1、目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)42 設(shè)計(jì)方案53 精餾塔物料衡算53.1 物料衡算73.2 摩爾衡算84 塔體主要工藝尺寸84.1 塔板數(shù)的確定84.1.1 塔板壓力設(shè)計(jì)84.1.2 塔板溫度計(jì)算94.1.3 物料相對揮發(fā)度計(jì)算104.1.4 回流比計(jì)算104.1.5 塔板物料衡算114.1.6 實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算124.1.6.1 黏度（通過液體黏度共線圖差得）12總塔板效率134.1.7 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算134.2 塔徑計(jì)算134.2.1 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算134.2.2 平均密度計(jì)算144.2.3 液相表面張力計(jì)算154.2.4 塔徑計(jì)算154.3 塔截面積164.4 精餾塔有效高度計(jì)算164.5 精餾塔

2、熱量衡算174.5.1 塔底冷凝器的熱量衡算174.5.1.1 熱量衡算式174.5.1.2 基準(zhǔn)態(tài)的選擇174.5.1.3 各股物料熱量計(jì)算174.5.1.4 冷卻水的用量184.5.2 全塔的熱量衡算194.5.2.1 熱量衡算式194.5.2.2 各股物流的溫度204.5.2.3 基準(zhǔn)態(tài)的選擇204.5.2.4 各股物流熱量的計(jì)算204.5.2.5 加熱蒸汽的用量215 板主要工藝尺寸計(jì)算22 溢流裝置計(jì)算225.1.1 堰長22 溢流堰高度22 弓形降液管寬度Wd和截面積Af22 降液管底隙高度h0235.2 塔板布置23 塔板的分塊23 邊緣寬度的確定23 開孔區(qū)面積的計(jì)算235.3

3、.4 閥孔計(jì)算245.4 閥孔的流體力學(xué)驗(yàn)算245.4.1 塔板壓降24干板阻力hC計(jì)算245.4.1.2 板上液層的有效阻力255.4.1.3 總壓降255.4.2 液泛255.4.3 液沫夾帶265.4.4 漏液275.4.5 塔板負(fù)荷性能圖275.4.5.1 漏液線方程275.4.5.2 液沫夾帶線285.4.4.3 液相負(fù)荷下限線295.4.4.4 液相負(fù)荷上限線295.4.4.5 液泛線29 負(fù)荷性能圖306 管徑設(shè)計(jì)317 設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總表32化工原理課程設(shè)計(jì)成績評(píng)定欄評(píng)定基元評(píng)審要素評(píng)審內(nèi)涵滿 分指導(dǎo)教師實(shí)評(píng)分評(píng)閱教師實(shí)評(píng)分設(shè)計(jì)說明書，40%格式規(guī)范設(shè)計(jì)說明書是否符合規(guī)定

4、的格式要求5內(nèi)容完整設(shè)計(jì)說明書是否包含所有規(guī)定的內(nèi)容5設(shè)計(jì)方案方案是否合理及符合選定題目的要求10工藝計(jì)算過 程工藝計(jì)算過程是否正確、完整和規(guī)范20設(shè)計(jì)圖紙，40%圖紙規(guī)范圖紙是否符合規(guī)范5標(biāo)注清晰標(biāo)注是否清晰明了5與設(shè)計(jì)吻合圖紙是否與設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果完全一致10圖紙質(zhì)量設(shè)計(jì)圖紙的整體質(zhì)量的全面評(píng)價(jià)20平時(shí)成績，10%上課出勤上課出勤考核5制圖出勤制圖出勤考核5答辯成績，10%內(nèi)容表述答辯表述是否清楚5回答問題回答問題是否正確5100綜合成績 成績等級(jí) 指導(dǎo)教師 評(píng)閱教師 答辯小組負(fù)責(zé)人(簽 名) (簽 名) (簽 名)年 月 日 年 月 日 年 月 日1 設(shè)計(jì)任務(wù)物料組成：為乙醇25%、正丙醇

