乙醇 - -丙醇连续浮阀式精馏塔的设计

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目录

化工原理设计任务书 ............................................... 1 摘 要 ........................................................ 2 第1章 绪论 .................................................... 3

1.2 设计流程 ................................................................................................................................. 3 1.2 设计思路 ................................................................................................................................................... 4

第2章 塔板的工艺设计 ....................................................................................................................... 5

2.1 精馏塔全塔物料衡算 ........................................................................................................... 5 2.2 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系 ...................................................... 5

2.2.1 温度的确定 ................................................................................................................. 5 2.2.2 密度的计算 ................................................................................................................. 6 2.2.3 混合液体表面张力的计算 ......................................................................................... 7 2.2.4 混合液混合物的粘度计算 ......................................................................................... 8 2.2.5 相对挥发度 ................................................................................................................. 9 2.3 理论塔板的计算 .................................................................................................................... 9

2.3.1 理论塔板数的确定 ..................................................................................................... 9 2.3.2 实际塔板数 ............................................................................................................... 11

2.3.2.1 精馏段 ......................................................................................................... 11 2.3.2.2 提馏段 ............................................................................................................ 11

2.4 塔径的初步设计 .................................................................................................................. 12

2.4.1 气液相体积流量计算 ............................................................................................... 12

2.4.1.1 精馏段 ............................................................................................................ 12 2.4.1.2 提馏段 ............................................................................................................ 12 2.4.2 操作压力计算 ........................................................................................................... 12 2.4.3 塔径的计算与选择 ................................................................................................... 13

2.4.3.1 精馏段 ............................................................................................................ 13 2.4.3.2 提馏段 ............................................................................................................ 13

2.5 溢流装置 .............................................................................................................................. 14

2.5.1 溢流堰长 ................................................................................................................... 14

AW2.5.2 弓形降液管的宽度d与降液管的面积f ............................................................ 14 2.5.3 降液管底隙高度 ....................................................................................................... 15 2.6 塔板布置 .............................................................................................................................. 15

2.6.2 塔板的分布 ............................................................................................................... 15 2.6.2 浮阀数目与排列 ....................................................................................................... 15

2.6.3.1 精馏段 ............................................................................................................ 15 2.6.3.2 提馏段 ............................................................................................................ 16

第3章 塔板的流体力学计算 ...................................... 18

3.1 汽相通过浮阀塔板的压降 .................................................................................................. 18

3.1.1 精馏段 ....................................................................................................................... 18

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3.1.1.1 干板阻力 ........................................................................................................ 18 3.1.1.2 板上充气液层阻力 ........................................................................................ 18 3.1.1.3 液体表面张力所造成的阻力 ....................................................................... 18 3.1.2 提馏段 ....................................................................................................................... 18

3.1.2.1 干板阻力 ........................................................................................................ 18 3.1.2.2 板上充气液层阻力 ........................................................................................ 18 3.1.2. 2 液体表面张力所造成的阻力 ........................................................................ 18

3.2 淹塔 ...................................................................................................................................... 18 3.3 雾沫夹带 .............................................................................................................................. 19 3.4 塔板负荷性能图 .................................................................................................................. 20

3.4.1 雾沫夹带线 ............................................................................................................... 20 3.4.2 液泛线 ....................................................................................................................... 21 3.4.3 液相负荷上限线 ....................................................................................................... 22 3.4.4 漏液线 ....................................................................................................................... 22 3.4.5 液相负荷下限线 ....................................................................................................... 22 3.4.6 操作弹性 ................................................................................................................... 23

第4章 塔总高度计算 ............................................ 24

4.1 塔顶封头 .............................................................................................................................. 24 4.2 塔顶空间 .............................................................................................................................. 24 4.3 塔底空间 .............................................................................................................................. 24 4.4 人孔 ...................................................................................................................................... 24 4.5 进料板处板间距 .................................................................................................................. 24 4.6 裙座 ...................................................................................................................................... 24

第5章 塔的接管 ................................................ 25

5.1 进料管 .................................................................................................................................. 25 5.2 回流管 .................................................................................................................................. 25 5.3 塔底出料管 .......................................................................................................................... 25 5.4 塔顶蒸汽出料管 .................................................................................................................. 25 5.5 塔底蒸汽进气管 .................................................................................................................. 26 5.6 设计结果汇总 ...................................................................................................................... 27

结语 ............................................................ 28 参考文献 ........................................................ 29 主要符号说明 .................................................... 30 附录 ............................................................ 32

