南京工程學院化工原理課程設計 第一章 緒論2一、目的：2二、已知參數：3三、設計內容：3第二章 課程設計報告內容3一、精餾流程的確定3二、塔的物料衡算4三、塔板數的確定4四、塔的工藝條件及物性數據計算6五、精餾段氣液負荷計算10六、塔和塔板主要工藝尺寸計算10七、篩板的流體力學驗算16八、塔板負荷性能圖18九、篩板塔的工藝設計計算結果總表22十、精餾塔的附屬設備及接管尺寸23第三章 總結23.乙醇水連續精餾塔的設計第一章 緒論一、目的：通過課程設計進一步鞏固課本所學的內容，培養學生運用所學理論知識進行化工單元過程設計的初步能力，使所學的知識系統化，通過本次設計，應了解設計的內容，方法及步驟，使學生具有調節技術資料，自行確定設計方案，進行設計計算，并繪制設備條件圖、編寫設計說明書。在常壓連續精餾塔中精餾分離含乙醇25%的乙醇水混合液，分離后塔頂餾出液中含乙醇量不小于94%，塔底釜液中含乙醇不高于0.1%（均為質量分數）。二、已知參數：（1）設計任務l 進料乙醇 X = 25 %（質量分數，下同）l 生產能力 Q = 80t/dl 塔頂產品組成 94 %l 塔底產品組成 0.1 % （2）操作條件 l 操作壓強：常壓l 精餾塔塔頂壓強：Z = 4 KPal 進料熱狀態：泡點進料l 回流比：自定待測l 冷卻水： 20 l 加熱蒸汽：低壓蒸汽，0.2 MPal 單板壓強： 0.7l 全塔效率：ET = 52 %l 建廠地址：南京地區l 塔頂為全凝器，中間泡點進料，篩板式連續精餾三、設計內容：（1） 設計方案的確定及流程說明（2） 塔的工藝計算（3） 塔和塔板主要工藝尺寸的計算（a、塔高、塔徑及塔板結構尺寸的確定；b、塔板的流體力學驗算；c、塔板的負荷性能圖）（4） 設計結果概要或設計一覽表（5） 精餾塔工藝條件圖（6） 對本設計的評論或有關問題的分析討論第二章 課程設計報告內容一、精餾流程的確定乙醇、水混合料液經原料預熱器加熱至泡點后，送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作為回流，其余為塔頂產品經冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽向沸熱器供熱，塔底產品經冷卻后送入貯槽。二、塔的物料衡算(一) 料液及塔頂、塔底產品含乙醇摩爾分數(二) 平均摩爾質量(三) 物料衡算總物料衡算 易揮發組分物料衡算 日生產能力Y=90噸 聯立以上三式得 三、塔板數的確定(一) 理論塔板數的求取 乙醇、水屬理想物系，可采用M.T.圖解法求1.根據乙醇、水的氣液平衡數據作y-x圖附表 乙醇水氣液平衡數據液相中乙醇的摩爾分數氣相中乙醇的摩爾分數液相中乙醇的摩爾分數氣相中乙醇的摩爾分數0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0 圖：乙醇水的y-x圖及圖解理論板2. 乙醇水體系的平衡曲線有下凹部分，求最小回流比自a（）作平衡線的切線并延長與y軸相交，截距 取操作回流比故精餾段操作線方程 即3.作圖法求理論塔板數得（包括再沸器）。其中精餾段理論板數為22層，提留段為5層（包括再沸器），第18層為加料板。(二)全塔效率已知=52%(三)實際塔板數N精餾段層提留段層四、塔的工藝條件及物性數據計算以精餾段為例進行計算（一）操作壓強Pm塔頂壓力取每層塔板壓強降則進料板壓強精餾段平均操作壓強（二）溫度tm 依據操作壓力，通過方程試差法計算出泡點溫度，其中水、乙醇的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算。 方程為式中：溶液中組分的摩爾分數；溶液上方的總壓，Pa；同溫度下純組分的飽和蒸汽壓，Pa。（下標A表示易揮發組分，B表示難揮發組分） 安托因方程為式中：在溫度為T時的飽和蒸汽壓，mmHgT溫度，A,B,CAntoine常數，其值見下表。附表 Antoine常數組分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228計算結果如下：塔頂溫度公式：進料板溫度公式：則精餾段平均溫度（三）平均摩爾質量Mm塔頂 查氣液平衡曲線，可得2進料板 即查氣液平衡曲線，可得 則精餾段平均摩爾質量：（四） 平均密度1.