化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目乙醇――水體系連續(xù)精餾裝置（浮閥塔）設(shè)計(jì)姓名學(xué)號(hào)專業(yè)系院指導(dǎo)老師2011年---課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1二、設(shè)計(jì)方案確定及流程說(shuō)明3三、塔板工藝設(shè)計(jì)41．物料衡算42.物性計(jì)算53.流量計(jì)算124.理論塔板計(jì)算135.塔徑初步設(shè)計(jì)156.溢流裝置167.浮閥排列及塔板示意圖17四、塔板流體力學(xué)計(jì)算19五、計(jì)算結(jié)果匯總表26六、附屬設(shè)備設(shè)計(jì)27七、附件設(shè)計(jì)28八、設(shè)計(jì)評(píng)述與心得體會(huì)31參考資料32附件：1：乙醇—水精餾理論板數(shù)圖2：精餾段塔板負(fù)荷性能圖3：提餾段塔板負(fù)荷性能圖4：乙醇—水精餾理論板數(shù)局部放大圖課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)Ⅰ、：乙醇―水體系連續(xù)精餾裝置（浮閥塔）設(shè)計(jì)Ⅱ、任務(wù)及條件:1、進(jìn)料含乙醇（質(zhì)量分率，下同），其余為水；2、產(chǎn)品乙醇含量不低于95%（V）；3、釜?dú)堃褐幸掖己坎桓哂?.2%（質(zhì)量分率，）；4、生產(chǎn)能力25T/d乙醇產(chǎn)品，年開(kāi)工7200小時(shí)；5、操作條件：（1）間接蒸汽加熱[2kg/cm2(表壓)飽和蒸汽]；（2）塔頂壓強(qiáng)：4kPa(表壓）；（3）進(jìn)料熱狀況：泡點(diǎn)進(jìn)料；（4）塔頂溫度78℃,塔底溫度100-104℃；m；（6）單板壓降：不大于0.7kPa；（7）除給出參數(shù)外，其他參數(shù)可自選。Ⅲ、計(jì)內(nèi)容與要求:1、編制工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明:（1）設(shè)計(jì)方案的確定及流程說(shuō)明；（2）精餾的工藝計(jì)算(物料衡算、熱量衡算、理論塔板數(shù)、回流比、塔高、塔徑塔板設(shè)計(jì)、進(jìn)出管徑等)；（3）塔板和塔主要工藝尺寸設(shè)計(jì)、計(jì)算及流體力學(xué)性能驗(yàn)核；（4）主要輔助設(shè)備(換熱器等)的選型與計(jì)算、蒸汽及冷卻水耗量計(jì)算；（5）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表(主要設(shè)備尺寸,衡算結(jié)果等)；（6）設(shè)計(jì)后的評(píng)述與心得體會(huì)；（7）參考資料。Ⅳ、設(shè)計(jì)圖要求：1、用594×841圖紙繪制裝置圖一張（含主視圖、俯視圖、剖面圖、兩個(gè)局部放大圖、設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄等）。2、用420×594圖紙繪制設(shè)備流程圖一張;3、用坐標(biāo)紙繪制乙醇―水溶液的圖一張，并用圖解法求理論塔板數(shù)。注：Ａ0：1187×841；Ａ1：841×594；Ａ２：594×420；Ａ３：420×297；Ａ４：297×210Ⅴ、參考資料eq\o\ac(○,1)陳敏恒等編，化工原理，上冊(cè)，第二版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006eq\o\ac(○,2)陳敏恒等編，化工原理，下冊(cè)，第二版，北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006eq\o\ac(○,3)李攻樣等.《常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》，華南理工大學(xué)出版社，2006eq\o\ac(○,4)王志魅編，化工原理，第三版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2004課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果二、設(shè)計(jì)方案確定及流程說(shuō)明本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離乙醇-水混合物，對(duì)二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。本設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)品。冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐之中。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，操作回流比取最小回流比的1.9倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。本設(shè)計(jì)要求產(chǎn)品產(chǎn)量25T/d，考慮到浮閥生產(chǎn)能力大，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用F1型浮閥塔。一）、裝置流程的確定連續(xù)精餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本方案采用該精餾方式。考慮到冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走，能量利用率低，在確定裝置流程時(shí)考慮利用余熱。二）、操作壓力的選擇條件給定為塔頂加壓4kPa（表壓），采用江河水或循環(huán)水進(jìn)行冷凝，可以降低生產(chǎn)成本。