化工原理课程设计 精馏装置设计

1、48000吨/年乙醇水精储装置设计年级专业设计者姓名 设计单位 完成日期Qc5.306xl06CpMF) 4.174x(35-25)= 127120依/i热能利用以釜残液对预热原料液，那么将原料加热至泡点所需的热量0可记为：Qf =（。2 一小）其中为其中为83.83 + 452=64.4 C在进出预热器的平均温度以及切=64.4。的情况下可以查得比热7=4.275。/依,所以,Q/ =48000 x 1Q3300 x24义 4.275x (83.83 45) = 1.107x1()6。/0釜残液放出的热量2=叱询（孰-加）假设将釜残液温度降至t2w= 55 C那么平均温度twm =77.2

2、CWill其比热为金卬=4.191七/依,因此，Qw = 364.85 x4.191x （99.38 - 55） = 1.228 xlO6V/z可知，Qw Qf，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点理论塔板层数确实定精储段操作线方程:v+1 = x+ = 0.5x + 0.39 e R + l n R + l 提储段操作线方程:WW%+i%+i二正/一方/二2.77/-0.0054%9线方程：x = 0.174在yx相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出%=18块（含塔釜）其中，精储段13块，提储段5块。全塔效率的估算用奥康奈尔法（0，。屈施）对全塔效率进行估算:由相平衡方程式丁二母版可

3、得根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得:yl = xD 0.779刀=0.516X, = 0.002因此可以求得:X =0.741（塔顶第一块板）=0.174 （加料板）以=0.026（塔釜）= 1.232, % = 5.060, = 13.32全塔的相对平均挥发度：am = af aw = /l.232x5.06x13.32 = 4.361D +。、+ W m 31D +。、+ W m 3全塔的平均温度:78.62 + 83.83 + 99.38 o=o7.30 C3在温度tm下查得Rh、o = 6327mPas, ch3cHeh =。38根尸s因为4=fx/u所以，=0.174x0.38 +

4、 (1-0.174)x0.327 = 0.336mPa s全塔液体的平均粘度：4 却 =(“ + Nld + lw )/3 = (0.327 + 0.38 + 0.327)/3 = 0.344mPa s全塔效率Et= 0.49(。4 )4245全塔效率Et= 0.49(。4 )4245=0.49 x(4.36x0,344)0245245%3.7实际塔板数NNp=NtIEt=I 0.45 = 40 块（含塔釜）其中，精储段的塔板数为：13/0.45 = 29块4.精储塔主题尺寸的计算精储段与提储段的体积流量精福段整理精储段的数据列于表3（见下页），由表中数据可知：M + M 90 Q QQ 7液

5、相平均摩尔质量：M =-=-=30/kmol22表3精饵段的数据位置进料板塔顶（第块板）质量分数Xf =0.35yf = 0.732M = xj =。-9% = 0.885摩尔分数号=0.174yf =0.516y = xd 0.779%=0.41摩尔质量/4g/ kmol= 223MVf = 32.45=38.7网=39.81温度/83.8378.62液相平均温度：tm =液相平均温度：tm =tf+tD 83.83 + 78.6281.2m3m3在平均温度下查得%M =971.1依/，夕/=735侬/液相平均密度为:1 _X以J X为IPkm PCH 3cH 20HPh2O其中，平均质量分

6、数0 = + 85 =0.603所以，Pkm =8 14依/加3精微段的液相负荷L = RD = 65.85kn）l/h生: 65.85x3。= 2.43,人PLmPLm814同理可计算出精储段的汽相负荷。精微段的负荷列于表4。表4精微段的汽液相负荷名称汽相液相平均摩尔质量/炊/加43036.13平均密度/依/加38141.251体积流量/? / h2.43(0.000625 m3/5)3804(1.056加/s)提储段整理提储段的数据列于表5,采用与精储段相同的计算方法可以得到提储段的负荷，结果列于表6。表5提馈段的数据位置塔釜进料板质量分数- 0.005加=0.065Xf = 0.35yf