液體密度 附表 乙醇與水的密度溫度/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0已知：（為質量分數）塔頂 因為 所以 進料板 由加料板液相組成因為所以 故精餾段平均液相密度2.氣相密度（五）液體表面張力附表 乙醇與水的表面張力溫度/2030405060708090100110乙醇表面張力103/N/m22.321.220.419.818.81817.1516.215.214.4水表面張力103/N/m72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9塔頂 因為 所以 進料板 因為 所以 則精餾段平均表面張力為（六）液體黏度已知： 乙醇的A=686.64 B=300.88塔頂 水的黏度 進料板 水的黏度 則精餾段平均液相黏度為五、精餾段氣液負荷計算六、塔和塔板主要工藝尺寸計算（一） 塔徑D參考表4-1，初選板間距,取板上液層高度表4-1 板間距與塔徑的關系塔徑D/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距HT/mm200300250350300450350600400600 圖4-5 Sminth關聯圖查圖4-5可知，依照下式校正C取安全系數為0.70，則故按標準，塔徑圓整為1.6m，則空塔氣速（二）溢流裝置 采用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰，不設進口堰。各項計算如下。1.溢流堰長 為0.66D，即 2.出口堰高由 ，圖4-9 液流收縮系數計算圖查圖4-9，知E =1 則故 3.管滴寬度與降液管滴面積 由 圖4-11 弓形降液管的寬度和面積查圖4-11，得 ，故 由下式計算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積，即 (符合要求)4.降液管底隙高度取液體通過降液管底隙得流速 ，依下式計算降液管底隙高度 （符合要求）（三）塔板布置1.取邊緣區寬度，安定區寬度2.依下式計算開孔區面積其中 其中:出口堰高 how堰上液層高度 降液管底隙高度 進口堰與降液管的水平距離 進口堰高 降液管中清液層高度 板間距 堰長 弓形降液管高度 無效周邊高度 安定區寬度 D塔徑 R鼓泡區半徑 x鼓泡區寬度的1/2 t同一橫排的閥孔中心距 (單位均為m) （四）篩孔數n與開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，一般碳鋼的板厚，取，故孔中心距依下式計算塔板上的篩孔數n，即依下式計算塔板上的開孔區的開孔率，即 （在5%15%范圍內）每層塔板上的開孔面積為氣體通過篩孔的氣速 （五）塔有效高度Z（精餾段）(六) 塔高計算七、篩板的流體力學驗算（一）氣體通過篩板壓強降的液柱高度 依式 1. 干板壓強降相當的液柱高度依 圖4-13 干篩孔的流量系數查圖4-13， 2. 氣流穿過板上液層壓強降相當的液柱高度 圖4-14 充氣系數關系圖由圖4-14查取板上液層充氣系數為0.6。 依右式 3. 克服液體表面張力壓強降相當的液柱高度依式（4-41）故 單板壓強降0.7kPa(設計允許值)（二）霧沫夾帶量的驗算 依式（4-41） 式中，塔板上鼓泡層高度，可按泡沫層相對密度為0.4考慮，即=（0.4）=2.5=2.50.07=0.175故在設計負荷下不會發生過量霧沫夾帶。（三）漏液的驗算篩板的穩定性系數 故在設計負荷下不會產生過量漏液。（四）液泛的驗算為防止降液管液泛的發生，應使降液管中清液層高度。 取，則故，在設計負荷下不會發生液泛。根據以上塔板的各項流體體力學驗算，可認為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。八、塔板負荷性能圖（一）霧沫夾帶線（1） （a） 近似取 ， 故 （b）取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知，并將式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （1） 在操作范圍內，任取幾個值，依（1）式算出相應的值列于下表中。3.253.002.842.7 依表中數據在圖中做出霧沫夾帶線（1），如圖4-24所示。