分离乙醇水混合液的筛板精馏塔设计化工原理与化工机械-课程设计-毕设论文.doc

化学与环境工程学院 化工与制药 0411408班

化工原理-化工设备机械基础 课程设计

设计题目 分离乙醇-水混合液的筛板精馏塔设计
院 系
专 业
姓 名
学 号
指导老师

化工原理—化工设备机械基础 课程设计任务书-1
专业 班级 设计人
一. 设计题目
分离乙醇—水混合液的筛板精馏塔设计
二. 原始数据及条件
生产能力：年处理量8万吨（开工率300天/年），每天工作24小时；
原料：乙醇含量为20%（质量百分比，下同）的常温液体；
分离要求：塔顶，乙醇含量不低于90%，
塔底，乙醇含量不高于 8%；
塔顶压强
进料热状况
回流比
塔釜加热蒸汽压力
单板压降
建厂地址
4 KPa（表压）
饱和液体
1.5 Rmin
0.5MPa（表压）
≤0.7KPa
重庆
操作条件：
三. 设计要求：
（一）编制一份设计说明书，主要内容包括：
1. 前言
2. 设计方案的确定和流程的说明
3. 塔的工艺计算
4. 塔和塔板主要工艺尺寸的设计
a. 塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定
b. 塔板的流体力学验算
c. 塔板的负荷性能图
5. 附属设备的选型和计算
6. 设计结果一览表
7. 注明参考和使用的设计资料
8. 对本设计的评述或有关问题的分析讨论。
（二）绘制一个带控制点的工艺流程图（2#图）
（三）绘制精馏塔的工艺条件图（1#图纸）
四. 设计日期：2013年 11月25日 至 2013年12 月15日
.
推荐教材及主要参考书：
1.王国胜, 裴世红，孙怀宇. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，2005
2. 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，2002.
3、马江权，冷一欣. 化工原理课程设计. 北京：中国石化出版社，2009.
4、《化工工艺设计手册》，上、下册;
5、《化学工程设计手册》；上、下册;
6、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-塔设备；化学工业出版社：北京. 2004，01
7、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-换热器；化学工业出版社：北京. 2004，01
8、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-管道；化学工业出版社：北京. 2004，01
9.   陈敏恒. 化工原理(第三版). 北京：化学工业出版社，2006

摘 要

课程设计是化工原理课程的一个非常重要的实践教学内容。不仅能够培养学生运用所学的化工生产的理论知识，解决生产中实际问题的能力，还能够培养学生的工程意识。健全合理的知识结构可发挥应有的作用。
此次化工原理设计是精馏塔的设计。精馏塔是化工生产中十分重要的设备。精馏塔内装有提供气液两相逐级接触的塔板，利用混合物当中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，塔釜产生的蒸汽沿塔板之间上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，气液两相在塔内实现多次接触，进行传质传热过程，轻组分上升，重组分下降，使混合物达到一定程度的分离。精馏塔的分离程度不仅与精馏塔的塔板数及其设备的结构形式有关，还与物料的性质、操作条件、气液流动情况等有关。
本设计我们使用筛板塔。其突出优点为结构简单，造价低板上液面落差小，气体压强低，生产能力较大，气体分散均匀，传质效率较高。筛板塔是最早应于手工业生产的设备之一。合理的设计和适当的操作筛板塔能够满足要求的操作弹性而且效率高。采用筛板塔可解决堵塞问题适当控制漏夜实际操作表明，筛板在一定程度的漏液状态下，操作是板效率明显降低，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的筛板塔其操作弹性仍可达到标准。
精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合物中各组分的分离。该过程是同时进行传热、传质的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的贮存、输送、传热、分离、控制等的设备、仪表。由这些设备、仪表等构成精馏过程的生产系统，即本次所设计的精馏装置。
课程设计是让同学们理论联系实践的重要教学环节，是对我们进行的一次综合性设计训练。通过课程设计能使我们进一步巩固和加强所学的专业理论知识，还能培养我们独立分析和解决实际问题的能力。更能培养我们的创新意识、严谨认真的学习态度。当代大学生应具有较高的综合能力，解决实际生产问题的能力，课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会，我们应充分利用这样的时机认真去对待每一项任务，为毕业论文等奠定基础。更为将来打下一个稳固的基础。