5、75%（摩爾分率）；產(chǎn)品組成:塔頂乙醇含量99%，塔底釜液丙醇含量98%；操作壓力：101.325kPa(塔頂絕對壓力)；回流液溫度：為塔頂蒸汽的露點(diǎn)；加熱體系：間接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為5kgf/cm2（絕壓）；冷凝體系：冷卻水進(jìn)口溫度25，出口溫度45；熱量損失：設(shè)備熱損失為加熱蒸汽供熱量的5；料液定性：料液可視為理想物系；年處理量：70000噸；工作日：每年工作日為300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行；進(jìn)料方式：飽和液體進(jìn)料，q值為1；塔板類型:浮閥塔板。廠址選地：長沙2 設(shè)計(jì)方案蒸餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器、蒸餾釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過程按操作方式的不同

6、，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾兩種流程。連續(xù)蒸餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本課程設(shè)計(jì)中年處理量大（70000噸/年），所以采用連續(xù)蒸餾的方式。蒸餾過程根據(jù)操作壓力的不同，可分為常壓、減壓和加壓蒸餾。本設(shè)計(jì)中，由于物料乙醇、正丙醇都是易揮發(fā)有機(jī)物，所以常壓操作，塔頂蒸汽壓力為大氣壓，全塔的壓力降很小。由任務(wù)書給定，進(jìn)料熱狀況為泡點(diǎn)進(jìn)料，加熱方式采用間接蒸氣加熱，設(shè)置再沸器。塔底設(shè)冷凝回流裝置。工藝流程設(shè)計(jì)：原料液的走向分配器A106產(chǎn)品貯罐V-103產(chǎn)品 再沸器E-102釜液貯罐V-102冷卻器E-104精餾塔C-101原料預(yù)熱器E-101原料貯罐V-101產(chǎn)品DL冷卻器E-105全凝器E-

7、103釜液WL 考慮到蒸氣壓力對設(shè)備要求等各方面的影響，選用的蒸氣壓力為5kgf/cm2冷凝水WC再沸器E-102低壓蒸氣LM冷凝水的走向換熱器內(nèi)物料走殼程，冷卻水走管程冷卻水CWR冷卻器E-105冷卻器E-104全凝器E-103冷卻水CW3 精餾塔物料衡算3.1 物料衡算已知數(shù)據(jù)：乙醇的摩爾質(zhì)量MA=/kmol,正丙醇摩爾質(zhì)量MB=/kmolXf=0.25 XD XW原料處理量 kmol/h總物料流量衡算塔底物料流量衡算：= kmol/h kmol/h3.2 摩爾衡算原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的流量和平均摩爾質(zhì)量= kg/kmol= kg/kmol= kg/kmol4 塔體主要工藝尺寸4.1 塔

8、板數(shù)的確定.1 塔板壓力設(shè)計(jì)常壓操作，即塔頂氣相絕對壓力p= kPa預(yù)設(shè)塔板壓力降： kPa估計(jì)理論塔板數(shù)：估計(jì)進(jìn)料板位置：塔底壓力：kPa進(jìn)料板壓力： kPa精餾段平均壓力： kPa4.1.2 塔板溫度計(jì)算溫度（露點(diǎn)）-氣相組成關(guān)系式： (1)溫度-飽和蒸汽壓關(guān)系式（安托因方程）：乙醇： (2)丙醇： (3)各層塔板壓力計(jì)算公式： (4)塔頂：已知乙醇的氣相組成y為產(chǎn)品組成0.99，操作壓力為常壓，則通過聯(lián)立（1）、（2）、(3)可求得操作溫度及組分飽和蒸汽壓；，操作壓力經(jīng)初步計(jì)算為。通過聯(lián)立（2）、（3）、(4)并進(jìn)行迭代可得實(shí)際操作溫度及組分飽和蒸汽壓。（計(jì)算過程使用excel軟件進(jìn)行迭

