，常用的是矩形；泡罩在塔板上依等边三角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持塔板上有一定厚度的流动液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成了鼓泡层和泡沫层，为气液两相提供了大量的传质界面。在泡罩塔板上由于有升气管，即使在很低的气速下操作，也不至于产生严重的漏液现象，当气液负荷有较大波动时，仍能保持稳定操作，塔板效率不变，即操作弹性较大；塔板不易堵塞，适用于处理各种物料。其缺点是构造复杂、造价高；气体流径曲折，塔板压降大，生产能力及板效率较低。筛板塔：塔板上开有许多均布的筛孔，孔径

14、一般为38mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而出，气液间密切接触而进展传质。在正常操作气速下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。筛板的优点是构造简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。浮阀塔：浮阀塔坂上开有假设干标准孔径为39mm的孔，每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片。目前国已采用的浮阀有五种，但最常用的型式为F1型、V-4型及T型。阀片本身有三条“腿，插入孔后将各腿底脚扳

15、转90°角，用以限制阀片在板上升起的最大高度(8.5mm)；阀片周边又冲出三块略向下弯的定距片，当气速很低时，靠这三个定距片使阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，阀片与塔板间始终保持2.5mm的开度供气体均匀地流过，防止了阀片启闭不匀的脉冲现象，阀片与塔板的点接触也可防止停工后阀片与板面粘结。操作时，由阀孔上升的气流，经过阀片与塔板间的间隙与板上横流的液体接触。浮阀开度随气体负荷而变。在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，防止过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。浮阀塔板的优点是构造简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气

16、量的变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，气液接触时间长，故塔板效率高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。本设计采用的是浮阀式精馏塔。1.4本设计所选塔的特性本设计之所以采用筛板精馏塔，是因为具有以下特性：1) 气液处理量大；2操作稳定，弹性大；3流动流体的阻力小；4构造简单，材料耗能小，造价和安装容易；（5） 耐腐蚀不易堵塞，方便操作，调节和检修；6塔的滞留量小。筛板塔是板式塔中较早出现的塔形之一，它综合具有构造简单，制造维修方便，生产能力大，塔板效率较高，压降小等优点，缺乏之处是操作弹性

17、较小，筛孔也易堵塞。使用曾一度受限制，但是近几十年来，经过大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方案法，还开发了大孔径筛板，导向筛板等形式，使筛板的缺乏得到补救，即合理的设计可以保证较高的操作弹性。现在，筛板塔已经成为生产上最广泛采用的塔径之一。. z-第二章精馏塔的工艺设计2.1全塔物料衡算将各项组成由摩尔分数换算为质量分数：=0.45 *=67.65%=0.88 *=94.93%=0.12 *=25.84%解得2.2温度计算由附表1中数据，利用插值法求得、进料温度：=80.27塔顶温度：=78.18塔底温度: =85.46精馏段平均温度：=79.23提馏段平均温度

18、：=82.87全塔平均温度:=81.302.3气相组成计算：混合液体密度：为质量分数，为平均相对分子质量混合气体密度：塔顶温度：=78.18气相组成：: =88.11%进料温度：=80.27气相组成：: =63.33%塔底温度：=85.46气相组成：: =4.66%精馏段：平均液相组成：平均气相组成：液相平均分子量：气相平均分子量：提馏段：平均液相组成：平均气相组成：液相平均分子量：气相平均分子量：根据附表3中数据，利用插值法求得在、下的丙酮和水的密度=精馏段平均密度:提馏段平均密度:2.4摩尔组成计算2.5混合液体外表力计算二元有机物-水溶液外表力可用以下公式计算乙醇q=2式中：注：下角标W

19、、O、S分别代表水、有机物及外表局部，、指主体局部的分子数；、指主体局部的分子体积；、为纯水、有机物的外表力，对于乙醇q=2。：=78.18=80.27=85.46根据附表4数据，利用插值法求得在、下的乙醇和水的外表力乙醇在塔顶、塔底、进料的外表力水在塔顶、塔底、进料的外表力塔顶液外表力：= = =联立方程组：带入数据求得：原料液外表力：= =联立方程组：代入数据求得：塔底外表力：=联立方程组：代入数据求得：精馏段的平均外表力：提馏段的平均外表力：2.6平均相对挥发度的计算根据=由=0.275 =0.6333: = =2.11由=0.88 =0.8811: = =1.01由=0.02 =0.1