序 言
  精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。
通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。

目录
第一章、前言 3
第二章工艺流程图及说明 3
第三章、塔板的工艺计算 4
3.1精馏塔塔物料衡算 4
3.2乙醇和水的物性参数计算 5
3.2.1温度 5
3.2.2密度 6
3.2.3混合液体表面张力 7
3.2.4混合物的粘度 10
3.3.1理论塔板和实际塔板数的计算 11
3.3.2气液相体积流量计算 13
第四章、塔体的主要工艺尺寸计算 13
4.1塔径的初步计算 13
4.1.1塔径的初步计算 13
4.1.4降液管底隙高度 16
4.1.5塔板的布置 16
4.1.6操作压力计算 17
4.2筛板的流体力学验算 17
4.2.1塔体压降 17
4.2.2液面落差 18
4.2.3液沫夹带 19
4.2.4漏液 19
4.2.5液泛 20
4.3塔板负荷性能图 20
4.3.1漏液线 20
4.3.2液沫夹带线 21
4.3.3液相负荷下限线 22
4.3.4液泛线 24
第五章、板式塔的结构及附属设备 26
5.1接管 26
5.2 筒体与封头 28
5.2.1筒体 28
5.2.2封头 28
5.2.3三降沫器 28
5.2.4 裙座 29
5.2.5 人孔 29
塔高的计算 29
热量衡算 30
附属设备设计 33
筛板塔设计计算结果 35
第六章 设计评述 37
第一章、前言
化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。
气体吸收是重要的化工单元操作之一。用适当的的液体吸收剂处理气体混合物以除去其中一种或多种组分的操作。按吸收性质分化学吸收和物理吸收两大类。广泛应用在合成氨、石油化工及废气处理中。
化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。
筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。本次课程设计为年处理含乙醇质量分数20%的水-乙醇混合液8万吨的筛板精馏塔设计，塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。
在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一 方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。 本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。
第二章工艺流程图及说明
首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇与水的分离。
冷凝器→塔顶产品冷却器→乙醇储罐→乙醇
   ↑回流↓
原料→原料罐→原料预热器→精馏塔
    ↑回流↓
    再沸器← → 塔底产品冷却器→水的储罐→水

第三章、塔板的工艺计算
3.1精馏塔塔物料衡算

F:进料量(kmol/s) XF:原料组成
D:塔顶产品流量(kmol/s) XD:塔顶组成
W:塔底残液流量(kmol/s) XW:塔底组成
XF==0.089109
XD==0.778846
Xw==0.032907
原料液的平均摩尔质量：

日生产能力（处理：）

根据：
总物料衡算 F=D+W
易挥发组分物料衡算 F XF=D XD+W XW
故由上式求解得：
F=0.1506kmol/s
D=0.0110kmol/s
W=0.1390kmol/s
3.2乙醇和水的物性参数计算
3.2.1温度

常压下乙醇—水气液平衡组成与温度的关系

温度T℃
液相中乙醇的摩尔分率%
气相中乙醇的摩尔分率%
100
0.00
0.00
95.5
0.0190
0.1700
89.0
0.0721
0.3891
86.7
0.0966
0.4375
85.3
0.1238
0.4704
84.1
0.1661
0.5089
82.7
0.2337
0.5445
82.3
0.2608
0.5580
81.6
0.3273
0.5826
80.7
0.3965
0.6122
79.8
0.5079
0.6564
79.7
0.5198
0.6599
79.3
0.5732
0.6841
78.74
0.6763
0.7385
78.41
0.7472
0.7815
78.15
0.8943
0.8943
利用表中数据由内插法可得得tF tD tW
① tF：
② tD:
③ tW:
④ 精馏段平均温度:== =82.79℃
⑤ 提留段平均温度:== =89.055℃
3.2.2密度

