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1、 南京工工业大学学（封面面）化工原原理课课程设计计设计题目目 乙醇醇-水二二元体系系连续浮浮阀精馏馏塔的工工艺 学生姓名名 胡 月月 班级级、学号号 化化工11110002 指导教师师姓名 冯 晖晖 课程设计计时间22013年 12 月 23 日-20013年 1 月5日 课程设计计成绩百分制 权重设计说明明书、计计算书及及设计图图纸质量量，700%独立工作作能力、综综合能力力、设计计过程表表现、设设计答辩辩及回答答问题情情况，330%设计最终终成绩（五五级分制制）指导教师师签字 化学化工工学院课程名称称 化化工原理理课程设设计 设计题目目 乙醇-水二元元体系连连续浮阀阀精馏塔塔的工艺艺 学生
2、姓名名 胡月月 专专业 化工工工程与工工艺 班级学号号 化工工11110 002 设计日期期 20013 年 12月 23 日至 220133 年 1 月 5日设计条件件及任务务：设计体系系：乙醇醇-水体体系设计条件件:1处理理量F： 2300 （kmoll/h） 2料料液浓度度： 0.12 （moll%） 3. 进料热热状况： 泡点 要要求： 1产产品浓度度： 86 （moll%） 2易挥挥发组分分回收率率： 99 % 指导教师师 目录一 概概述.8二 工工艺设计计1 总总体设计计方案1.1 操作作压强的的选择.81.2 物料料的进料料热状态态.81.3 塔釜釜的加热热方式.91.4 回流流
3、方式选选定101.5 回流流比的确确定102 精精馏的工工艺流程程图103 精精馏塔塔塔板数的的确定3.1 物料料衡算.1113.2 物系系相平衡衡数据.1113.3 回流流比确定定.143.4 逐板板法计算算理论塔塔板数.153.5 实际际塔板数数的确定定.174 塔塔体主要要工艺尺尺寸的确确定 44.1 精馏段段塔径塔塔板的设设计计算算 44.1.1 精馏段段塔塔径径塔板的的设计参参数4.1.1.11 操操作压力力.19 44.1.1.22 温温度.19 44.1.1.33 平平均摩尔尔质量.119 44.1.1.44 平平均密度度.200 44.1.1.55 液液体表面面张力.21 4.
4、1.11.6 液体体的粘度度.21 44.1.1.7 液负负荷计算算223 4.1.2 塔板板参数计计算和选选择 44.1.2.11 塔塔径的计计算244 44.1.2.22 溢溢流装置置的确定定255 44.1.2.33 安安定区与与边缘区区的确定定288 44.1.2.44 鼓鼓泡区阀阀孔数的的确定及及排列288 44.1.2.55 开开孔率计计算3004.1.3 塔盘流流体力学学验算4.1.2.11 塔塔板压降降3114.1.2.22 降降液管停停留时间间3114.1.2.33 雾雾沫夹带带3224.1.4 负荷性性能图4.1.4.11 液液相下限限线.3344.1.4.22 液液相上限
5、限线.344.1.4.33 漏漏液线.3344.1.4.44 过过量雾沫沫夹带线线.3354.1.4.55 液液泛线.3364.1.4.66 性性能负荷荷图3884.2 提馏段塔塔径塔板板的设计计计算 44.2.1 精馏段段塔塔径径塔板的的设计参参数4.2.1.11 操操作压力力.399 44.2.1.22 温温度.39 44.2.1.33 平平均摩尔尔质量.339 44.2.1.44 平平均密度度.400 44.2.1.55 液液体表面面力.411 4.2.11.6 液体体的粘度度.422 44.2.1.7 液负负荷计算算 4.2.2 塔板板参数计计算和选选择 44.2.2.11 塔塔径的计
6、计算.44 44.2.2.22 溢溢流装置置的确定定.455 44.2.2.33 安安定区与与边缘区区的确定定.46 44.2.2.44 鼓鼓泡区阀阀孔数的的确定及及排列.46 44.2.2.55 开开孔率计计算.484.2.3 塔盘流流体力学学验算4.2.2.11 塔塔板压降降.484.2.2.22 降降液管停停留时间间.484.2.2.33 雾雾沫夹带带.5504.2.4 负荷性性能图4.2.4.11 液液相下限限线.5514.2.4.22 液液相上限限线.5514.2.4.33 漏漏液线.5524.2.4.44 过过量雾沫沫夹带线线.5524.2.4.55 液液泛线.5534.2.4.6
7、6 性性能负荷荷图.555 辅辅助设备备的设计计5.1 塔顶顶全凝器器的计算算及选型型.565.2 塔底底再沸器器面积的的计算及及选型.605.3 其他他辅助设设备的计计算及选选型5.3.1 接管5.3.1.11 进进料管.6605.3.1.22 回回流管.6615.3.1.22 塔塔釜出料料管.6615.3.1.33 再再沸器蒸蒸汽进口口管.6615.3.1.44 冷冷凝水管管.622 55.3.2 预热器器.5.3.3 泵5.3.1.55 冷冷凝水泵泵.6225.3.7 进料泵泵.636 计计算结果果汇总657 致致谢667 参参考文献献69三 附附录：1精馏段段塔板布布置图7702提馏段