三）、進(jìn)料熱狀況的選擇工業(yè)上均采用接近泡點(diǎn)的液體進(jìn)料和泡點(diǎn)進(jìn)料。本設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料。四）、加熱方式的選擇本設(shè)計(jì)選用間接蒸汽加熱，提高精餾塔內(nèi)的上升氣流速度，塔釜設(shè)置再沸器。李功樣等.《常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》（簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)》，下同）p46連續(xù)精餾泡點(diǎn)進(jìn)料間接蒸汽加熱課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果五）、回流比的選擇操作回流比一般取最小回流比Rm的1.1～2.0倍。乙醇――水屬較易分離物系，最小回流較小，故操作回流比R可考慮取值為最小回流比Rm的1.9倍。六）、塔板類型選擇浮閥塔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低；塔板開(kāi)孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量的變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時(shí)間長(zhǎng)，故塔板效率高。其缺點(diǎn)是處理易結(jié)焦、高粘性的物料時(shí)，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，時(shí)塔板效率下降。但乙醇――水屬于不易結(jié)焦、低黏度物系，因而上述浮閥塔的缺陷對(duì)乙醇――水物系精餾而言將不復(fù)存在。綜合考慮各類塔板的優(yōu)缺點(diǎn)和待分離物系特點(diǎn)，確定選擇浮閥塔板，類型為常用的F1型。三、塔板的工藝設(shè)計(jì)一）、精餾塔全塔物料衡算：F：原料液流量（kmol/h）,：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同。）D：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/h）,：塔頂組成W：塔底殘液流量（kmol/h）,：塔底組成M乙醇=46.07kg/kmolM水=18.02kg/kmolF1型浮閥塔板課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果原料乙醇組成:塔頂組成:塔底組成:日生產(chǎn)量：物料衡算式為：即：解得：二）、常壓下乙醇-水氣液組成（摩爾）與溫度關(guān)系查相關(guān)物性數(shù)據(jù)有：溫度利用表中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得tF、tD、tWeq\o\ac(○,1)tF：tF=86.250Ceq\o\ac(○,2)tD：tD20Ceq\o\ac(○,3)tW：tW=99.250Ceq\o\ac(○,4)精餾段平均溫度:OCeq\o\ac(○,5)提餾段平均溫度：OC2.密度混合液密度：其中，－為質(zhì)量分率，―為平均相對(duì)分子質(zhì)量?；旌蠚饷芏龋篹q\o\ac(○,1)精餾段：0C液相組成:=>氣相組成:=>故eq\o\ac(○,2)提餾段：OC液相組成:=>氣相組成:=>故陳敏恒等《化工原理》（第二板）下冊(cè)P99表9-2tF=86.250CtD20CtW=99.250C0COC課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果不同溫度下乙醇和水的密度：溫度0C求得在下乙醇和水的密度：在0C時(shí)，同理可得：在0C時(shí)，在精餾段：液相：得氣相：提餾段：液相：得：氣相：3.混合液體表面張力二元有機(jī)物－－水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算公式：注：，，，，，式中下角標(biāo)，w、o、s分別代表水、有機(jī)物及表面部分，指立體部分的分子數(shù)，指立體部分分子體積，為純水，有機(jī)物的表面張力，對(duì)乙醇q=2溫度/oC708090100乙醇表面力（10-2N/m2）18水表面張力（10-N/m2）精餾段==21.314cm3/mol==×103cm3/mol乙醇表面張力：水表面張力：課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果聯(lián)立：得：②提餾段℃乙醇的表面張力：水表面張力：課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果聯(lián)立：得：4．混合物的粘度：=82.24℃,查閱得：68mpa.s,9=92.75℃,查閱得8mpa.s,6精餾段粘度:9×4668×4670提餾段粘度:6×8568×56087①精餾段揮發(fā)度：由46,394得：54,4606故提餾段揮發(fā)度:由故三）、氣液相體積流量計(jì)算:根據(jù)理論塔板數(shù)圖得(泡點(diǎn)進(jìn)料q=1):Rmin=精餾段:已知:33.5580kg/kmol則由質(zhì)量流量得：體積流量:提餾段:(本設(shè)計(jì)論點(diǎn)進(jìn)料q=1)王志魁《化工原理》第三版P367課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果則有質(zhì)量流量:體積流量:四）、理論塔板的計(jì)算理論板：指離開(kāi)這種板的氣液相成平衡，而且塔板上液相組成均勻。