已知:混合液密度:
混合气密度:
塔顶温度: tD=78.17℃
气相组成yD: yD=0.8856
进料温度: tF=87.41℃
气相组成yF: yF=0.4226
塔底组成: tW=90.70℃
气相组成yw: yw=0.3318
(1)精馏段
液相组成x1:
气相组成y1:
平均摩尔质量：

(2)提留段
液相组成x2:
气相组成y2:
平均摩尔质量：

由不同温度下乙醇和水的密度,内差法求tF tD tW下的乙醇和水的密度
温度T,℃
70
80
90
100
110
,KG/M3
754.2
742.3
730.1
717.4
704.3
,KG/M3
977.8
971.8
965.3
958.4
951.6
求得在和下的乙醇和水的密度：

同理可得：

根据公式可得：
精馏段液相密度：

同理提取段液相密度：

3.2.3混合液体表面张力
二元有机物—水溶液表面张力可用下来各式计算：
公式：

（式中的下坐标w、o、s分别代表水、有机物、表面部分，、指主体部分的分子数，、代表主体部分，、为纯水，有机物的表面张力，对乙醇q=2。
①精馏段
乙醇表面张力：
温度，℃
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
σ，m N/m
22.3
21.2
20.4
19.8
18.8
18
17.15
16.2
15.2
14.4

水表面张力
温度，℃
0
20
40
60
80
100
σ，m N/m
75.64
72.75
69.60
66.24
62.67
58.91

乙醇表面张力：内差法得
水的表面张力：

带入数据可得：

因为

联立方程组：
代入求得：

②提馏段

乙醇的表面张力：
水的表面张力：

其中

3.2.4混合物的粘度
=82.79℃ 查表，得μ水=0.3439mpa·s, μ醇=0.433mpa·s
=93.61℃ 查表，得μ水=0.298mpa·s, μ醇=0.381mpa·s
(1)精馏段粘度：
μ1=μ醇x1+μ水(1-x1)=0.4430.2634+0.3439(1-0.2634)=0.367 mpa·s
(1) 提留段粘度:
μ2=μ醇x2+μ水(1-x2)=0.3810.1601+0.298(1-0.1601)=0.311 mpa·s
3.2.5相对挥发度
①精馏段挥发度：

②提馏段挥发度：

3.3.1理论塔板和实际塔板数的计算
回流比的确定：
绘出乙醇—水的气液平衡组成，即t-X-Y曲线图，

由上图知，点a与纵轴的截距为0.415，即为值
XD=0.7788,
最小回流比Rmin=0.877
操作回流比R=1.5×Rmin=1.315

理论塔板数的确定：
图解法求解：
YC == ,易做得提留段、精馏段和q线的操作线，作图如下：
由图知，理论塔板数:
精馏段需NT1 = 12块，提馏段需NT2 = 4块。
实际塔板数确定：
（1）、精馏段：已知、
由奥康奈尔公式

（2）、已知、
故
全塔所需实际塔板数：

加料板位置在第29块塔板
3.3.2气液相体积流量计算
已知R=1.315
（1） 精馏段：

已知：

则有质量流量：
体积流量：
（2） 提馏段：因为设计饱和液体进料。所以q=1

已知：

则有质量流量：
体积流量：
第四章、塔体的主要工艺尺寸计算
4.1塔径的初步计算
4.1.1塔径的初步计算
（1）精馏段
由，安全系数=0.6~0.8，
式中的C可由史密斯关联图查出：
横坐标：

平板间的距离：
查图可知：

整理的：
空塔气速：
（2）、提馏段：

查图可知：

整理的：
截面面积：
空塔气速：
4.1.2溢流装置
(1)堰长
取
出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高，按下式计算
近似取E=1.