II

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化工原理设计任务书

一、设计题目：乙醇----丙醇连续浮阀式精馏塔的设计 二、任务要求：设计一连续浮阀精馏塔以分离乙醇—丙醇

具体工艺参数如下：

原料加料量 F＝100kmol/h 进料组成 xF＝0.318 馏出液组成 xD＝0.938 釜液组成 xw＝0.038 塔顶压力 p＝100kpa 单板压降 ≤0.7 kPa

2 工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝器，塔底间接加热，泡点进料，泡点回流。 三 主要设计内容

1、设计方案的选择及流程说明 2、工艺计算

3、主要设备工艺尺寸设计

（1）塔径及精馏和提馏段塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校核 （3）塔板的负荷性能图 （4）总塔高 4、设计结果汇总

5、工艺流程图及精馏塔工艺条件图

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摘 要

在本次任务中，根据化工原理课程设计的要求设计的是乙醇-丙醇二元浮阀精馏塔，除了要计算其工艺流程（物料衡算、筛板塔的设计计算）以外，并对精馏塔的主要工艺流程进行比较详细的设计，并画出了精馏塔的工艺流程图和设备条件图。

本次设计选取回流比R =1.5Rminmin=4.276，应用逐板法计算理论版数，求得理论塔板NT

为15块（包括塔釜再沸器），第8块为进料板。由奥康奈尔公式得到全塔效率ET为46.67%，实际塔板数为30块，第16块为进料板,建立塔的框架。以此为基础，展开物料物理性质和塔工艺尺寸的计算：塔径精馏段D1=1.2m，提馏段D2=1.4m，板间距0.45m；选用单溢流弓形降液管；并用流体力学对浮阀精馏塔进行验算，气体通过浮阀塔板压降，淹塔，物沫夹带，塔板负荷性能图（物末夹带线、液泛线、液相负荷上限漏液线、液相负荷下限）确定了各项指标均在安全操作范围之内。塔顶采用全凝器，进料液用釜液预热。

关键词：乙醇-丙醇；浮阀精馏塔；物料衡算；逐板法计算理论塔板数；

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第1章 绪论

精馏在化工生产中是最基本的单元操作之一，精馏操作的主体设备即塔设备，气液传质设备的种类繁多，但基本上可以分为两大类：逐级接触式和微分式，板式塔是逐级接触式的代表，填料塔是微分接触式的代表。板式塔的塔板类型种类很多，有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板、舌型塔板、网孔塔板、垂直塔板、多降液管塔板、林德筛板、无溢流塔板等。本设计要求设计浮阀塔精馏塔，所以下面介绍一下浮阀塔。

浮阀塔是二十世纪五十年代初开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安置一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起、上升，孔速低时，阀片因自重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，从而收到很好的传质效果。

浮阀有三条带钩的腿，将浮阀放进筛孔后，将其腿上的钩扳转，可防止操作时气速过大将浮阀吹脱。此外，浮阀边沿冲压出三块向下微弯的“脚”。当筛孔气速降低，浮阀降至塔板时，靠这三只“脚”使阀片与塔板间保持2.5mm左右的间隙；在浮阀再次升起时，浮阀不会被粘住，可平稳上升。浮阀塔的生产能力比泡罩塔约大20%～40%，操作弹性可达7～9，板效率比泡罩塔约高15%，制造费用为泡罩塔的60%～80%，为筛板塔的120%～130%。

浮阀一般都用不锈钢制成，国内常用的浮阀有三种，即V-4型、T型与F1型。V-4型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷嘴形，气体通过阀孔时因流道形状渐变可减小阻力。T型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。三类浮阀中，F1型浮阀最简单，该类型浮阀已被广泛使用。我国已有部颁标准（JB1118—68）。F1型阀又分重阀与轻阀两种，重阀用厚度2mm的钢板冲成，阀质量约33克，轻阀用厚度1.5mm的钢板冲成，质量约25克。阀重则阀的惯性大，操作稳定性好，但气体阻力大，一般采用重阀，只有要求压降很小的场合，如真空精馏时才使用轻阀

1.1设计流程

乙醇—丙醇合液经原料预热器加热，进料状况为泡点进料送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝汽冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐

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饱和水蒸汽

全凝器 回流 出料 乙醇和丙醇溶液

1.2设计思路

塔釜出料 图1-1精流流程示图 全塔物料衡算 求理论塔板数 汽液相负荷计算 浮阀塔塔板设计 流体力学计算 画出负荷性能图 画出工艺流程图 4

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第2章 塔板的工艺设计

2.1 精馏塔全塔物料衡算

?xf?26.33%（x/46）?摩尔分数xmol=?质量分数?xd?92.06%

（x/46）+（1-x)/60?xw?2.94%?物料衡算式为：F=D+W 易挥发组分物料衡算：F×XF=D×XD+W?XW ?F?D?W?100?D?W ? ? ?Fxf?Dxd?Wxw100?0.318?0.938D?0.038W??解得：D=31.111 kmol/h=0.00864kmol/s W=68.889 kmol/h=0.0191kmol/s