理論板的計(jì)算方法：可采用逐板計(jì)算法，圖解法，本次設(shè)計(jì)中采用圖解法：×105pa下，乙醇－－水的氣液平衡組成關(guān)系可繪出平衡曲線即x-y曲線圖，泡點(diǎn)進(jìn)料，所以以q=1作為直線，本平衡具有下凹部分，操作線尚未落到平衡線前，已與平衡線相切，得:操作回流比：已知：精餾線操作線方程：提餾線操作線方程：33）起在平衡線與操作線間畫(huà)階梯，過(guò)精餾段操作線與q線交點(diǎn)，直到階梯與平衡線交點(diǎn)小于0.00078為止，由此得到理論板NT=23塊（包括再沸器），加料板為第19塊理論板。板效率與塔板結(jié)構(gòu)，操作條件，物質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)，它反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的程度。板效率可用奧康柰公式：其中：α:塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度μL①精餾段：已知：α=3.8063,70得：ET=0.49×（0.3631×0.3670）②提餾段：已知：故：全塔所需實(shí)際塔板數(shù)：全塔效率：加料板位置在第4塊板《設(shè)計(jì)》p53課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果五）、塔徑的初步設(shè)計(jì)1．精餾段：由：式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出，橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：查圖可知:取空塔氣速：2．提餾段：橫坐標(biāo)：取板間距：《設(shè)計(jì)》p57、58課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果查圖可知：整取空塔氣速：六）、溢流裝置：1.堰長(zhǎng)lw66×=0.59m出口堰高：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上液高度how按下式計(jì)算：精餾段(2)提餾段2．弓形降液管的寬度和橫截面：查圖得：Wd4×=0.1116m精餾段：s提餾段：有θ＞5s，故降液管可用。3．降液管底隙高度①精餾段取降液底隙的流速則②提餾段故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液管，深度七）、塔板布置及浮閥數(shù)目與排列。1．塔板分布：本設(shè)計(jì)塔徑D=m，采用分塊式單流塔板。2．得閥數(shù)目與排列：①取閥孔動(dòng)能因子F0=12，則孔速u01為L(zhǎng)w=0.59m《設(shè)計(jì)》p62課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果每層塔板上浮閥數(shù)目為：6m，破沫區(qū)密度Ws=0.01m，計(jì)算塔板上的鼓泡區(qū)面積即：浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個(gè)橫排的孔心距t=75mm。則排間距：塔板開(kāi)孔率：提餾段取閥孔動(dòng)能因子F0=12，則每層塔板上浮閥數(shù)目為：N=84塊開(kāi)孔率=%按t=75mm估算排間距塔板開(kāi)孔率:四、塔板的流體力學(xué)計(jì)算一)氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降可根據(jù)計(jì)算。精餾段:①干板阻力:因：故:②板上充氣液層阻力:取ε0=0.4,=ε0hL×③液體表面張力所造成的阻力:此阻力極小,可忽略，故提餾段:（1）干板阻力:因，故板上充氣液層阻力取ε0=0.5,=ε0hL×表面張力所造成的阻力：此阻力極小可忽略，故故精餾段和提餾段均滿足要求。二）、淹塔：為了防止發(fā)生淹塔現(xiàn)象，要求控制管中清液高度eq\o\ac(○,1)單層氣體通過(guò)塔板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨萮p1eq\o\ac(○,2)液體通過(guò)降液管的壓頭損失：eq\o\ac(○,3)板上液層高2.提餾段：eq\o\ac(○,1)單板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨萮p2eq\o\ac(○,2)液體通過(guò)降液管的壓頭損失：eq\o\ac(○,3)板上液層高度、過(guò)量霧沫夾帶1.精餾段板上液體流經(jīng)長(zhǎng)度:板上液體流面積：對(duì)無(wú)泡沫、正常系統(tǒng)，取物性系數(shù)K=1.0,泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)CF查圖得，液氣動(dòng)能參數(shù)為查圖2-32得，3時(shí)，CF為了避免過(guò)量霧沫夾帶，應(yīng)控制泛點(diǎn)率不超過(guò)80%，由以上計(jì)算可知，物沫夾帶能滿足ev＜0.111g（液）/kg（氣）的要求。Hd1《設(shè)計(jì)》P77泛點(diǎn)泛點(diǎn)率=79.27%《設(shè)計(jì)》P58課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果查圖2-32得，3時(shí)，CF由計(jì)算可知亦符合霧沫夾帶量要求。四)塔板負(fù)荷性能圖1．霧沫夾帶線據(jù)此可作負(fù)荷性能用中的霧沫夾帶線，按泛點(diǎn)率80%計(jì)算。精餾段:《設(shè)計(jì)》P77泛點(diǎn)率=68.87%整理得:提餾段:整理得:精餾段Ls(m3/s)Vs(m3/s)提餾段(m3/s)(m3/s)由此確定液泛線忽略式中①精餾段:課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果得:=2\*GB3②提餾段：同理得：得精餾段LS1(m3/s)VS1(m3/s)提餾段LS2(m3/s)VS2(m3/s)液相負(fù)荷上限液體的最大流量應(yīng)保證降液管中停留不低于3~5s，液體降液管內(nèi)停留時(shí)間。