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1、乙醇-水连续精馏筛板塔的设计前言精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高， 而下降液愈接近塔底,其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返 回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸 气返回塔中，另一部分液体作
2、为釜残液取出。精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目 的。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多 数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操 作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一
3、定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔 外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再 沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算一一物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性
4、参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。目录前言 2化工原理课程设计任务书 6.第一章设计概述71.1塔设备在化工生产中的作用与地位 71.2塔设备的分类81.3板式塔8.泡罩塔&筛板塔&浮阀塔9.第二章设计方案的确定及流程说明 9.2.1塔型选择92.2操作流程9第三章塔的工艺计算103.1查阅文献，整理有关物性数据 11进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 11平均摩尔质量 113.2全塔物料衡算113.3塔板数的确定12理论塔板数的求取 12全塔效率的估算 15实际塔板数 16第四章精馏塔主题尺寸的计算174.1求的塔顶、进料板、及塔釜的压力 174.2平均摩尔质量的计算：（kg
5、/kmol）1734、3平均密度m（ Kg / m ）184.4精馏段与提馏段的汽液体积流量计算204.5液体表面张力 204.6塔径D的计算214.7塔高的计算234.8塔板结构尺寸的确定24第五章塔板的流体力学验算5.1气体通过塔板的压力降 m液柱275.2液体在降液管内停留时间的校核 295.3液沫夹带（雾沫夹带） 295.4漏液305.5液泛31第六章塔板负荷性能图316.1精馏段塔板负荷性能图32漏液线32液沫夹带线 32液相负荷下限线 33液相负荷上限线 336.1.5液泛线错误!未定义书签。6.2提馏段塔板负荷性能图35漏液线35液沫夹带线 35液相负荷下限线 36液相负荷上限线
6、 37液泛线37第七章各接管尺寸的确定及选型 397.1进料管尺寸的计算及选型397.2釜液出口管尺寸的计算及选型 397.3回流管尺寸的计算及选型407.4塔顶蒸汽出口径及选型 407.5水蒸汽进口管口径及选型4041第八章精馏塔的主要附属设备8.1冷凝器418.2预热器428.3预热器43设计结果一览表 44设计方案讨论 45参考文献46化工原理课程设计任务书设计题目：乙醇-水连续精馏筛板塔的设计任务要求：1. 设计一连续筛板精馏塔以分离乙醇和水，具体工艺参数如下：? 原料乙醇含量：质量分率=（30+0.5*学号）% ,? 原料处理量：质量流量=（10 0.1*学号）t/h 单号?（10
7、+ 0.1* 学号）t/h 双号? 产品要求：摩尔分率：xd = 0.83, x w = 0.10 单号;? xd = 0.80, x w = 0.05 双号R = （ 1.2 2 ） Rmin。2. 工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝，塔底间接加热，泡点进料，泡点回流,主要内容:1. 确定全套精馏装置的流程，绘出流程示意图，标明所需的设备、管线及有关控制或观测所需的主要仪表与装 置；2. 精馏塔的工艺计算与结构设计：? 物料衡算确定理论板数和实际板数；? 按精馏段首、末板，提馏段首、末板计算塔径并圆整；? 确定塔板和降液管结构；? 按精馏段和提馏段的首、末板进行流体力学校核，并对特定板的结构进
8、行个别调；? 进行全塔优化，要求操作弹性大于2。3. 计算塔高；4. 估算冷却水用量和冷凝器的换热面积、水蒸气用量和再沸器换热面积；5. 绘制塔板结构图（用计算纸或绘图纸）；6. 列出设计参数总表。四参考书目第一章设计概述1.1塔设备在化工生产中的作用与地位塔设备是是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相间进行紧密接触， 达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业 气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境保
9、护等各个方面都有重大影 响。塔设备的设计和研究受到化工炼油等行业的极大重视。1.2塔设备的分类塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要，为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔，长期以来，人们最长用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料塔两大类。1.3板式塔板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，主要的塔型是浮阀塔、筛板塔 和泡罩塔。泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长
10、期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡 罩塔具有一下优点：（1）操作弹性大（2）无泄漏（3）液气比范围大（4）不易堵塞，能适应多种介质泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。筛板塔筛板塔液是很早就出现的板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点：（1 ） 生产能力大（提高 20 % 40 %）（2）塔板效率高（提高10 % 15 %）（3）.压力降低（降低30 % 50 %），而且结构简单，塔盘造价减少40 %左右，安装维修都比较容易 。1.3.3浮阀塔20世纪50年代起
11、，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的蒸馏、脱吸等传质 过程。浮阀式之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：(1).处理能力大(2)操作弹性大(3).塔板效率咼(4).压力降小其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。浮阀的形式有很多，目前常用的浮阀形式有F1型和V-4型，F1型浮阀的结构简单，制造方便，节省材料，性能良好。F1型浮阀又分为轻阀和重阀两种。V-4型浮阀其特点是阀孔冲成向下弯曲的文丘里型，以减小气体通过塔板的压强降，阀片除腿部相应加长外，其余结构尺寸与F1型轻阀无异，V-4型阀适用于减压系统。第二章设计方案的确定及流程说明2.1塔型选择根据生产任务，若按年工作日300天
12、，每天开动设备 24小时计算，产品流量为15t/h，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用筛板塔。2.2操作流程乙醇一一水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇一水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与
13、自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上， 回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。 流程示意图如下图第三章塔的工艺计算3.1查阅文献，整理有关物性数据(1)水和乙醇的物理性质表31 :水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质里密度20Ckg / m沸占八、101.33kP3aC比热容(20 C)Kg/(kg.C)黏度(20 C)mPa.s导热系数(20 C)/(m. C)表面张力(20 C)N/m水H2O18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇C2H5OH46.0778978.32.391.150.17222.8(2)常压下乙醇和水的
14、气液平衡数据，见表3 2表3 2乙醇一水系统t x y数据沸点t/ C乙醇摩尔数/%沸点t/ C乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.26