7、 = 0.732摩尔分数% = 0.002yw = 0.026xf =0.1744=0.516摩尔质量/依/初始/MfW =18.1L f r=18.7Mff =22.3MVf = 32.45温度/99.3883.83表6提储段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/依/ kmo I20.225.6平均密度/依/加39110.816体积流量/m3 / h8.09(0.00225 /$)4132(1.15 祖 3/s)4.2塔径的计算由于精储段和提馈段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们 取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量： TOC o 1-5 h z v (%+吗)

8、1.056 + 1.15 13 /V =更 = 1.103m Iss 22汽塔的平均液相流量： (Lsj + ST) 0.000675 + 0.00225 nnni_ 3/乙=sj = o.OO146m / ss 22汽塔的汽相平均密度：PL区守=1*0.816 = J 0335依/加汽塔的液相平均密度:Pu + Pit 814 + 911 Qg、 / 3pL = = 863kg / m塔径可以由下面的公式给出：由于适宜的空塔气速 =(0.60.8)max，因此，需先计算出最大允许气速许气速max“max取塔板间距r =0.4机，板上液层高度九=60根根= 0.06相，那么分离空间:Ht 4

9、= 0.4 0.06 = 0.34m功能参数：(4)陛/。比 /-= 0.0382X 1.103 V 1.0335从史密斯关联图查得：C20 = 0.073 ,由于C = Go(*)2,需先求 平均外表张力：全塔平均温度= 76.2 + 83.83+99.38 = 86 5o。，在此温 33度下，乙醇的平均摩尔分数为O”I7+ 02 =0.307 ,所以，液 3体的临界温度：7； =2也=0307x(273 + 243) + (1-0.307)x(273 + 342.2) = 609K设计要求条件下乙醇水溶液的外表张力力=266九/苏 平均塔温下乙醇水溶液的外表张力可以由下面的式子计算:c2/

10、TmC 丁2、i 21609 (273 + 86.5) 2 c, iccu/=(-)L2， cr9 =x26 = 9.95dyn/cmcr, Tmc _ T -609-(273 + 25)所以:IQ QC = O.O73()02 = 0.07320max = Cmax = CPPv = 0.073 x Pv863-1.0335,=2.1 im/s1.0335w = 0.7x2.11 = 1.476m/51D= 4x1,103 =0951m，万x 1.476根据塔径系列尺寸圆整为。= 100Smz此时，精储段的上升蒸汽速度为:4%4x1,056 弋 /4=-=1.345m / s7lD2 x F

11、提储段的上升蒸汽速度为:4VuT = -* = 1.464m/ sr ttD24.3塔高的计算塔的高度可以由下式计算：Z = Hp+(N-2-S)Ht + SHt + Hf + Hw实际塔板数为N = 40块，板间距=0.4根由于料液较清洁,无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，那么人孔的数目S为：5 =竺-1 = 4个8取人孔两板之间的间距”7=0.6相，那么塔顶空间”。=1.2根，塔底空间w= 2.5根，进料板空间高度“尸=0.5根，那么，全塔高度:Z = 1.2 + (40-2-4)x0.4 + 4x0.6 + 0.5 + 2.5 = 20.2m5.塔板结构尺寸确实定塔板尺寸由于塔径大

12、于800mm,所以采用单溢流型分块式塔板。取无效边缘区宽度上=40根根，破沫区宽度网=70机机,查得 lw = 705mm弓形溢流管宽度也=146加加弓形降液管面积4 =0.0706/Af/ At = 0.0706 / 0.7854 = 0.09A = D/2 % =0.5 0.04 = 0.46/% x =。/ 2 叱/ 网=0.5 0.146 0.07 = 0.284m验算:AfHrTj = Lsj液体在精储段降液管内的停留时间711c 匚= 41.85 550.000675液体在精偏段降液管内的停留时间AfHT tt =-Lst0.0706x0.4 广二 12.65 5s0.00225弓