提馏段：

4.1.3弓形降液管的宽度和横截面
查图得：
则

验算降液管内停留时间：
精馏段：
提馏段：
停留时间＞5s，故降液管可使用。
4.1.4降液管底隙高度
精馏段：取降液管底隙的流速
提馏段：
，则满足要求
4.1.5塔板的布置
（1）塔板的分块
因，故塔板采用分块式，查表5-3
塔径/mm
塔板分块数
800~1200
3
1400~1600
4
1800~2000
5
2200~2400
6
则塔板分为4块
（2）边缘宽度确定
取
（3） 开孔区面积计算
开孔面积按式

故
（4）筛板设计及排列
本例所处理的物系物腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径
筛孔按正三角排列，取孔中心距：
筛孔数目：
个
还空率为
气孔通过筛子的气速为
4.1.6操作压力计算
塔顶操作压力：
每层塔板压力：
进料板：
精馏段平均压力：
4.2筛板的流体力学验算
4.2.1塔体压降
1、精馏段
（1）干板阻力计算
干板阻力由式：计算
查图5-10得：
故液柱
（2）气体通过夜层阻力计算
取，由5-11得
液柱

（3）液体表面张力的阻力计算
液体表面阻力锁产生的阻力由式计算的：
m液柱
气体通过每层塔板的液柱高度由式计算得：
液柱
气体通过每层塔板的压降为
（设计容许值）
2.提馏段
（1）干板阻力液柱
（2）
查图5-11得
故
（3）m液柱
所以，m液柱
（设计容许值）
4.2.2液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，其塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。
4.2.3液沫夹带
1精馏段
液沫夹带量由式计算：

故
故在本设计中液沫夹带在允许的范围内。
4.2.4漏液
1、精馏段
对筛板塔，漏液点气速：
实际孔速：
稳定系数：
故在本设计中无明显漏液。
2、提馏段

实际孔速：
稳定系数：
故在本设计中无明显漏液。
4.2.5液泛
为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应有如下关系：

对于乙醇-水物系，取05，
1、 精馏段

板上不设进口堰，可由下式计算：
液柱

故在本设计不会发生液泛现象。
2、 提馏段

液柱

故在本设计不会发生液泛现象。
4.3塔板负荷性能图
4.3.1漏液线
1、精馏段

得：

所以代入数据整理得：

在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表。

0.0006
0.0015
0.003
0.0045

0.9547
0.9921
1.0382
1.07753
由此数据可以作出漏液线。
2、 提馏段

整理得：
在操作范围内，任取几个值，依上式计算值，并列表如下：

0.0006
0.0015
0.003
0.0045

0.9547
0.9921
1.0382
1.0753
由此可作出漏液线。
4.3.2液沫夹带线
以为限，求关系如下：

1、 精馏段

故

所以
在操作范围内，任取n个，依上式计算出，并列表如下：

0.0006
0.0015
0.003
0.0045

2.6273
2.5130
2.3661
2.2429
由此可介出液沫夹带浅。
2、提馏段

故

所以
在操作范围内，任取n个，依上式计算出，并列表如下：

0.0006
0.0015
0.003
0.0045

3.9963
3.8703
3.7084
3.5726
由此可作出液沫夹带线。
4.3.3液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。
，取E=1
则
由此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。
2、 提馏段
,取E=1
则
由此可作与气体流量无关的液相负荷下限线。
4.2.4液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限
1、精馏段

