1、課程設計任務書一、設計題目：乙醇水混合液常壓連續精餾二、設計原始數據： 原料液處理量28000噸/年 原料液初溫20 原料液含乙醇45%（質量） 餾出液含乙醇93%（質量） 乙醇回收率99.9%（質量）三、設計任務：完成精餾工藝設計，精餾塔設備設計和有關附屬設備的設計、選用；編寫設計說明書；繪制工藝流程圖和塔板結構簡圖。四、設計完成日期: 2013年01月18日五、設計者 ： 王堯堯設計指導教師：張鴻發目錄：1. 緒論2. 工藝計算3. 塔設備的計算4.泵的選擇及計算5. 主凝器選型6. 再沸器加熱釜中水蒸汽的用量計算7.計算結果匯總表8.工藝流傳簡圖緒 論精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝

2、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。蒸氣由塔底進入，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)組分不斷地向蒸氣中轉移，蒸氣中的難揮發(高沸點)組分不斷地向下降液中轉移，蒸氣愈接近塔頂，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。由塔頂上升的蒸氣進入冷凝器，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出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發后，蒸氣返回塔中，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，

3、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。要想把低純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。化工廠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

4、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，才能實現整個操作。 本次設計的篩板塔是化工生產中主要的氣液傳質設備。此設計針對二元物系的精餾問題進行分析、選取、計算、核算、繪圖等，是較完整的精餾設計過程。本設計包括設計方案的選取，主要設備的工藝設計計算物料衡算、熱量衡算、工藝參數的選定、設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算，輔助設備的選型，工藝流程圖，主要設備的工藝條件圖等內容。 通過對精餾塔的運算，調試出塔的工藝流程、生產操作條件及物性參數，以保證精餾過程的順利進行并使效率盡可能的提高。 一、工藝計算：利用水一乙醇的

5、平衡數據在坐標上作xy圖，（見附圖）部分平衡數據見指導書。（一）設計原始數據原料液處理量：28000噸/年原料液初溫：20原料液含乙醇：45%（質量）餾出液含乙醇：93%（質量）乙醇回收率：99.9（質量）由于在生產過程中，除去設備安裝，設備檢修等因素外，假定每年生產300天。則每小時處理量：（二）物料衡算及最適回流比的選擇乙醇分子量為：46.068，水分子量為18.016解方程得： =0.00034083在制成的平衡圖上分別定出點xF、xW、xD各點，在全回流的情況下R，操作線與對角線重合，此時有最小理論塔板數Nmin，過點（xD、xD）作平衡曲線的切線，其斜率為：Rmin=1.8387 (

6、P33)下面用逐板計算法，求出最小理論塔板數Nmin在一定范圍內，有符合 當x0.3時，當x0.3時，x1=xW=0.00034083x2=0.0044076 2=12.594 y2=0.05281x3=0.05281 3=9.1110 y3=0.33686x4=0.33686 4=2.8925 y4=0.59503x5=0.59503 5=1.5903 y5=0.70030x6=0.70030 6=1.3155 y6=0.75453x7=0.75453 7=1.2034 y7=0.78719x8=0.78719 8=1.1432 y8=0.80875x9=0.80875 9=1.1062 y

7、9=0.82388x10=0.82388 10=1.0817 y10=0.83499x11=0.83499 11=1.0641 y11=0.84337x12=0.84337 12=1.0511 y12=0.84984x13=0.84984 13=1.0412 y13=0.85492 層回流比的確定：理論根據：采用吉利蘭關聯圖，以R-N為坐標作圖。nR=nRmin1.051.93060.0313710.6446629.3571.102.02260.0608320.5966625.7441.202.20640.114690.5303121.9661.302.39030.162700.4821319

8、.8301.402.57420.205780.4439818.4001.502.75810.244630.4124417.3591.602.94200.279870.3856816.5591.703.12580.311960.3625515.9221.803.30970.341320.3422815.4011.903.49350.368270.3243314.9652.003.66740.393100.3082814.5942.103.86120.416060.2938414.2752.204.04510.437340.2807513.9982.304.22900.457120.2688313

9、.7532.404.41290.475570.2579213.5362.504.59770.492790.2478913.3422.604.78060.508930.2386313.1682.704.96450.524070.2300613.0102.805.14840.538300.2221012.8672.905.33220.551710.2146812.7363.005.51610.564360.2077612.616坐標圖上繪出R-N圖，由曲率最大處確定R值（見附圖）回流比的選取需綜合考慮設備費用及經常費用的影響，選取最佳回流比。確定R=3（因為作出的Rmin偏小，故R取稍大）（三）操