（二）液泛線（2） （*） 近似取 ， 故 （c） (已算出) 故 （d） （e）將為0.45m，為0.058m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：整理得： （2）在操作范圍內取若干值，依式（2）計算值，列于下表中。4.574.394.274.12依表中數據做出液泛線（2），如圖4-24中線（2）所示。（三）液相負荷上限線（3） 取液體在降液管中停留時間為5s， 液泛負荷上限線（3）在坐標圖上為與氣體流量無關得垂直線，如圖4-24線（3）所示。（四）漏液線（氣相負荷下限線）（4）由 、代人式漏液點氣速式： 前已算出為0.14m2，代入上式并整理，得 此即氣相負荷下限關系式，在操作范圍內任取n個值，依（4）式計算相應得值。1.141.201.231.26列于下表中，依附表中數據作氣相負荷下限線（4），如圖4-24中線（4）所示。（五）液相負荷下限線（5） 取平堰、堰上液層高度，作為液相負荷下限條件，依下式計算，取，則 整理上式得 （5） 依此值在圖上作線（5）即為液相負荷下限線，如圖7所示。將以上5條線標繪于圖4-24（圖）中，即為精餾段負荷性能圖。5條線包圍區域為精餾段塔板操作區，P為操作點，OP為操作線。OP線與線(1)的交點相應氣相負荷為，OP線與氣象負荷下限線（4）的交點相應氣相負荷為。其中P(，)即（3.7，33.3） 可知本設計塔板上限由霧沫夾帶控制，下限由漏液控制。 精餾段的操作彈性九、篩板塔的工藝設計計算結果總表 篩板塔的工藝計算結果匯總見表10序號項目數值1平均溫度tm，92.992平均壓力Pm，kPa120.353氣相流量Vs，（m/s）2.2984液相流量Ls，（m/s）0.00265實際塔板數536有效段高度Z，m23.757塔徑，m1.68板間距，m0.459溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長，m1.05612堰高，m0.05813板上液層高度，m0.0714堰上液層高度，m0.01215降液管底隙高度，m0.03116安定區寬度，m0.08517邊緣區寬度，m0.0618開孔區面積，m1.3919篩孔直徑，m0.00620孔中心距，m0.01821篩孔數目495522開孔率， %10.123空塔氣速，m/s1.2324篩孔氣速，m/s16.3725穩定系數1.8726每層塔板壓降，Pa69127負荷上限液沫夾帶控制28負荷下限漏液控制29液沫夾帶eV，(kg液/kg氣)0.01830氣相負荷上限，m/s3.8231氣相負荷下限，m/s1.1332操作彈性3.38十、精餾塔的附屬設備及接管尺寸選列管式原料預熱器，強制循環式列管全凝器，列管式塔頂及塔底產品冷卻器，熱虹吸式再沸器。第三章 總結兩個周的化工原理課程設計已經圓滿結束。在此感謝我們的指導老師張老師對我們悉心的指導，感謝同學給予我的幫助。通過本次設計，讓我很好的鍛煉了理論聯系實際，與具體項目、課題相結合設計的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設計中，我們還需要大量的以前沒有學到過的知識，所以我們就上網，圖書館找資料。在查閱資料的過程中，我們要判斷優劣、取舍相關知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。在設計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發現一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。驗算的時候只要一個不合格，那么必須全部重來，不斷的改正，不斷地吸取教訓，才能不斷的進步，得到最終的設計成果。 通過該課程設計，全面系統的理解了精餾塔的一般原理和基本實現方法。把死板的課本知識變得生動有趣，激發了學習的積極性。把學過的精餾塔的知識強化，能夠把課堂上學的知識通過自己設計的精餾塔表示出來，加深了對理論知識的理解。以前對與精餾塔 認識是模糊的，概念上的，現在通過自己動手做實驗，從實踐上認識了精餾塔是如何運行的，各個部件之間的關系，對精餾塔原理的認識更加深刻。課程設計中程序比較復雜。在這次課程設計中，我就是按照實驗指導的思想來完成。加深了理解精餾塔的內部功能及內部實現，培養實踐動手能力。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養了我獨立工作的能力，而