8、段塔板布布置图771一 概述：塔设备一一般分为为级间接接触式和和连续接接触式两两大类。前前者的代代表是板板式塔，后后者的代代表则为为填料塔塔。一般般，与填填料塔相相比，板板式塔具具有效率率高、处处理量大大、重量量轻及便便于检修修等特点点，但其其结构较较复杂，阻阻力降较较大。在在各种塔塔型中，当当前应用用最广泛泛的是筛筛板塔和和浮阀塔塔。浮阀塔的的优点：1生产产能力大大，由于于塔板上上浮阀安安排比较较紧凑，其其开孔面面积大于于泡罩塔塔板，生生产能力力比泡罩罩塔板大大 200%440%，与与筛板塔塔接近。 2操作作弹性大大，由于于阀片可可以自由由升降以以适应气气量的变变化，因因此维持持正常操操作而
9、允允许的负负荷波动动范围比比筛板塔塔，泡罩罩塔都大大。 3塔板板效率高高，由于于上升气气体从水水平方向向吹入液液层，故故气液接接触时间间较长，而而雾沫夹夹带量小小，塔板板效率高高。 4气体体压降及及液面落落差小，因因气液流流过浮阀阀塔板时时阻力较较小，使使气体压压降及液液面落差差比泡罩罩塔小。 5塔的的造价较较低，浮浮阀塔的的造价是是同等生生产能力力的泡罩罩塔的 50%800%，但但是比筛筛板塔高高 200%330。 但是，浮浮阀塔的的抗腐蚀蚀性较高高（防止止浮阀锈锈死在塔塔板上），所所以一般般采用不不锈钢作作成，致致使浮阀阀造价昂昂贵，推推广受到到一定限限制。随随着科学学技术的的不断发发展，
10、各各种新型型填料，高高效率塔塔板的不不断被研研制出来来，浮阀阀塔的推推广并不不是越来来越广。 二工艺艺设计1. 总体设设计方案案 1.11 操操作压强强的选择择 精馏可以以常压，加加压或减减压条件件下进行行。确定定操作压压力时主主要是根根据处理理物料的的性质，技技术上的的可行性性和经济济上的合合理性来来考虑的的。对于沸点点低，常常压下为为气态的的物料必必须在加加压条件件下进行行操作。在在相同条条件下适适当提高高操作压压力可以以提高塔塔的处理理能力，但但是增加加了塔压压，也提提高了再再沸器的的温度，并并且相对对挥发度度液会下下降。对于热敏敏性和高高沸点的的物料常常用减压压蒸馏。降降低操作作压力，
11、组组分的相相对挥发发度增加加，有利利于分离离。减压压操作降降低了平平衡温度度，这样样可以使使用较低低位的加加热剂。但但是降低低压力也也导致了了塔直径径的增加加和塔顶顶冷凝温温度的降降低，而而且必须须使用抽抽真空设设备，增增加了相相应的设设备和操操作费用用。一般来说说，常压压蒸馏最最为简单单经济，若若物料无无特殊要要求，应应尽量在在常压下下操作。对对于乙醇醇水体体系，在在常压下下已经是是液态，且且乙醇水不是是热敏性性材料，在在常压下下也可成成功分离离，所以以选用常常压精馏馏。因为为高压或或者真空空操作会会引起操操作上的的其他问问题以及及设备费费用的增增加，尤尤其是真真空操作作不仅需需要增加加真空
12、设设备的投投资和操操作费用用，而且且由于真真空下气气体体积积增大，需需要的塔塔径增加加，因此此塔设备备费用增增加。因此，本本设计选选择常压压操作条条件。1.2 物料料的进料料热状态态1.3 塔釜釜的加热热方式精馏段通通常设置置再沸器器，采用用间接蒸蒸汽加热热，以提提供足够够的热量量。若待待分离的的物系为为某种组组分和水水的混合合物，往往往可以以采用直直接蒸汽汽加热的的方式。但但当在塔塔顶轻组组分回收收率一定定时，由由于蒸汽汽冷凝水水的稀释释作用，可可使得釜釜残液中中的轻组组分浓度度降低，所所需的理理论塔板板数略有有增加，且且物系在在操作温温度下黏黏度不大大有利于于间接蒸蒸汽加热热。因此，本本设
13、计选选用间接接蒸汽加加热的方方式提供供热量 1.44 回回流方式式选定 重力回回流1.5 回流流比的确确定对于一定定的分离离任务，采采用较大大的回流流比时，操操作线的的位置远远离平衡衡线向下下向对角角线靠拢拢，在平平衡线和和操作线线之间的的直角阶阶梯的跨跨度增大大,每层层塔板的的分离效效率提高高了，所所以增大大回流比比所需的的理论塔塔板数减减少，反反之理论论塔板数数增加。但但是随着着回流比比的增加加，塔釜釜加热剂剂的消耗耗量和塔塔顶冷凝凝剂的消消耗量液液随之增增加，操操作费用用增加，所所以操作作费用和和设备费费用总和和最小时时所对应应的回流流比为最最佳回流流比。本本次设计计任务中中，综合合考虑
