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1、青岛科技大学第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛青岛科技大学第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛设计说明书组员：曲春钊张斌梅郑思则2009 年 12 月 3 日第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 1 - 目录叙述部分 ,4 工艺计算数据及相关符号,5 设计部分 ,9 1.设计条件 .9 1.1 设计任务9 1.2 设计依据9 1.3 填料数据9 1.4 任务数据处理.9 2.工艺流程图 .11 3.板式塔的工艺计算 .12 3.1 塔的物料衡算和操作回流比的确定.12 3.1.1精馏塔的全塔物料衡算 .12 3.1.2最小回流比 .12 3.1.3实际回流比的确定 .13
2、 3.2 总版效率的确定 .15 3.3 实际塔板数的确定 .15 3.4 板式塔空塔气速的估算. .16 3.4.1精馏段与提馏段中各流量的计算.16 青岛科技大学- 2 - 3.4.1.1液体平均质量流量.16 3.4.1.2蒸汽平均质量流量.17 3.4.2空塔气速的估算18 3.5 塔径的计算.18 3.6板式塔塔高的确定.19 4.填料塔的工艺设计 .20 4.1 蒸汽速度和塔径.20 4.1.1液泛时蒸汽极限空塔速度.20 4.1.2填料塔的塔径.21 4.1.3塔中蒸汽的实际操作速度.22 4.2填料层高度和塔高.22 4.2.1精馏段及提馏段填料层高度的估算22 4.2.2填料
3、层总高度 H的估算.22 4.2.3精馏塔总高度 Hz的确定 23 5.换热器的设计 .23 5.1塔顶冷凝器的设计.23 5.1.1冷凝水消耗量.23 5.1.2换热面积.24 5.1.3管子根数.25 5.1.4管长.25 5.1.5换热器的选择.25 5.2塔釜再沸器的设计.25 5.2.1蒸汽消耗量.26 5.2.2换热面积.26 第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 3 - 5.2.3管子根数.26 5.2.4管长.27 5.2.5换热器的选择.27 5.3 预热器的设计.27 5.3.1蒸汽消耗量.27 5.3.2换热面积.28 5.3.3管子根数.28 5.3.4管长.2
4、8 5.3.5换热器的选择.28 5.4换热器设计图.29 6.泵的设计 .29 6.1压头与流量的确定.29 6.2 泵的选择29 设计参考资料.31 思考题. .32 青岛科技大学- 4 - 叙述部分本设计说明书针对处理量为20 吨每小时的乙醇异丁醇物系的分离精馏塔进行了各方面的工艺计算，主要涉及了塔型的选择（板式塔和填料塔），塔径的计算，塔高的计算，冷凝器的选型，再沸器的选型，预热器的选型和泵的选型，并附有带控制点的工艺流程图。第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 5 - 工艺计算数据及相关符号F1 型浮阀阀孔直径 /mm 39 阀片直径 /mm 48 阀片厚度 /mm 2 最大
5、开度 /mm 8.5 静止开度 /mm 2.5 阀片质量 /mm 3242 板式塔进料摩尔流率 F/(kmol/h) 281.02 塔顶摩尔流率 D/(kmol/h) 154.75 塔釜摩尔流率 W/(kmol/h) 126.27 最小回流比 Rmin1.35 实际回流比 R 2.16 理论塔板数 N理12 实际塔板数 N实28 进料板位置 NF16 进料板高度 /m 9.19 塔径 d/mm 2100 精馏段蒸汽极限速度uf,J/(m/s) 2.36 提馏段蒸汽极限速度uf,T/(m/s) 1.77 塔高 Hz/mm 18525 青岛科技大学- 6 - 填料填料名称拉西环公称直径 mm 50
6、 尺寸(外径 高 厚)mm 50 50 1.0 材质及堆积方式钢制乱堆比表面积 /(m2/m3) 110 空隙率 /(m3/m3) 0.92 每 m3填料个数7000 堆积密度 pkg/m3430 干填料因子 /m-1141 填料塔精馏段液体平均质量流量LJ/(kg/h) 17571.24 提馏段液体平均质量流量LT/(kg/h) 40027.31 精馏段气体平均质量流量VJ/(kg/h) 24837.77 提馏段气体平均质量流量VT/(kg/h) 30944.15 精馏段蒸汽极限速度uf,J/(m/s) 2.44 提馏段蒸汽极限速度uf,T/(m/s) 1.87 塔径 d/mm 2000 精