20、777: =精馏段平均相对挥发度：=提馏段平均相对挥发度：=全塔平均相对挥发度：2.7精馏段和提馏段操作线方程平衡线方程q线方程联立上述两方程，解得最小回流比精馏段下降蒸汽量：精馏段上升蒸汽量：提馏段下降蒸汽量：提馏段上升蒸汽量：带入数据得出精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：2.8逐板法确定理论板数及进料位置理论板数的计算：平衡方程：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：利用逐板法求理论板如下：精馏方程精馏方程<,所以理论板数是4块下面进入提馏段提馏提馏提馏提馏因为,所需总理论板数为9块2.9全塔效率的计算粘度计算：根据附表2中数据，利用插值法求得：: :精馏段粘度：=提馏段粘度：=板效

21、率计算板效率可用奥康奈尔公式式中：-塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度-塔顶与塔底平均温度下的液相粘度mpa.s精馏段=所以块提馏段=所以块实际塔板数及加料位置的计算得出全塔共20块板，进料位置是第9块板。. z-第三章热量衡算3.1加热器热负荷及全塔热量衡算：=78.18=80.27=85.46（1） 塔顶温度下的比热容对于乙醇查液体比热容共线图,查得（2） 进料温度下的比热容,查得(3) 塔底温度下的比热容,查得(4) 塔顶温度下的汽化潜热3.2热量衡算所以由于塔釜热损失为，则所以式中：加热器理想热负荷，kJ/h 加热器实际热负荷，kJ/h塔顶馏出液带出热量，kJ/h 塔釜馏出液带出热量kJ

22、/h表4-1热量衡算计算结果工程进料冷凝器塔顶流出液塔底残液再沸器平均比热容114157.49热量1006278121973.04550210.21405423.9479254.66. z-第四章精馏塔的主要工艺尺寸的计算4 .1体积流量的计算：精馏段：则质量流量：体积流量：提馏段：q=0.98则质量流量：体积流量：4.2塔径的计算精馏段：由=平安系数，平安系数=0.60.8，=式中C可由史密斯关联图查出。横坐标数值：取板间距,则查图可知：圆整，横截面积，空塔气速提馏段：横坐标数值：查图可知：圆整，横截面积，空塔气速4.3溢流装置的计算塔径，可采用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下

23、：堰长取溢流堰高度精馏段：提馏段：弓形降液管宽度和截面积查图得出验算降液停留时间精馏段：提馏段：停留时间，故降液管可用。降液底隙高度精馏段：取降液底隙的流速则提馏段：取降液底隙的流速则4.4塔板布置边缘区宽度确定取开孔区面积计算开孔区面积，对单溢流型塔板，开孔区面积可用下式计算，即式中， , 为角度表示的反函数。故筛孔计算及其排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用鼓泡型筛板塔，的碳钢板，筛孔按正三角形排列，取中心孔距筛孔数目：式中：-鼓泡区面积，-筛孔的中心孔距，则：个开孔率：气体通过筛孔的气速：精馏段提馏段塔有效高度Z以精馏段为例总高度计算塔顶封头本设计采用椭圆封头，有公称直径DN=2000

24、mm，查得由曲面高度，直边高度，外表积，容积，则封头高度：塔顶空间设计中取塔顶间距，选取塔顶空间为1.2m塔底空间塔底空间高度是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边距离，取釜液停留时间为，则塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m，则封头容积进料板处间距考虑在进口处安装防冲设施，取进料板间距HF=800mm裙座塔底常用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙座，裙座壁厚取16mm。根底环径：根底环外径：圆整后：考虑到再沸器，取裙座高3m。塔体总高度：. z-第五章精馏塔流体力学计算5.1塔板压降精馏段：干板阻力由查图得故液柱气体通过液层阻力计算由得液柱液体外表力的阻力计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度液柱