13、形降液管堰高采用平直堰，堰高& = 4-%取 4 = 60mm, how = 10mm,取 4 = 60mm, how = 10mm,那么 =60-10 = 50 mm降液管底隙高度ho假设取精储段取 = 15mm ,假设取精储段取 = 15mm ,提偏段取为25.，那么液体通过降液管底隙时的流速为精储段:Lsj0.000675/人 =0.0643m/5提储段:0.00225 八,=0.129m/s向的一般经验数值为0.070.25m/5进口堰高和受液盘本设计不设置进口堰高和受液盘浮阀数目及排列采用B型重阀，重量为33g,孔径为39加加。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l b

14、ookmark79 o Current Document 一、概述4 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 设计依据4 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 技术来源4 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 设计任务及要求5二：计算过程6.塔型选择6.操作条件确实定6操作压力6 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 进料状态6 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 加

15、热方式7 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 热能利用7 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document .有关的工艺计算7 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 最小回流比及操作回流比确实定8 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算9 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 全凝器冷凝介质的消耗量9 HYPERLINK l book

16、mark97 o Current Document 热能利用10 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 理论塔板层数确实定10 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 全塔效率的估算11 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 实际塔板数Np12.精微塔主题尺寸的计算12精储段与提储段的体积流量12精储段12 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 提微段14 HYPERLINK l bookmark12 o Current

17、 Document 塔径的计算15 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 塔高的计算17.塔板结构尺寸确实定18塔板尺寸18弓形降液管19土 II 高19降液管底隙高度h019 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 进口堰高和受液盘19 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 浮阀数目及排列19531浮阀数目F气体通过阀孔时的速度%取动能因数尸= 11,那么%r = 10.82加/5,因此 V1.0355z 1.103x4Q （人N =比 86 个% x 0.

18、0392 x 10.82532排歹I由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排。假设同一横排的阀孔中心距t = 75nlm，那么相邻两排间的阀孔中心距才计为：，44十二一N1A, = 2xdR2 工2 + 二 r2 sin-i a180 R=20.284 X Vo.462 -O.2842 + x 0.462 sin-1 丝巴1800.460.487m2.0.487 ru Ut. = 75.5mm计 86x0,075取 = 80z帆时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取r=65先回出阀孔的排布图如图1所不，其中 = 75仍V = 65相机图中，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所

19、以总阀孑L数目为N = 41 + 24x2 = 89个校核4V气体通过阀孔时的实际速度：4= 10.38加s TidN实际动能因数：7=10.38x71.0335 =10.55（在912之间）开孔率：x 1。 =血x 1。 = 3（O39）2 .=us%塔截面积444x0.7854开孔率在10%14之间，满足要求。.流体力学验算气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）勺气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）4=. + +小干板阻力4浮阀由局部全开转为全部全开时的临界速度为4C：u()c = 1.闻73.1/01附73.1/1.0335 = 10.32m/5因为4c v = 10.38/?/s匚匚 1

20、、1 7 u c a Pv. 厂 1.0335 X10.382 ccc/r所以4=5.34- = 5.34x= 0.0367m0 2pLg2x863x9.81板上充气液层阻力4取板上液层充气程度因数 = 0.5,那么: % = shL = 0.5 x 0.06 = 0.03m由外表张力引起的阻力必由外表张力导致的阻力一般来说都比拟小，所以一般情况下可以 忽略，所以：hp = 0.0367 + 0.03 = 0.667m = 0.667 x 863 x 9.81 = 564.7 Pa漏液验算动能因数为=5,相应的气相最小负荷匕由山为：匕 min =wd：Nomin其中 womin -= 5 /