9、代計(jì)算）結(jié)果如下：塔頂： kPa kPa塔底： kPa kPa 進(jìn)料板(數(shù)據(jù)取自后文塔板物料衡算結(jié)果)： kPa kPa4.1.3 物料相對揮發(fā)度計(jì)算，根據(jù)上文求出的數(shù)據(jù)可得：塔頂：2.135 塔底：= 2.016 進(jìn)料板：=2.047 平均相對揮發(fā)度： =4.1.4 回流比計(jì)算最小回流比 (5)q線方程：采用飽和液體進(jìn)料時(shí)q=1,故q線方程為： (6)相平衡方程： (7)（6），（7）聯(lián)立得： =8代入式（5）可以求得： 最小理論板數(shù)=11.702最適回流比534.1.5 塔板物料衡算精餾段操作線方程：，代入數(shù)據(jù)得：提餾段操作線方程：，（），代入數(shù)據(jù)得：相平衡方程:物料衡算過程模式:Yn-1

10、 xn-1 yn xn yn+1 xn+1在同一塔板上的計(jì)算運(yùn)用相平衡方程，上下塔板間的計(jì)算，運(yùn)用操作線方程塔板物料數(shù)據(jù)層數(shù)y值x值備注190 0.980 塔頂20.981 0.962 30.967 0.934 40.943 0.889 50.906 0.823 60.850 0.734 70.776 0.626 80.687 0.515 90.419 0.259 100.205 0.111 進(jìn)料板110.160 0.084 120.119 0.061 130.083 0.042 144 0.027 150.030 0.015 底層塔板160.012 0.006 塔釜4.1.6 實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)

11、算4.1.6.1 黏度（通過液體黏度共線圖差得）乙醇、正丙醇黏度共線圖坐標(biāo)值物質(zhì)含量XY乙醇1正丙醇查表可得：全塔平均溫度為： 物料在平均溫度下的粘度，通過查表可得：乙醇：正丙醇：全塔平均黏度計(jì)算公式:代入數(shù)據(jù)可得平均粘度4.1.6.2總塔板效率普特拉博伊德公式：代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：4.1.7 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算精餾段板數(shù)提餾段板數(shù)總板數(shù)(不包括塔釜再沸器) 塔徑計(jì)算 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂進(jìn)料板 精餾段 平均密度計(jì)算氣相平均密度有理想狀態(tài)方程計(jì)算，即 液相平均密度塔頂 查手冊有：進(jìn)料板 查表有:精餾段液相平均密度 液相表面張力計(jì)算塔頂 查手冊有：進(jìn)料板 查表有: 精餾段平均表面張力 塔徑計(jì)算精餾段氣液

12、體積流率為取板間距查史密斯關(guān)聯(lián)圖有： 4.3 塔截面積4.4 精餾塔有效高度計(jì)算每隔68塊塔板設(shè)一人孔，為 m，設(shè)有人孔處板間距調(diào)整為0.6 m。同時(shí)，塔底、進(jìn)料板和塔頂各設(shè)一人孔 以下為塔底空間的計(jì)算過程：取釜液在塔底停留時(shí)間為6 min，釜液距離底層塔板1 m。釜液流量為：儲(chǔ)存釜液高度：塔底空間高度：4.5 精餾塔熱量衡算 塔頂冷凝器的熱量衡算目的：對塔頂冷凝器進(jìn)行熱量衡算以確定冷卻水的用量如圖4-2所示，對精餾塔塔頂冷凝器進(jìn)行熱量衡算QV.1 熱量衡算式式中 QV塔頂蒸氣帶入系統(tǒng)的熱量； QL回流液帶出系統(tǒng)的熱量； QD餾出液帶出系統(tǒng)的熱量； QW冷凝水帶出系統(tǒng)的熱量。.2 基準(zhǔn)態(tài)的選擇