10、作線方程的確定及計算：1、精確段操作線方程：（從下往上數1、2、3、 ）2、q線方程的確定求進料操作狀態：V=D（R+1）=45.254(3+1)=181.02 kmol/h假定泡點進料：由于恒摩爾流V=V則塔釜中水的汽化量為：181.0218.016=3261.2 kg/h取釜內P=1atm ts=100 水=536.5 kcal/kg每小時汽化V水需熱:Q1=3261.2536.5=1.749625106 kcal/h設加熱蒸汽壓力為4 kgf/cm2查得Ts=142.9 汽=511.1Kcal/kg需水蒸汽量 該蒸汽的冷凝水作為原料的加熱熱源假定水的出口溫度為70 Cp水=1 kcal/

11、kg原料進口t1=20 組成45%（質量）其沸點ts=82.45Cp=0.978+0.00274t kcal/kg考慮熱損失為10%，則：可以泡點進料。但考慮到換熱器兩端溫差太大，熱應力較大，設備要求較高，故采用60進料，將多余的熱量可作其它用途，如生活用水等，并改用3kgf/cm的蒸汽將原料液從2060進料。q線方程：q點的確定 解得xq=0.2507yq=0.37253、提留段操作線方程 P22式1-414、逐板計算：提餾段：x1=xw=0.00034083xyq進入精餾段操作xn+1=1.25yn-0.21492x5=0.40398 5=2.4173 y5=0.62099x6=0.561

12、32 6=1.6989 y6=0.66849x7=0.64123 7=1.4592 y7=0.72284x8=0.68863 8=1.3423 y8=0.74802x9=0.72011 9=1.2730 y9=0.76609x10=0.74269 10=1.2227 y10=0.77978x11=0.75981 11=1.1936 y11=0.79061x12=0.77334 12=1.1684 y12=0.79946x13=0.78441 13=1.1485 y13=0.80690x14=0.79370 14=1.1321 y14=0.81328x15=0.80115 15=1.1314 y

13、15=0.82008x16=0.80868 16=1.1066 y16=0.82673x17=0.81849 17=1.1059 y17=0.82838x18=0.82056 18=1.0871 y18=0.83252x19=0.82573 19=1.0787 y19=0.83637x20=0.83054 20=1.0711 y20=0.83999y20=0.839990.83860總的理論塔板數： 層（包括釜）提餾段的理論塔板數： 層（包括釜）精餾段的理論塔板數：N2=20.616-4.003=16.613層4、板效率的確定1、精餾段：塔頂 xD=0.83860 ts=78.3 加料板：xF

14、=0.24241 ts=82.45 查得平均溫度下的 x=0.46265（=0.8938(x)-1.0632=0.8938(0.46265)-1.0632 =2.0284=0.57 cpET=0.49 ()-0.245 =0.49(2.02840.57)-0.245 =0.47288 2、提餾段：加料板 xF=0.24241 ts=82.45 塔底 xW=3.408310-4 ts100查得平均溫度下的 x=0.042275=1.1213(x+0.2)-1.5235=1.1213(0.042275+0.2)-1.5235 = 9.7214= 0.50 cpET= 0.49()-0.245 =

15、0.49(9.72140.50)-0.245 = 0.33262實際塔板數：N精= 取36 層N提= 取9 層（不包括釜）加料板位置：在第37塊塔板上總的塔板數N=37+9=46層二、塔設備的計算理論教科書見P154167需要算的參數如下：通過前面工藝設計及查閱有關資料，列出設備設計的有關工藝參數表： 基準參數塔頂進料板塔底備注溫 度 壓 力 Pa氣相負荷VS m3/S液相負荷LS m3/S氣相密度V kg/m3液相密度L kg/m3液體表面張力 Nm液體粘度 Cp 塔頂壓力可按常壓計，塔底壓力可按每塊塔板5060mm液柱估算。塔徑初估 應分別計算 再圓整。液泛速度 當20mN/m時應按下式校

16、正 可查史斯密關聯圖，乙醇水溶液的可按下式計算： 板間距按有關要求選定。 溢流裝置設計 根據塔徑和液體流量選擇板上液體流動形式和溢流管類型。 根據塔板系列參數選用或計算確定降液管及堰的有關參數，包括：堰長 、堰高 、降液管下端問隙 及液體在降液管內的停留時間。 塔板布置設計 浮閥數的確定 （精餾段、提餾段分別計算）根據浮閥全開時的閥孔動能因素912 ，選擇 ，按下式計算閥孔氣速 則理論浮閥數可按下式計算： 浮閥的排列及塔板布置確定鼓泡區、溢流區、破沫區和無效區的尺寸，并確定閥孔間距和排間距，作圖排列得實際浮閥數。驗算實際動能因素和開孔率是否符合適宜范圍，若精餾段和提餾段浮閥數相近，又能滿足工藝