21、J1O335 = 4.92m/s所以 Kmin = ( X 0.03 X 89 X 4.92 = 0.523m3/5 1.103m3 / s 可见不会产生过量漏液。液泛验算溢流管内的清液层高度Hd=hp+hd+hL + ho其中，hn - 0.0667m,hf = 0.06mPL所以，Hd = 0.667 + 0.06 + 0.003 = 0.1297m为防止液泛,通常凡 “（% +儿,），取校正系数。= 0.5,那么有:敢叫 + hw） = 0.5 x （0.4 + 0.05） = 0.225m可见，/0（%+源），即不会产生液泛。雾沫夹带验算V - + 1.36LsZl泛点率二Ya-KCF

22、Ah查得物性系数K = 1.0,泛点负荷系数。尸=0.097Z, =。-2叫=1 2x0.146 = 0.708加 LCI4=4- 2Af = 0.7854 - 2 x 0.0706 = 0.6442m2所以，I1 03351.103x46x0.708泛点率=Y 863-1.0335= 63.4% 80%可见，雾沫夹带在允许的范围之内7.操作性能负荷图7.1雾沫夹带上限线取泛点率为80%代入泛点率计算式，有:JR；匕息黑Vs2%整理可得雾沫夹带上限方程为:匕=1.444 27.8L7.2液泛线液泛线方程为aV=b-cl3s -3其中，4 = 1.91 X 1()5= 1 91x105 x-L2

23、2H = 0.0309pLN2863x86Z? = O)%+(D 1 o)= O.5xO.4 + (O.5 1 O.5)xO.O5 = (M50.1530.153c- I；及 - 0.7052 x0.0152=192.4d = (1 + 4)石(0.667) 士 = (1 + 0.5)xl.02x 0.667 x = 3.553l0 05 w代入上式化简后可得：4=4.85 6.217及114.9成7.3液体负荷上限线取。= 5s,那么EsmaxEsmaxAfHT5=0.00565 / s7.4漏液线取动能因数为=5,以限定气体的最小负荷：JTSLn =在”= 0.523/54y/Pv液相负荷

24、下限线取% = 0.006m代入how 的计算式： xl.02x-2/3 = 0.006w1000 IVV整理可得：L,min =2.1机3/。= 0.000584机3/$ O 111111操作性能负荷图由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点P(0.00146, 1.103)在正 常的操作范围内。连接0尸作出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带 及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：(匕/=165疗/5,(匕焉=0.57疝/5 所以，塔的操作弹性为1.65/0.57 = 2.89有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7表7浮阀塔工艺设计计算结果

25、工程数值与说明备注塔径D, m1.0板间距HT,m0.4单溢流弓形塔板型式降液管分块式塔板空塔气速，机/s1.476溢流堰长度4,加0.705溢流堰高度乙，加0.05板上液层高度乙,加0.01降液管底隙高度为，加0.025浮阀数N,个89等腰三角形叉排阀孔气速 o，m/s10.38阀孔动能因数稣5临界阀孔气速uQc,m/s10.32孔心距，加0.075同一横排的孔心距排间距匕加0.065相临一横排的中心线距禺单板压降&7, Pa564.7液体在降液管内的停留时间41.8精福段O.s12.6提储段降液管内的清液高度Hd,m0.1297泛点率，%63.4气相负荷上限（匕）皿1.65雾沫夹带控制气相

26、负荷下限（匕）.0.57漏夜控制开孔率，%13.5操作弹性2.898.各接管尺寸确实定进料管进料体积流量彩Pf取适宜的输送速度叫=2.0根/s ,故299*22.3 = 7 32/ h = 0.00203m3 / s 91L3经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64）,规格：045x3加利也广法、击 4x0.00203 1 _ /实际管内流速：uf =- = 1.7m/5f ttxO.0392釜残液出料管釜残液的体积流量:T7 WMVsw =Pw364.85 x 18.1,。八 3 /1 八八八1 ci 3 /=6.89m /h = 0.00191m Is958.4取适宜的输送速度“w =1.

