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1、化工原理课程设计任务书一一、设计题目：乙醇精馏塔二、设计任务及条件（1） 、进料含乙醇 38.2%，其余为水均为质量分率，下同（2） 、产品乙醇含量不低于 93.1%；（3） 、釜残液中乙醇含量不高于 0.01%；（4） 、生产力气 5000T/Y 乙醇产品，年开工 7200 小时（5） 、操作条件：间接蒸汽加热；塔顶压强：1. 03 atm确定压强进料热状况：泡点进料； 回流比：R=5单板压降：75mm 液柱三、设计内容（1） 、流程确实定与说明；（2） 、塔板和塔径计算；（3） 、塔盘构造设计：i. 浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图； ii. 流体力学验算； iii. 塔板负荷性能图。（4） 、
2、其它：i. 加热蒸汽消耗量； ii. 冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量四、设计成果（1） 设计说明书一份；（2） A4 设计图纸包括：流程图、精馏塔工艺条件图。化工原理课程设计任务书(6)(一) 设计题目乙醇-水连续精馏塔的设计(二) 设计任务及操作条件1) 进精馏塔的料液含乙醇 25%质量分数，下同，其余为水；2) 产品的乙醇含量不得低于 94%；3) 残液中乙醇含量不得高于 0.1%；4) 生产力气为日产24 小时 吨 94%的乙醇产品；5) 操作条件a) 塔顶压力 4kPa表压b) 进料热状态 自选c) 回流比 自选d) 加热蒸气压力 0.5MPa表压e) 单板压降 0.7kPa。(三)
3、 塔板类型浮阀塔。(四) 厂址厂址为武汉地区。(五) 设计内容1、设计说明书的内容1) 精馏塔的物料衡算；2) 塔板数确实定；3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5) 塔板主要工艺尺寸的计算；6) 塔板的流体力学验算；7) 塔板负荷性能图；8) 精馏塔接收尺寸计算；9) 对设计过程的评述和有关问题的争论。2、设计图纸要求：1) 绘制生产工艺流程图A2 号图纸；2) 绘制精馏塔设计条件图A2 号图纸。3.4 浮阀精馏塔设计实例3.4.1 化工原理课程设计任务书1 设计题目：分别乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计2 原始数据及条件生产力气：年处理乙醇-水混合液
4、14.0 万吨开工率 300 天/年 原料：乙醇含量为 20%质量百分比，下同的常温液体分别要求：塔顶乙醇含量不低于 95%塔底乙醇含量不高于 0.2%建厂地址：江苏常州3.4.2 塔板的工艺设计1 精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量kmol/s xF：原料组成摩尔分数，下同 D：塔顶产品流量kmol/s xD：塔顶组成W：塔底残液流量kmol/s xW：塔底组成原料乙醇组成： 塔顶组成：塔底组成：进料量：物料衡算式：F = D + W F xF= D xD+ W xW联立代入求解：D = 0.0264 kmol/s， W = 0.2371 kmol/s2 常压下乙醇-水气液平衡组成摩尔与温度关
5、系在例如中对表格、图和公式未编号，在设计说明书中要求严格编号。表 3-11 乙醇-水气液平衡组成摩尔与温度关系温度/液相气相温度/液相气相温度/液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99（1） 温度利用表
6、中数据由拉格朗日插值可求得 tF、tD、tWtF ：tF = 87.41tD ：tD = 78.17tW ：tW = 99.82精馏段平均温度：提馏段平均温度：（2） 密度：混合液密度：混合气密度：精馏段：液相组成 x1：x1 = 22.94%气相组成 y1： 所以y1 = 54.22%提馏段液相组成 x2：x2 = 3.44%气相组成 y2：y2 = 23.37%所以表 3-12 不同温度下乙醇和水的密度乙水温度/乙水温度/80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下的乙醇和水的密度，同理：， 在精馏段：液相密度：气相密度
7、：在提馏段：液相密度：气相密度：（3） 混合液体外表张力二元有机物-水溶液外表张力可用以下各式计算公式：注：，式中下角标，w,o,s 分别代表水、有机物及外表局部，xw、xo 指主体局部的分子数，Vw、Vo 主体局部的分子体积，w、o 为纯水、有机物的外表张力，对乙醇q = 2。精馏段表 3-13 不同温度下的外表张力708090100温度/乙醇外表张力/10-2N/m21817.1516.215.2水外表张力/10-2N/m264.362.660.758.8乙醇外表张力：水外表张力：由于，所以联立方程组，代入求得：，1. 提馏段，乙醇外表张力：解得：水外表张力：解得：由于，所以联立方程组，代
8、入求得：，（4） 混合物的粘度，查表得：，查表得：，精馏段粘度：提馏段粘度：（5） 相对挥发度精馏段挥发度：由，得，所以提馏段挥发度：由，得，6 气液相体积流量计算依据 x-y 图得： 取精馏段：，则有质量流量：体积流量：提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以：，则有质量流量：体积流量：3 理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可承受逐板计算法，图解法，在本次试验设计中承受图解法。依据 1.01325105Pa 下，乙醇水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线，即 x-y 曲线图，泡点进料，所以 q = 1，即q 为始终线，本平衡具有下凹局部，