14、各各个因素素，采用用回流比比为最小小回流比比的1.6倍。2 精精馏的工工艺流程程图乙醇-水水精馏体体系冷夜夜进料3 精精馏塔塔塔板数的的确定 3.1 物料衡衡算已知条件件：F=2300 kmmol/h 所以 3.2 物系相相平衡数数据 1) 基基本物性性数据 汽液平平衡数据据（7660mmm Hgg）乙醇摩尔尔分数/温度/乙醇摩尔尔分数/温度/液相中气相中液相中气相中0.0000.00010032.77358.22681.551.90017.00095.5539.66561.22280.777.21138.99189.0050.77965.66479.889.66643.77586.7751.
15、99865.99979.7712.33847.00485.3357.33268.44179.3316.66150.88984.1167.66373.88578.77423.33754.44582.7774.77278.11578.44126.00855.88082.3389.44389.44378.115根据汽液液平衡表表,由内插插法求得得(1.990-00.044)/(1.990-00)=(95.5-)/(995.55-1000)塔釜温度度(89.43-86)/(889.443-774.772)=(788.155-)/(788.155-788.411)塔顶温度度78.2111(12.38-
16、122)/(12.38-9.66)=(85.3-)/(85.3-86.7)进料温度度85.4966 3） 乙醇-水各温温度下的的粘度(内插法法求得)温度塔釜温度度定性温度度进料温度度塔顶温度度99.990589.005885.449678.2211乙醇paa.s3.58814.01134.21114.6993水pa.s2.84413.20003.3335 3.64464）乙醇醇-水各温温度下的的表面张张力(内插法法求得)温度塔釜温度度进料温度度塔顶温度度99.990585.449678.2211乙醇N/m0.0115488 0.01168220.0117300水N/mm0.05599660.0
17、663800 0.0662888 5） 乙醇-水在各各温度下下的密度度(内插法法求得)温度塔釜温度度进料温度度塔顶温度度99.990585.449678.2211乙醇699.9166720.9133747.9688水958.46 968.37 972.876）乙醇醇和水在在各温度度下的汽汽化潜热热（内插插法求的的）温度塔釜温度度进料温度度塔顶温度度99.990585.449678.2211乙醇kJJ/mool36.55638.11938.778水kJ/moll40.66641.338 411.6443.3 回流比确确定乙醇-水水摩尔分分数/%温度X/1000Y/1000Y-XYYX-XYY液相
18、X气相Y1.91795.550.01190.1770.16667770.011577710.557511437.21138.771890.077210.388710.35591990.04441998.1228299519.66643.77586.770.099660.433750.399523380.055433387.2773755212.33847.00485.330.122380.477040.411216640.066556646.2886399916.66150.88984.110.166610.500890.422437720.088157725.20024337323.3375
19、4.44582.770.233370.544450.41172550.10064553.9119677126.00855.8882.330.266080.55580.411247740.111527743.57782113932.77358.22681.550.322730.588260.399191150.133661152.8668755539.66561.22280.770.399650.611220.366946630.155376632.4002811150.77965.66479.880.500790.655640.322301140.177451141.85509332551.8
20、8965.99979.770.511890.655990.311747780.177647781.79989666957.33268.44179.330.577320.688410.299197740.188107741.61124557267.66373.88578.7740.677630.733850.233905520.177685521.35517005674.77278.11578.4410.744720.788150.199756630.166326631.21100990289.44389.44378.1150.899430.899430.099452280.099452281q