27、5m/s，那么/4x0.00191VL5tt=0.04 根经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：045x3相加实际管内流速:实际管内流速:4x0.00194 1 , /uw =- = 1.6m / sW % x 0.0392回流液管回流液体积流量LM 66.85x39.81 o 3 ； 73 /=3.5lm3 /h = 0.000975m3 /sPl 747利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度4=0.5m/s,那么4x0.000975 二 0.05m0.5/r经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：057x35mmLg 日、古 4x0.00194 - /头际官内流速：

28、uw =- = l.6m/sw 0.0392塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量: : 3750 /h = 1.2 /s1.398取适宜速度即=2.0m/s,那么4x1.042= 0.258m20%经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：273x5mm实际管内流速：usv =1。42 =9.2m/s sv 0.2632水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量：_ 131.7x18 _397Im3 /A = 1.103m3 /sso 0.597取适宜速度%=2.5m/s,那么14x1,103V 257114x1,103V 2571= 0.237根经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规

29、格：0245x5帆利实际管内流速：% = 4xll3 =2543=/s 万x 0.2352参考资料：1华东理工大学化工原理教研室编.化工过程设备及设计.广州：华 南理工大学出版社.1996.02天津大学化工原理教研室编化工原理(下).天津：天津大学出版社.1999.04 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 浮阀数目20排列20校核21.流体力学验算21 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）%21 HYPERLINK l bookmark

30、37 o Current Document 干板阻力h 21 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 板上充气液层阻力422 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 由外表张力引起的阻力力22 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 漏液验算22 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 液泛验算22 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 雾沫夹带验算23 HYPERLINK

31、l bookmark66 o Current Document .操作性能负荷图23雾沫夹带上限线23液泛线24 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 液体负荷上限线24漏液线24 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 液相负荷下限线25操作性能负荷图25.各接管尺寸确实定27进料管27 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 釜残液出料管27 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 回流液管28 HYPERLINK

32、 l bookmark75 o Current Document 塔顶上升蒸汽管28 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 水蒸汽进口管29、概述乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一， 是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良 好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年 来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势， 且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出 了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸储法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现 象，普通的精储对于得到

33、高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用 的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇、水体系的精储设备是非常重 要的。塔设备是最常采用的精储装置，无论是填料塔还是板式塔都在化 工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单 元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做 出理论计算。技术来源目前，精储塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型,但是严格计算法对于连续精储塔是最常采用的，我们此次所做的计算 也采用严格计算法。设计任务及要求原料：乙醇水溶液，年产量48000吨乙醇含量：35%（质量分数），原料液温度：45设

34、计要求：塔顶的乙醇含量不小于90%（质量分数）塔底的乙醇含量不大于0.5%（质量分数）表1乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量（摩尔分数）0.00.0040.010.020.040.060.080.100.140.180.200.250.300.35汽相中乙醇的含量（摩尔分数）0.00.0530.110.1750.2730.340.3920.430.4820.5130.5250.5510.5750.595液相中乙醇的含量（摩尔分数）0.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.8940.900.951.0汽相中乙醇的 含量（摩尔分数）0.6140.63

35、50.6570.6780.6980.7250.7550.7850.820.8550.8940.8980.9421.0二：计算过程.塔型选择根据生产任务，假设按年工作日300天，每天开动设备24小时计算, 产品流量为6667侬/1,由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价， 降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮 阀塔。.操作条件确实定操作压力由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔 的操作费用，操作压力选为常压其中塔顶压力为1.01325x1()5 .塔底压力1.01325 xlCP + n(265 530)尸。进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、 气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比拟容易控制；此外，饱 和液体进料时精偏段和提储段的塔径相同，无论是设计计算还是实际 加工制造这样的精微塔都比拟容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料加热方式精微塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保 证塔内有足够的热量供应；由于乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由 塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在 塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较 底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还