25、=提馏段干板阻力由查图得气体通过液层阻力计算由得液柱液体外表力的阻力计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度液柱5.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可以忽略液面落差的影响。5.3雾沫夹带精馏段：故提馏段：故5.4漏液对于筛板塔，漏液点气速可由下式计算精馏段：稳定系数:提馏段：稳定系数:5.5液泛为防止塔发生液泛，降液管液层高度应服从下式关系：丙酮水属于不发泡物系，取，则精馏段：板上不设进堰口液柱，故在本设计中不会发生液泛现象。提馏段：液柱，故在本设计中不会发生液泛现象。第六章塔板负荷性能图6.1漏液线精馏段：得：提馏段：在Ls值操作围取几个Ls值,依上式计算出Vs

26、值，计算结果见表3-1表3-1 Ls-Vs关系数据精馏段提馏段Ls(m3/s)Vs(m3/s)Ls(m3/s)Vs(m3/s)0.0010.480.0010.550.0020.500.0020.560.0030.510.0030.580.0040.520.0040.596.2液沫夹带线以精馏段：整理得：提馏段：整理得：在操作围任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果见表3-2表3-2 Ls-Vs关系数据精馏段提馏段Ls(m3/s)Vs(m3/s)Ls(m3/s)Vs(m3/s)0.0011.160.0011.350.0021.100.0021.280.0031.060.0031.230.0

27、041.010.0041.176.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上高度，作为最小液体符合标准，则=0.0066.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限则：6.5液泛线联立得：故由式精馏段：将令最后整理得：提馏段：故由式将令整理得：在操作围任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果见表3-3表3-3 Ls-Vs关系数据精馏段提馏段Ls(m3/s)Vs(m3/s)Ls(m3/s)Vs(m3/s)0.0011.710.0012.000.0021.650.0021.910.0031.570.0031.830.0041.490.0041.74由漏液线、液沫夹带线、液相负荷上限线、液限负荷

28、下限线、液泛线分别画出精馏段和提馏段塔板负荷性能图如以下列图。完毕语课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。整个设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的

29、影响。教师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感教师的教导。通过这次设计，更让我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的典范。所以我认为这次的课程设计意义很深，会成为我大学里最难忘的一次经历，最后还要感教师的耐心辅导。. z-主要符号说明符号说明符号说明*液相组分中摩尔分率hOW堰上液层高度y气相组分中摩尔分率Wd弓形降液管宽度F进料液体量Af弓形降液管截面积D塔顶液体量降液停留时间W塔釜液体量ho降液管底隙高度t温度Wc塔板边缘区宽度相对挥发度Ws塔板上入口安定区宽度R回流比Aa开孔

30、区面积粘度碳钢板厚度ET板效率do孔径NP实际板数to孔中心距密度n筛孔数目L液体密度uo筛孔气速v气体密度开孔率M摩尔质量hc干板阻力Mv气相摩尔质量hl液层阻力ML液相摩尔质量h液体外表力阻力P压力Fo气相动能因子外表力充气系数V体积液面落差L1精馏段液相质量流量I焓L2提馏段液相质量流量Hv蒸发潜热 V1精馏段气相质量流量Tr比照温度 V2提馏段气相质量流量Cp比热容Ls1精馏段液相体积流量Qc冷凝器热负荷Ls2提馏段液相体积流量QB加热器热负荷Vs1精馏段气相体积流量Wc冷却水消耗量Vs2提馏段气相体积流量Wh加热蒸气消耗量HT板间距H1塔顶封头hL板上液层高度Ha塔顶空间D1塔径HB塔底空间AT 塔截面积HF进料板处间距lw堰长H塔总高度hw堰高Re雷诺数. z-附录附表1常压下乙醇-水汽液平衡组成摩尔与温度关系乙醇摩尔分数%温度/乙醇摩尔分数%温度 /乙醇摩尔分数%温度 /汽相液相汽相液相汽相液相1.907.2109.6612.3816.6117.0038.91043.7547.