21、=1，所所以q线方程程为 平衡线方方程为联立q线线方程与与平衡线线方程得得： 3.4 逐板板法计算算理论塔塔板数精馏段： 精馏段操操作线方方程为:提馏段：提馏段方方程：平衡线方方程为：由上而下下逐板计计算，自自X0=0.86开开始到XXi首次超超过X=0.112时止止 操操作线上上的点 平平衡线上上的点 1 （X00=0.86,Y1=0.86） (X1=0.669906,Y1=0.86) 2 （X11=0.669906,Y2=0.70000） （XX2=0443444 ,YY2=0.70000） 3 （X22=0.43444,YY3=0.50229） （X33=0.24998,YY3=0.50
22、229） 4 （X33=0.24998,YY4=0.34778） （X44=0.14993,YY4=0.34778）5 （XX4=0.14993,YY5=0.26334） （X55=0.10553,YY5=0.26334）因为X55 时首首次出现现 Xii XXq 故第第5块理理论版为为加料版版，精馏馏段共有有5块理理论板。提馏段理理论板数数提馏段操操作线方方程：yy=1.9911x-00.00003996已知X55=0.13997, 由上而而下计算算，直到到Xi 首次次越过XXw=0.00004时为为止。操作线上上的点 平衡线线上的点点6（X55=0.10553,YY6=0.209926）
23、（X66=0.080012,Y6=0.209926）7（X66=0.080012,Y7=0.15991233） （X77=0.058863,Y7=0.15991233）8（X77=0.058863,Y8=0.11663366） （XX8=0.041153,Y8=0.11663366）9（X88=0.041153,Y9=0.082229） （XX9=0.028867,Y9=0.082229）10（XX9=0.028867,Y100=0.056669） （X110=00.0119400,Y110=00.0556699）11（XX10=00.0119400,Y111=00.0338233） （XX1
24、1=00.0112900,Y111=00.0338233）12（XX11=00.0112900,Y112=00.0225288） （XX12=88.46637*10-3,Y122=0.025528）13（XX12=88.46637*10-3,Y133=8.06667*110-3） （XX13=22.67707*10-3,Y133=8.06667*110-3）14（XX13=22.67707*10-3,Y144=4.92112*110-3） （XX14=11.62250*10-3,Y144=4.92112*110-3）15（XX14=11.62250*10-3,Y155=2.83994*110-
25、3） （XX15=99.36628*10-4,Y155=2.83994*110-3）16（XX15=99.36628*10-4,Y166=1.46881*110-3）（X166=4.83666*110-4,YY16=11.46681*10-3）17 （XX16=44.83366*10-4,Y177=5.66997*110-4）（XX17=11.88867*10-4,Y755=5.66997*110-4）由于到XX17首次次出现XXi X ww ，故故总理论论板数不不足177块总的理理论板数数NT=166+（XX16-XXw）/（XX16-XX17）=16.28( 包括括塔釜)X3.5 实际际塔
26、板数数的确定定1）总板板效率EET的计算算塔顶温度度78.2111 塔釜釜温度 进料料温度885.4496温度塔釜温度度定性温度度进料温度度塔顶温度度99.990589.005885.449678.2211乙醇paa.s3.58814.01134.21114.6993水pa.s2.84413.20003.3335 3.6446定性温度度 此温度下下组成为为乙醇摩摩尔分率率由内插插法求得得X= 0.007166 当t=888.887 时由由内插法法求得=8.189946由奥克梅梅尔公式式： 2）实际际塔板层层数算得EET=0.38552其中： 精馏段段：5/0.338522=122.98813块
27、块 提馏段段: 111.228/00.38852=29.2830块 实际塔塔板数NNp=精馏段段板数+提馏段段板数+塔釜=44块块4 塔塔体主要要工艺尺尺寸的确确定 4.1 精馏段段塔径塔塔板的设设计计算算4.1.1 精精馏段塔塔径塔板板的设计计计算(1) 精馏段段塔塔径径塔板的的设计参参数(2) 塔板参参数计算算和选择择4.1.1.11 操作作压力塔顶压强强，p0.664kPPa 取每层层踏板压压强p=00.644kPaa，则进料板板的压力力为： kPaa塔底压力力为： kPaa，故精馏段段平均操操作压力力为：ppm精 kPPa4.1.1.2温度塔顶温度度=78.2111 进料温温度=85.