17、要求時，最好統一。畫出塔板平面布置圖。 液體力學驗算 包括： 氣體通過塔板壓降 霧沫夾帶驗算 液泛驗算負荷性能圖繪制分別畫出精餾段、提餾段的負荷性能圖，求出操作彈性。列出塔的性能表將以上設計所得的有關參數列入表中。 接管和塔高 接管規格根據流量和液體性質，選取經驗流速，確定管道和接管標準。 全塔總高包括：塔頂空間、塔底空間、裙座高度。二、塔設備的計算（一）精餾段：（塔頂）設備計算及校核1、已知數據：物料：乙醇水混合物平均分子量= 46.0680.83860+18.016(1-0.83860) = 41.540操作壓力 1.013105 N/m操作溫度：78.2水的密度：乙醇的密度：2= 736

18、 kg/m3L=748.76 kg/m3蒸汽密度：液體表面張力：水：1=62.789 dyn/cm乙醇：2=17.6 dyn/cm液體流量：氣體流量：采用單流型塔板，暫定板間距HT=0.4mC20=0.079取液泛分率0.8u=0.8uF=0.81.7950=1.4360 m/s取 則 lw=0.6499D圖整到1.00m堰及降液管的設計(秒)how的求取 查得E=1.04取hw=0.045m則hL=0.045+0.015151=0.060151 m降液管底部距下一板的間距ho。ho=hw-0.015=0.045-0.015=0.03m浮閥布置：取Fo=11 個選取等邊三角形排列，取t=65m

19、m中心距75mm，作圖排列得浮閥孔116個，孔速：開孔率 塔板壓降： m液柱h1=0.5hL=0.50.060151=0.030076 m液柱hp=hc+h1=0.04409+0.030076=0.07417 m液柱Hd = hL+hd+hp=0.060151+0.001572+0.07417 = 0.135893 m液柱0.135893m液柱0.5(HT+hw)=0.5(0.4+0.045)=0.2225m故不會淹塔霧沫夾帶：KCF=10.106=0.106Z=D-2Wd=1-20.1200=0.7600 mAb=AT-2Af=0.785-20.05338 = 0.6782m2 此時霧沫夾帶

20、量 e0.1此時霧沫夾帶量 e0.1負荷上限時：a、淹塔控制時：Hd(max)=0.5(0.4+0.045)=0.0225 m液柱hp = Hd-hL-hd = 0.16078 m液柱hc0.060151=0.13070 m液柱Vs（max）=1.26191.72174=2.1727 m3/s Wo(max)=1.721748.6575=14.906 m/sb、負荷下限（二）提餾段的設備計算及校核提餾段塔釜內可接近于純水已知數據：水的分子量為18.016 操作壓力1.013105N/m2（沒有考慮塔板壓降）水的密度：L=958.4 kg/m3蒸汽密度：液體表面張力：=58.8 dyn/cm液體

21、流量及氣體流量L = L+qF=45.5243+1.0677156.71 = 303.89 kmal/hV = V-（1-q）F = 45.524(3+1)-(1-1.0677)156.71 = 192.71 kmal/h定板間距HT=0.3mC0=0.065取液泛分率0.8u=0.8uF=0.83.2530=2.6024 m/s考慮到設備制造及強度等問題，園整到1.10m堰及降液管的設計AT=0.67547 Af=0.04593 m2Wd/D=0.1200 wd=0.132how的求取查得E=1.025取hw=0.04m 則hL=0.051311 m則ho=0.04-0.015=0.025

22、m浮閥布置：取Fo=11取t=80mm，中心距100mm，作圖排列得浮閥孔96個孔速：塔板壓降： m液柱h1=0.5hL=0.5*0.051311=0.025656 m液柱hp=hc+h1=0.034367+0.025656=0.0600225 m液柱 m液柱Hd=hL+hd+hp=0.051311+0.0011098+0.0600225=0.11244 m液柱0.112440.5(HT+hw)=0.5(0.3+0.04)=0.17故不會發生淹塔霧沫頭帶查圖CF=0.074 則KCF=0.074此時e0.1負荷上限a、淹塔控制時：Hd(max）= 0.5(HT+hw) = 0.5(0.3+0.