9、操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切，如图图略：xq = 0.0891， yq = 0.3025，所以，操作回流比：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：在图上作操作线，由点0.8814, 0.8814起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与 q 线交点，直到阶梯与平衡线交点小于 0.00078 为止，由此得到理论板NT = 26 块包括再沸器加料板为第 24 块理论板。板效率与塔板构造、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进展的程度。板效率可用奥康奈尔公式注： 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度L 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度 mPas（1） 精馏段计算
10、。：，所以：，故块（2） 提馏段：，所以：，故块全塔所需实际塔板数：全塔效率：加料板位置在第 53 块塔板。4 塔径的初步设计(1) 精馏段由，式中 C 可由史密斯关联图查出：横坐标数值： 取板间距：，则查图可知，横截面积：(2) 提馏段，空塔气速：横坐标数值：取板间距：，则查图可知，圆整：，横截面积：， 空塔气速：5 溢流装置(1) 堰长取出口堰高：本设计承受平直堰，堰上液高度按下式计算近似取精馏段提馏段2 弓形降液管的宽度和横截面查图得：验算降液管内停留时间：精馏段： 提馏段：停留时间。故降液管可使用。(3) 降液管底隙高度精馏段取降液管底隙的流速，则提馏段取，取由于不小于 20mm，故满
11、足要求。6 塔板布置及浮阀数目与排列（1） 塔板分布本设计塔径，承受分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。（2） 浮阀数目与排列精馏段取阀孔动能因子，则孔速每层塔板上浮阀数目为：取边缘区宽度，破沫区宽度计算塔板上的鼓泡区面积，即：其中所以浮阀排列方式承受等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距则排间距：考虑到塔的直径较大，必需承受分块式塔板，而各分块的支撑与连接也要占去一局部鼓泡区面积，因此排间距不宜承受 81mm，而应小些，故取三角形叉排方式作图，排得阀数 288 个。，按，以等腰按重核算孔速及阀孔动能因数阀孔动能因数变化不大，仍在 913 范围内塔板开孔率提馏段取阀孔动能因子，则每层塔板上浮阀数目
12、为：按，估算排间距，取，排得阀数为 244 块按块重核算孔速及阀孔动能因数阀孔动能因数变化不大，仍在 913 范围内塔板开孔率浮阀数排列方式如以下图图略3.4.3 塔板的流体力学计算1 气相通过浮阀塔板的压降可依据计算(1) 精馏段干板阻力：因，故：板上充气液层阻力取液体外表张力所造成的阻力此阻力很小，可无视不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为(2) 提馏段干板阻力：因，故：板上充气液层阻力 取液体外表张力所造成的阻力此阻力很小，可无视不计，因此与单板的压降相当的液柱高度为2 淹塔为了防止发生淹塔现象，要求把握降液管中清液高度（1） 精馏段单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度液体通过液体
13、降液管的压头损失板上液层高度取，已选定则可见所以符合防止淹塔的要求。（2） 提馏段单板压降所相当的液柱高度液体通过液体降液管的压头损失板上液层高度取，则可见3 物沫夹带所以符合防止淹塔的要求。（1） 精馏段板上液体流经长度： 板上液流面积：查物性系数，泛点负荷系数图对于大塔，为了避开过量物沫夹带，应把握泛点率不超过 80%，由以上计算可知，物沫夹带能够满足的要求。（2） 提馏段取物性系数，泛点负荷系数图由计算可知，符合要求。4 塔板负荷性能图（1） 物沫夹带线据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率 80%计算：精馏段整理得：由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个提馏段值算出精馏
14、段提馏段整理得： 表 3-14Ls (m3/s)0.0020.01Vs (m3/s)4.794.39Ls (m3/s)0.0020.01Vs (m3/s)5.835.33（2） 液泛线由此确定液泛线，无视式中而精馏段整理得：提馏段整理得：在操作范围内任取假设干个值，算出相应得值：表 3-15Ls1 (m3/s)0.0010.0030.0040.007精馏段Vs1 (m3/s)7.156.866.936.23Ls2 (m3/s)0.0010.0030.0040.007提馏段Vs2 (m3/s)8.077.837.727.423液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于 35s液体降液
15、管内停留时间以作为液体在降液管内停留时间的下限，则（4） 漏液线对于 F1 型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则精馏段提馏段（5） 液相负荷下限取堰上液层高度线。作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直取，则由以上 15 作出塔板负荷性能图图略 由塔板负荷性能图可以看出：在任务规定的气液负荷下的操作点 p设计点处在适宜操作区内的适中位置；塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带把握，操作下限由漏液把握；按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限。所以：；表 3-16 浮阀塔工艺设计计算结果计算数据符号单位备注工程精馏段提馏段塔径Dm1.81.8板间距HTm
16、0.450.45塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速um/s1.541.58堰长lwm1.171.17堰高hwm0.05730.0470板上液层高度m0.070.07降液管底隙高h0m0.020.05浮阀数N288244等腰三角形叉排阀孔气速u0m/s11.2411.34同一横排孔心距浮阀动能因子F012.1112.47相邻横排中心距离临界阀孔气速u0cm/s9.7811.72孔心距tm0.0750.075排间距tm0.0650.08单板压降pPPa683.91703.77液体在降液管内停留时间s30.1611.30降液管内清液层高度Hdm0.150.1525泛点率%66.3060.44