13、上文中已經(jīng)求出塔頂蒸汽溫度，該溫度也為回流液和餾出液的溫度。同時(shí)，操作壓力為101.325kPa。以塔頂操作狀態(tài)為熱量衡算基準(zhǔn)態(tài)，則QL= QD=0.3 各股物料熱量計(jì)算查得乙醇和正丙醇，在正常沸點(diǎn)下的汽化焓分別為、J/mol使用Watson公式計(jì)算乙醇與正丙醇在的汽化焓式中 對比溫度 TC臨界溫度查得乙醇與正丙醇的臨界溫度分別為：，對于乙醇：,因此， 對于丙醇：,因此，由此可計(jì)算進(jìn)入塔頂冷凝器蒸氣的熱量為代入到熱量衡算式中，可求得塔頂冷凝器帶走的熱量為4.5.1.4 冷卻水的用量設(shè)冷卻水的流量為，則Cp(t2t1)已知：t125 t245以進(jìn)出口水溫的平均值為定性溫度：查得水在35時(shí)的比熱容

14、為： Cpm4.175kJ/(kg.) 4.5.2 全塔的熱量衡算目的：確定再沸器的蒸汽用量如圖4-3所示，對精餾塔進(jìn)行全塔的熱量衡算QFQWQDQLQWQV圖4-3 全塔熱量衡算圖4.5.2.1 熱量衡算式根據(jù)熱量衡算式，可得由設(shè)計(jì)條件知： 5% 式中 進(jìn)料帶入系統(tǒng)的熱量 加熱蒸汽帶入系統(tǒng)的熱量 餾出液帶出系統(tǒng)的熱量 釜?dú)堃簬С鱿到y(tǒng)的熱量 冷卻水帶出系統(tǒng)的熱量 熱損失4.5.2.2 各股物流的溫度由上文計(jì)算結(jié)果：tF92.908 tD tW99.093 4.5.2.3 基準(zhǔn)態(tài)的選擇以10kPa、的乙醇和正丙醇為熱量衡算的基準(zhǔn)態(tài)，且忽略壓力的影響，則QD=04.5.2.4 各股物流熱量的計(jì)算由

15、于溫度變化不大，采用平均溫度即據(jù):查汽液物性估算手冊得：乙醇： 正丙醇：故乙醇的比熱容為： 丙醇的比熱容為： 由此可求得進(jìn)料與釜?dú)堃旱臒崃糠謩e為 將以上結(jié)果代入到熱量衡算式中解得： 熱損失為： 4.5.2.5 加熱蒸汽的用量設(shè)加熱蒸汽的用量為，則：。已知蒸氣的壓力為5kgf/cm2（絕壓），查得該壓力下蒸汽的汽化熱為 r2113kJ/kg由此可求得再沸器的加熱蒸汽用量為5 板主要工藝尺寸計(jì)算 溢流裝置計(jì)算因塔徑D=m,可選單溢流的弓形降也管，采用凹形受液盤5.1.1 堰長取=0.6D=m 溢流堰高度堰上液層高度 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由lW查資料，得Af/AT=0.057 Wd故AfA

16、T m2 Wd=0.11D=0.125 m 依下式驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即s故降液管的設(shè)計(jì)合理 降液管底隙高度h0s選用凹形受液盤，深度hW = m5.2 塔板布置 塔板的分塊因D800mm，故采用分塊式，4塊塔板。 邊緣寬度的確定取 開孔區(qū)面積的計(jì)算開孔區(qū)面積Aa按下式計(jì)算其中： 5.3.4 閥孔計(jì)算本流程所處理的物系無腐蝕性，可選用=3mm碳鋼板。采用FIQ-4A型浮閥，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：閥孔孔徑/m閥孔排列采用叉排方式按正三角形排列取三角形孔心距t = 0.075 m，列寬作圖得到排列閥孔數(shù)n = 242閥孔總面積真實(shí)閥孔氣速浮閥全開時(shí)的閥孔氣速稱為閥孔臨界氣速。閥孔臨界氣速與閥孔臨界