23、04)=0.17 m液柱hp = Hd-hL-hd = 0.11758 m液柱hc0.051311 = 0.091924 mVs(max) = 1.63831.6355=2.6794 m/sb、負荷下限Vs(min)=1.63830.38970=0.63845 m/s（三）負荷性能圖1、精餾段的負荷性能圖：（1）極限霧沫夾帶線取F1(max)=80%Vs = 1.5722 - 25.673 Ls取二點作直線（0，1.572），（0.002，1.5209）Vs=1.0214 m3/s（2）液泛線：0.00559695EL2/3+0.02466Vs2+673.65Ls2=0.225序號123456

24、假定Ls（10-3）m3/s5678910L m3/h182022242628E1.071.081.091.101.111.12Vmax m3/s2.60252.51682.41722.30182.16792.012（3）液相上限線（4）液相下限線L=1.5843 m3/h=0.00044008 m3/s（5）漏液線Fomin=5 2、提餾段的負荷性能圖：（1）極限霧沫夾帶線取F1(max)=80%取二點作直線（110-3，1.9148），（510-3，1.7314）Vs=1.2632 m3/s（2）液泛線0.0055187EL2/3+0.017417Vs2+532.23Ls2=0.10序號1

25、23456假定Ls （10-3）m3/s3.03.54.04.55.05.5L m3/h121416182022E1.051.061.071.081.091.10Vmax m3/s1.9291.8481.7611.6651.4831.442（3）液相上限線：（3）液相下限線L=1.6308 m3/h=0.000453004 m3/s（5）漏液線Fomin=5 （四）、塔高及塔接管的計算：（1）設塔頂高Hd=1.5m 塔底高Hc=1.2m 塔座高Hb=2m 進料位置兩塊板間距HF=1m精餾段開三個人口，塔頂及第12層，和24層處各一個，加料位置一個，提餾段第4層上開一個，共五個人孔，人孔=0.5

26、0mH=（N精-1）HT+Hd+20.5+(N提-1)HT+HC+0.5+HF+Hb =（36-1）0.4+1.5+20.5+(9-1)0.3+1.2+0.5+1+2 = 23.6m（2）接管：（a）塔頂蒸汽管已知V=1.4490 m3/s選uv=15 m/s取3258無縫鋼管則實際氣速:（b）回流接管已知：L=RD=345.25442.132=5719.9 kg/hrL=746.91 kg/m3選WR=0.4 m/s選955實際速度：（c）進料管已知G=3888.9 kg/h選WF=0.6 m/s乙醇=756 kg/m3 水=983.2 kg/m3=866.07 kg/m3選545實際流速（

27、d）再沸蒸汽入口管已知V=1.4954 m3/s選u=15 m/s選3779實際速度 （e）塔釜出料管：已知W=L=0.0012826 m3/s選WW=0.7m/s選605實際速度可能用到的公式：三、泵的選擇及計算：1、選定主凝器的安裝高度為26m2、冷卻水在t=25下的物性參數：=996.95 kg/m3 =1.155 Cp體積流量:假定u=2 m/s 選取 1144 （P359）實際流速：e=0.05 (P48)則 考慮泵安裝位置取管長L=40m查得=0.0183 (P54)直管阻力局部阻力:假定管路中由下列管件組成名稱入口出口閘閥彎頭管接頭其他數量11122值0.510.170.750.

28、0412.5 = 0.51+11+10.7+1+20.75+20.04+12.5 = 15.75hf=hf1+hf2=2.2765+5.1921=7.4686 m在貯水槽與冷卻水進入冷凝器管口列柏努利方程：Q=0.022432 m3/s= 80.75m3/h選取4B54A，參數如下： 流量：90 m3/h揚程：43 m轉速：軸功率：15.6 kw電機功率：20 kw效率：69%吸上高度：4.5m葉輪直徑：200mm四、主凝器選型產物濃度94%（質量）溫度T=78.2氣化潛熱：r=228.80 kcal/kg氣體的質量流量：V=（R+1）D = 水：進口溫度 t1=25 出口溫度 t2=45 密

29、度 比熱 Cp=0.997 kcal/kg 粘度=0.727 Cp 導熱系數 =0.626 w/m 熱換失 5% Q=Vr=2.1185228.80=484.71 kcal/s用水量 假定K=750 kcal/m2h選取一列管式固定管板熱交換器 G-600- II -16-55公稱直徑Dg=600mm，管程II管數 n=254根管長=3000mm管程通道截面積 Ao=0.040碳鋼管252.5管程流速為0.5米/秒時的流量為72.0 m3/h水走管程，汽走殼五、再沸器加熱釜中水蒸汽的用量計算：物性常數：V=(R+1)D-(1-q)F=191.625 kmol/h=3449.25kg/h塔底壓力： 水在p = 1.2796 kg/cm2下的沸點 T=106.05 水 = 535.70 kcal/kg加熱水