由此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限。
2、提馏段：与精馏段相同。
4.3.4液泛线

在操作范围内，任取几个Ls,计算出Vs,并列表如下，

0.0006
0.0015
0.003
0.0045

16.7940
16.090
15.1230
14.2314

由此可做出液泛线
2提馏段

在操作范围内，任取几个，计算出，并列表如下

0.0006
0.0015
0.003
0.0045

23.3406
22.4282
21.1749
20.0194
由此可做出液泛线。
根基上各式方程，可作出筛板塔的负荷性能图。

在负荷性能图上，作出操作点，连接，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得
精馏段：

提馏段：

第五章、板式塔的结构及附属设备
5.1接管
1. 进料管
进料管的结构类型很多，有直管进料管，弯管进料管，T型进料管，本设计采用直管进料管，管径计算：

6. 法兰
由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。
（1） 进料管法兰 ： Pg6Dg 50HG5010-58
（2） 回流管接管法兰： Pg6Dg 20HG5010-58
（3） 塔釜出料管法兰： Pg6Dg 50HG5010-58
（4） 塔顶蒸汽管法兰： Pg6Dg 200HG5010-58
（5） 塔釜蒸汽进气法兰： Pg6Dg 200HG5010-58
5.2 筒体与封头
5.2.1筒体
选刚：钢号Q235-13 钢板标准GB3274

5.2.2封头

5.2.3三降沫器
当空塔气速较大，带液现象严重，以及工艺过程中不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有析流板式除沫器，本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大，重量轻，空隙大及使用方便等优点。

5.2.4 裙座
塔底常用裙座支撑，裙座的构造性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式。为了制作方便，一般采用圆柱形。由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm。

5.2.5 人孔
人孔是安装或检修人员进入塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求。一般每隔6~8块设一个人孔。本塔中共37块，则需4个人孔。人孔直径400mm。孔间距600mm。人孔所在板间距增至800mm。
塔高的计算

热量衡算

\

附属设备设计

1. 再沸器

筛板塔设计计算结果
项目
数值
精馏段

提馏段

0.7455
0.7564

28
9

12.15
4.05

1.4
1.4

0.45
0.45

0.91
0.91

0.0526
0.0414

0.007385
0.0168

0.0089
0.065
项目
数值
精馏段
提馏段

0.065
0.065

0.035
0.035

1.1120
1.1120

0.005
0.005
筛孔数目
5709

0.015

10.1%

0.4845
0.4929

6.638
6.735

1.5
1.32

338.615
435.45

0.00999
0.00999

第六章 设计评述
化工原理课程设计是一个综合性和实践性很强的学习环节，是理论联系实际的桥梁，同时也是我们在学习化工设计基础只是过程的初次尝试。本次课程设计要求我们综合运用基础知识，独立思考。要做好课程设计，不仅要了解工程设计的基本内容，掌握设计的程序和方法，还要求有缝隙和解决工程实际问题的能力。
此次设计学到的真的很多。对于我们设计的乙醇-水溶液连续精馏，让自己对于浮阀塔的连续精馏有了一定的认识，至少对于浮阀塔精馏设备有了基础的了解，对于溶液连续精馏的工艺流程有了一定认识。在此次设计过程中，知道了查取数据及取合适数据的重要性，在选取设备时都是需要不断地核算，核算是否符合生产要求及其安全要求，才能选出适合的设备。在计算过程中需及其的认真，某个地方错了可能就得全部重来算一遍。当然在进行设计时分析、思考是很关键的，如何计算，选用何种计算公式都得通过认真思考。
本次设计心得有以下几点：
1、 数据的查取：尽可能保证数据的来源具有一定的可靠性；
2、 数据的单位：各公式计算时单位的要求及加和时单位的一致性；
3、 耐心和细心：需计算数据多、计算的繁琐都需要有一定的耐心和细心；
4、 清晰的思路：计算的公式特别多，各符号代表的意义及对应的数据一定得很清楚。

参考文献
[1] 谭天恩，窦梅，周明华. 《化工原理》(上、下册).化学工业出版社，2009
[2]钟秦，陈迁乔，王娟，曲虹霞，马卫华.《化工原理》国防工业出版社，2009
[3]匡国柱，史启才.《化工单元过程及设备课程设计》.化学工业出版社，2002
[4]刁玉玮，王立业，喻健良.《化工设备机械基础》.大连理工大学出版社，

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