以θ=3s作為液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的下限，則4．漏液線：對(duì)于F1型重閥，依F0=5作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果eq\o\ac(○,1)精餾段：eq\o\ac(○,2)提餾段5．液相負(fù)荷下限線：取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件作出液相負(fù)荷下限線，該線與氣相流量無(wú)關(guān)的豎直線。取E=1.0，則由以上1~5作出塔板負(fù)荷性能圖。由塔板負(fù)荷性能圖可看出：在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點(diǎn)P（設(shè)計(jì)點(diǎn)）處在適宜操作區(qū)內(nèi)的適中位置；②塔板的氣相負(fù)荷上限完全由物沫夾帶控制，操作下限由漏液控制；eq\o\ac(○,3)按固定的液氣比，由圖可查出塔板的氣相負(fù)荷上限,氣相負(fù)荷下限，故精餾段操作彈性=，提餾段操作彈性=精餾段操作彈性=2.10,提餾段操作彈性=2.65課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果五、浮閥塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目符號(hào)單位精餾段提餾段塔徑Dm板間距HTm0.450.45塔板型空塔氣速um/s堰長(zhǎng)lwm0.590.59堰高h(yuǎn)wm1562板上入口高度hLm降液高度hom07424浮閥數(shù)N8473閥孔氣速uom/s臨界動(dòng)能因子Fv1212臨界閥孔鏈uosm/s9.511.44孔心距tm排間距t`m081單板壓降ΔPpPa6液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間θS降液管內(nèi)清液高度Hσm541泛點(diǎn)率%氣相負(fù)荷上限(Vs)maxm3/s氣相負(fù)荷下限(Vs)minm3/s0.46620.4812操作彈性2.65等腰三角形課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果六、附屬設(shè)備設(shè)計(jì)冷凝器選擇:有機(jī)物蒸汽冷凝器設(shè)計(jì)選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍500-1500kcal/(m2.h.oC)本設(shè)計(jì)取K=700kcal/(m2.h.oC)=2926J/(m2.h.oC)出料液溫度：78.25oC（飽和氣）oC（飽和液）冷卻水溫度：20oC35oC逆流操作：△t1oC△t2oC查得設(shè)備型號(hào)：G500I-16-40公稱直徑（mm）公稱壓力（PN/mPa）管理數(shù)4504.001管根數(shù)換熱管長(zhǎng)度換熱面積二）預(yù)熱器的選擇查《化工原理》王志魁編P377-P3782課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果查（化工原理上冊(cè)P267）用內(nèi)差法得：傳熱系數(shù)取K=2926J/(m2.h.Oc)料液溫度:20oCoC熱流體溫度:133oC133oC逆流操作:查P267(化原上冊(cè))得K=2160kj/kg查得CA=3.8kj/(kg.K)CB=4.2kj/(kg.K)××0.8901=4.156kj/(kg.K)七、附件設(shè)計(jì)接管進(jìn)料管本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管查《化工原理》王志魁編P374-P3752V=524kg/h課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)取回流管:直流回流取查表取查表取直管出氣,取出口氣速u=20m/s則查表取5.塔釜進(jìn)氣管取查表取二)裙座采用圓角形由于裙座內(nèi)徑約800mm,取裙座厚度16mmD=101mm課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果考慮到使用再沸器,裙座高度取2m三)人孔人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)入任何一層塔板，由于設(shè)置人孔處塔間距離大，且人孔距設(shè)備過(guò)多會(huì)使制造時(shí)塔體的彎曲度難以達(dá)到要求，一般每隔10～20塊塔板才設(shè)一個(gè)人孔，本塔共16塊板，需設(shè)置4個(gè)人孔，每個(gè)孔直徑為450mm，在設(shè)置人孔處，板間距為800mm，裙座上開(kāi)1個(gè)人孔。塔總體高度設(shè)計(jì)塔的頂部空間高度塔的頂部空間高度指塔頂?shù)谝粚铀P(pán)到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到第一塊板的距離為600mm，塔頂部空間高度為1300mm二）塔的底部空間高度塔的底部空間高度是指塔底最末一層塔盤(pán)到塔底下封頭切線的距離，釜液停留時(shí)間取5min三）塔立體高度《設(shè)計(jì)》P58課程設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)及說(shuō)明參考文獻(xiàn)主要結(jié)果八、設(shè)計(jì)評(píng)述與心得體會(huì)本課程為乙醇―水體系連續(xù)精餾裝置（浮閥塔）的設(shè)計(jì)