7、馏段填料层节数2 提馏段填料层节数1 塔高 Hz/mm 15400 第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 7 - 塔顶冷凝器热负荷 kW -1565.33 公称直径 mm 600 公称压力 kPa 1600 传热面积 S/m252.8 管程数2 管数 n 232 管长 l/mm 3000 管子规格 mm 252.5管心距 mm 32 冷凝水耗量 W水/(kg/s) 37.46 塔釜再沸器热负荷 kW 1795.31 公称直径 mm 273 公称压力 kPa 2500 传热面积 S/m214.7 管程数2 管数 n 56 管长 l/mm 4500 管子规格 mm 192.0管心距 mm
8、25 蒸汽耗量 W蒸汽/(m3/s) 0.318 青岛科技大学- 8 - 预热器热负荷 kW 920.99 公称直径 mm 400 公称压力 kPa 2500 传热面积 S/m214 管程数2 管数 n 94 管长 l/mm 2000 管子规格 mm 25 2.5 管心距 mm 32 热水耗量 W热水 kg/s 4.18 泵型号IS80-65-125 转速 n/(r/min) 2900 流量 m3/h 30 扬程 H/m 22.5 效率 /%64 轴功率 kW 2.87 电机功率 kW 5.5 必须汽蚀余量 m 3.0 第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 9 - 设计部分1.设计条件
9、1.1.设计任务设计一精馏塔，用以完成乙醇异丁醇混合液的分离任务。1.2.设计依据表 1 项目任务处理量， tons/h 20 进料组成 (乙醇：正丁醇 (w/w) 45%:55% 分离要求(质量分率 ) 塔顶乙醇含量95% 塔底异丁醇含量95% 进料状况20料液经预热器预热至泡点进料工作压力常压 (101.3kPa) 加热蒸汽0.4MPa 饱和蒸气（表压）冷却水进出口温度20、301.3.填料数据表 2 填料名称尺寸(直径 高 厚) mm 材质及堆积方式比表面积m2/m3空隙率m3/m3每 m3填料个数堆积密度pkg/m3填料因子m-1拉西环50 50 1.0 钢制乱堆110 0.92 70
10、00 430 141 1.4.任务数据处理将任务中各数据的单位进行换算，以利于计算。查的相关数据如下，条件为20，常压下：青岛科技大学- 10 - 表 3 内容乙醇异丁醇密度 ，kg/m3790 801.6 分子量46.069 74.1228 以下为换算过后的各项目数据：表 4 项目任务原料液密度 (20)，kg/m3进料密度 (泡点 85.45)，kg/m3处理量 (按进料密度计算)，kmol/h 796.38 651.028 281.020 进料组成乙醇，异丁醇(摩尔分数 ) 56.83%，43.17% 分离要求(质量分率 ) 塔顶乙醇含量96.83% 塔底异丁醇含量92.19% 进料状况
11、20料液经预热器预热至泡点进料工作压力常压加热蒸汽0.4MPa 饱和蒸气（表压）冷却水进出口温度20、30第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 11 - 2.工艺流程图青岛科技大学- 12 - 3.板式塔的工艺计算3.1.塔的物料衡算和操作回流比的确定3.1.1. 精馏塔的全塔物料衡算由总物料衡算和乙醇物料衡算可得以下方程：其中 F 为 281.020kmol/h，xF为 0.5683，xD为 0.9683，xW为 0.0781。解得 D为 154.75kmol/h，W 为 126.27kmol/h。3.1.2. 最小回流比物料泡点进料。求得101.3kPa下以上组成物料的泡点为85.
12、45。绘出101.3kPa下物料的 T-x-y 图（用 PRO/II 以理想物系构建），查得泡点温度下与原混合溶液呈平衡的乙醇气相进料浓度yF*为 0.73846。第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛- 13 - Composition, Mole Fraction ETHANOL, (P = 101.30 kPa)00.20.40.60.81.0Temperature,K3 50.0 03 55.0 03 60.0 03 65.0 03 70.0 03 75.0 0T-X-Y Plot for ETHANOL and SBUTANOLBBubble PointBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBDDew PointDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD图 1 根据公式：求得 Rmin为 1.351。3.1.3. 实际回流比的确定令 R/Rmin= ，为回流比系数。根据不同的回流比系数求得对应的实际回流比和塔板数，列表如下：青岛科技大学- 14 - 表 5 1.150 1.225 1.300 1.480 1.600 1.750 2.125 R 1.55 1.65 1.