17、動(dòng)能因子F0有如下關(guān)系： ,其中F0的經(jīng)驗(yàn)值為912。上面求得代入上式得：F0 =9.611，滿足經(jīng)驗(yàn)值所在范圍，因此，閥數(shù)取242符合工藝要求。5.4 閥孔的流體力學(xué)驗(yàn)算5.4.1 塔板壓降干板阻力hC計(jì)算閥全開前：閥全開后：式中hc干板壓降，m 液柱；u0篩孔氣速，m/s；.1.2 板上液層的有效阻力對于浮閥塔板，hw外堰高，m；how堰上液流高度，m；代入數(shù)據(jù)得：液體表面張力產(chǎn)生的阻力較小，在計(jì)算時(shí)可忽略。.1.3 總壓降每層塔板壓降為閥全開前：閥全開后：5 液泛對于浮閥塔，液面落差很小，且本設(shè)計(jì)的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差造成的影響。液體通過降液管的壓強(qiáng)降指降液管中清夜層高度

18、為板上清夜層高度，取值為為塔板總壓降指與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，主要有降液管底隙處的局部阻力造成。由于塔板上未設(shè)置進(jìn)口堰，可按下式計(jì)算：綜上，閥全開前： 閥全開后：取全開后的壓降為設(shè)計(jì)壓降，即乙醇與正丙醇屬于不易發(fā)泡物質(zhì)，其泡沫層的相對密度為防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體的高度不能超過上層塔板的出口堰，即可見，目前的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)符號(hào)要求。5.4.3 液沫夾帶對浮閥塔板多采用泛點(diǎn)率來間接判斷液沫夾帶量。泛點(diǎn)率是設(shè)計(jì)負(fù)荷與泛點(diǎn)負(fù)荷之比。泛點(diǎn)率可由下列兩式求得，然后采用計(jì)算結(jié)果中較大值： 計(jì)算得出的泛點(diǎn)率必須滿足下述要求，否則應(yīng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，重新計(jì)算。塔徑大于900 mm : F1 80

19、% 82 % ;塔徑小于900 mm : F1 65 % 75 %;減壓塔：F1 75 % 77 % 。由圖讀出，泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)CF = 0.12，由表查出,物性系數(shù)K = 1。取較大值27.251。塔徑大于900 mm，F(xiàn) 穩(wěn)定系數(shù)符合K 1.5 2.0，故在本系統(tǒng)中無明顯漏液現(xiàn)象。5.4.5 塔板負(fù)荷性能圖5.4.5.1 漏液線方程閥孔氣速要求不小于漏液點(diǎn)氣速，當(dāng)兩者恰好相等時(shí)，剛好滿足設(shè)計(jì)要求，故漏液線方程可以粗略的處理為: 式中，為閥孔總面積。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表11-1。(m3/s) (m3/s) 5.4.5.2 液沫夾帶線由 整理得到液沫夾

20、帶線方程: 取部分?jǐn)?shù)據(jù)作出、關(guān)聯(lián)表：(m3/s) 0.0007 7 7 7 127(m3/s) 4.62 5.4.4.3 液相負(fù)荷下限線 取E 為1,可得液相負(fù)荷下限線：5.4.4.4 液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限則通過式： 可得液相負(fù)荷上限線為:5.4.4.5 液泛線令由聯(lián)立，忽略與，與，與的關(guān)系式代入，整理得式中將有關(guān)數(shù)據(jù)代入求得：在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，取部分，求出相應(yīng)的,列表如下：(m3/s) 0.0007 0.0057 0.0077 0.0097 0.117 (m3/s) 7.144 7.028 6.834 6.648 6.457 6.253 負(fù)荷性能圖根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖:A 液沫夾帶線；B 液泛線；C 漏液線D液相負(fù)荷上限線；E液相負(fù)荷下限線；F實(shí)際操作線由圖可知，VS max m3/s VS min m3/s6 管徑設(shè)計(jì)塔頂蒸氣