17、气相负荷上限(Vs)maxm3/s4.901.67物沫夹带把握气相负荷下限(Vs)minm3/s4.801.71漏液把握操作弹性2.932.813.4.4 塔附件设计1 接收(1) 进料管进料管的构造类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T 型进料管。本设计承受直管进料管。管径计算如下：取查标准系列选取(2) 回流管承受直管回流管，取查表取(3) 塔釜出料管取查表取，直管出料，(4) 塔顶蒸气出料管直管出气，取出口气速查表取(5) 塔釜进气管承受直管，取气速查表取(6) 法兰由于常压操作，全部法兰均承受标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。进料管接收法兰：Pg6Dg70HG501
18、0-58回流管接收法兰：Pg6Dg50HG5010-58塔釜出料管法兰：Pg6Dg80HG5010-58塔顶蒸气管法兰：Pg6Dg500HG5010-58塔釜蒸气进气法兰：Pg6Dg500HG5010-582 筒体与封头（1） 筒体壁厚选 6mm，所用材质为 A3（2） 封头封头分为椭圆形封头、碟形封头等几种，本设计承受椭圆形封头，由公称直径面高度，直边高度，内外表积，容积，查得曲。选用封头 Dg18006,JB1154-733 除沫器当空塔气速较大，塔顶带液现象严峻，以及工艺过程中不许出塔气速夹带雾滴的状况下，设置除沫器，以削减液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有
19、折流板式除沫器、丝网除沫器以及程流除沫器。本设计承受丝网除沫器，其具有比外表积大、重量轻、空隙大及使用便利等优点。 设计气速选取：除沫器直径：选取不锈钢除沫器：类型：标准型，规格：40-100，材料：不锈钢丝1Gr18Ni9, 丝网尺寸：圆丝4 裙座塔底承受裙座支撑，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，为了制作便利，一般承受圆筒形。由于裙座内径800mm，故裙座壁厚取 16mm。根底环内径： 根底环外径：圆整：，；根底环厚度，考虑到腐蚀余量取 18mm；考虑到再沸器， 裙座高度取 3m，地角螺栓直径取 m305 吊柱对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设置吊
20、柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即经济又便利的一项设施，一般取 15m 以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径，可选用吊柱 500kg。，。材料为 A3。6 人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，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离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难于到达要求，一般每隔1020 块塔板才设一个人孔，本塔中共 58 块板，需设置 5 个人孔，每个孔直径为 450mm，在设置人孔处，板间距为 600mm，裙座上应开 2 个人孔，直径为 450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用
21、材，一般与塔的接收法兰一样，本设计也是如此。3.4.5 塔总体高度的设计1 塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板的距离为 600mm，塔顶部空间高度为 1200mm。2 塔的底部空间高度塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取 5min。3 塔体高度3.4.6 附属设备设计1 冷凝器的选择有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为本设计取出料液温度：78.173饱和气78.173饱和液冷却水温度：2035逆流操作：传热面积：设备型号：G500I16402 再沸器的选择选用 120饱和水蒸气加热，传热系
22、数取料液温度：99.815100，热流体温度：120120逆流操作：换热面积：设备型号：GCH800670表 3-17 不同设计条件下设计结果比较塔N塔高F万吨RqxDxFxW径T/m/mF 不同502.59193200.3 15 2.230%252.59193200.3192.226.5%5222.59193200.3192.026.0%6202.59193200.3152.025.3%5152.59193200.3152.025.3%5102.59193200.3151.825.0%8202.59193200.3231.837%202.59193200.3211.831%202.59193
23、200.3182.028.9%5202.59193200.3172.027.8%202.59193200.3162.027.8%R 不同202.59193140.3181.628.9%093160.328.4202.591181.8%593180.327.7202.591171.8%3xF 不同93200.327.7202.591172.0%393210.327.7202.59172.0%593230.327.7202.591172.0%790150.314.7202.591101.6%9202.59q=190150.3121.417.2%2q 不同0q90150.318.2202.59131
24、.61%72.2202.59q=090500.39014.9%71.602.0090650.31.8 16.6202.59q08%06003.21629.8888.11252.89612.7264.28816.76871.37623.34479.632324048.01656.9446472.65680.25684.94488.76892.3295.2898.304101.488104.54486.495.28102.48113.00107.072111.344114.976121.3182121.584127.712137.552143.05126.816130.928138.24143.0566