28、4966 塔釜温温度=999.9905则精馏段段的平均均温度：4.1.1.33摩尔质质量计算算1）精馏馏塔的汽汽、液相相负荷:L=RDD=5.244432=1677.8008kmmol/hV=(RR+1)D=(5.2244+1)32=1999.8008 kkmoll/h2）塔顶顶平均分分子量:X1=00.6669066, YY1=0.86MVDMM=0.8646.0688+(1-0.886)18.01553=42.14gg/moolMLDMM=0.66990646.0688+(11-0.669906)188.01153=36.7844g/mool3)加料料板上一一块塔板板平均摩摩尔质量量：X4
29、=00.14493, Y44=0.34778MVFMM =0.3477846.0688+(11-0.34778)18.01553=227.77 gg/moolMLFMM =0.1449346.0688+(11-0.14993)18.01553=222.2204gg/mool精馏段段平均摩摩尔质量量：MVm=(MVVDm+MVFFm)/2=(42.14+27.77)/2=34.96gg/moolMLm=(MLLDm+MLFFm)/2 =(366.7884+222.2044)/22= 229.449g/moll4.1.1.44平均密密度1）气相相密度2） 液相相密度乙醇-水水在各温温度下的的密度(
30、内插法法求得)温度塔釜温度度进料温度度塔顶温度度99.990585.449678.2211乙醇699.9166720.9133747.9688水958.46 968.37 972.87已知： 混合液液密度: xF=00.122XD=00.866XW=00.000044.1.1.55液体表表面张力力 乙醇-水各温温度下的的表面张张力(内内插法求求得)温度塔釜温度度进料温度度塔顶温度度99.990585.449678.2211乙醇N/m0.0115488 0.01168220.0117300水N/mm0.05599660.0663800 0.0662888TF=885.4496 78.2211 精
31、馏段液液相平均均表面张张力：4.1.1.6液体的的粘度 乙醇-水水各温度度下的粘粘度(内内插法求求得)温度塔釜温度度定性温度度进料温度度塔顶温度度99.990589.005885.449678.2211乙醇paa.s3.58814.01134.21114.6993水pa.s2.84413.20003.3335 3.64461) ttD=78.21110.46693mmpa.s 00.36646mmpa.s 2) ttF=855.4966 0.442111mpa.s 0.333355mpa.s 精馏段液液相平均均粘度：4.1.1.7液负负荷计算算4.1.2. 塔径径塔板工工艺尺寸寸的确定定 4.
32、1.2.11塔径的的计算欲求塔径径应先求求出u，而而u安安全系数数umaxx 式中： 取塔板间间距，板上液层层高度，塔板间距距与塔径径的关系系塔 径/D，mm0.30.550.50.880.81.661.62.442.44.00板间距/HT，mmm20030002503500300450035060004006000那么分离离空间： 功能参数数：从史密斯斯关联图图查得： 由于 取安全全系数=0.77则 取圆整整得 DD=1.2m塔截面积积：空塔气速速： 4.1.22.2 溢流流装置的的确定 选用单溢溢流、弓弓形降液液管、平平行受液液盘及平平行溢流流堰，不不设进口口堰。单单溢流又又称直径径流，液
33、液体自液液盘横向向流过塔塔板至溢溢流堰，流流体流径径较大，塔塔板效率率高，塔塔板结构构简单，加加工方便便，直径径小于22.2mm的塔中中广泛使使用。工工业中应应用最广广的降液液管是弓弓形降液液管。1) 溢流堰长长精馏段：根据塔径径=1.2m溢流堰长长 2)出口口堰高选用平直直堰，堰堰上液层层高度液流收缩缩系数3）弓形形降液管管宽度和和面积查图知 精馏段： Wd=00.1551.22=0.18mm验算液体体在降液液管内停停留时间间 停留时间间 故降降液管尺尺寸可用用。4) 降降液管底底隙高度度降液管底底隙高度度是指降降液管下下端与塔塔板间的的距离，以以h0表示。降降液管底底隙高度度应低于于出口堰堰高度hhw，(hhw-ho)不应应低于66mm才才能保证证降液管管底端有有良好的的液封. 工程程上hoo一般取取20-25mmm。本本次设计计中取222mmm。hw-hho=400- 222 =1