2.2常压下乙醇-丙醇气液平衡组成（摩尔）与温度的关系

表2-1常压下乙醇—丙醇的汽液平衡数据 序号 1 2 3 4 5 6 液相组成 0.000 0.126 0.188 0.210 0.358 0.461 气相组成 0.000 0.240 0.318 0.339 0.550 0.650 沸点/℃ 97.16 93.85 92.66 91.60 88.32 86.25 序号 7 8 9 10 11 液相组成 0.546 0.600 0.663 0.844 1.000 气相组成 0.711 0.760 0.799 0.914 1.000 沸点/℃ 84.98 84.13 83.06 80.59 78.38 2.2.1 温度的确定

利用表2-1中数据由插值法可求得tF、tD、tW。

t?91.60 91.60?88.32tF=89.206 oC 进料温度：?F0.210?0.3580.318?0.21080.59?78.38tD?78.38? o

塔顶温度：0.844?10.938?1 tD=79.258C

97.16?93.85tW?97.16 tW=96.162oC ?0?0.1260.038?0tF?tD89.206?79.258精馏段平均温度 t1???84.232℃

22塔底温度：

提馏段平均温度 t2?tF?tW89.206?96.162??92.684℃ 22

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2.2.2 密度的计算

T.PM1?A?B（α为质量分率）、?v?O（M平均相对分子量）计算混合物液体密度??22.4TPOpl?A?B和混合气体密度。

利用式

塔顶温度：tD=79.258 oC

78.38?80.5979.258?78.38气相组成yD: yD=96.58% ?1?0.914yD?1进料温度: tF=89.206 oC

91.60?88.3291.60?89.206汽相组成yF:: yF:=49.30% ?0.339?0.5500.339?yF塔底温度：tW=96.162 oC

97.16?93.8597.16?96.162?汽相组成yW: yW=7.24%

0?0.2400?yWx?x0.938?0.318精馏段平均液相组成：x1?DF?=0.628

22y?yF0.9658?0.4930?精馏段平均汽相组成：y1?D=0.729 22精馏段液相平均分子量：ML1?46?0.628?60?(1?0.628)?51.208kg/kmol 精馏段汽相平均分子量：MV1?46?0.729?60?(1?0.729)?50.07kg/kmol

x?x0.038?0.318提馏段平均液相组成：x2?wF?=0.178

22y?yF0.4930?0.0724??0.2827 提馏段平均汽相组成：y1?W22提馏段液相平均分子量：ML2?46?0.178?60?(1?0.178)?57.508kg/kmol

提馏段液相平均分子量：MV2?46?0.2827?60?(1?0.2827)?56.024kg/kmol

利用表2-2中数据，由插值法不同温度下乙醇和丙醇的密度求得在tF、tD、tW下乙醇和水的密度（Kgm3）

表2-2不同温度下乙醇和丙醇的密度 温度T、℃ 70 80 90 100 乙醇：ρa㎏／m3 754.2 742.3 730.1 717.4 丙醇：ρb㎏／m3 759.6 748.7 737.5 726.1 90?8090?89.206

?乙F?731.068kgm3（进料乙醇的密度） tF=89.206oC ?730.1?742.3730.1??乙F90?8090?89.206? ?丙F?738.389kgm3（进料中丙醇的密度）

737.5?748.7737.5??丙F0.26331?0.2633 ?F?736.447kgm3（料液的密度） ??F731.068738.38980?7089?79.258

?乙D?743.183kgm3（馏出液中乙醇的密度）? tD=79.258 oC

742.3?754.2742.3??乙D

1=

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80?7080?79.258? ?丙D748.7?759.6748.7??丙D?749.509Kgm3（馏出液中丙醇的密度）

0.92061?0.9206 ?D?743.681kgm3（馏出液的密度） ??D743.183749.509100?90100?96.162 o

?乙w?722.274kgm3（残液中乙醇的密度） tW=96.162C ?717.4?730.1717.4??乙W100?90100?96.162? ?丙w?730.475kgm3（残液中丙醇的密度）

726.1?737.5726.1??丙W1=

0.02941?0.0294 ?w?730.231kgm3（残液的密度） ??W722.274730.475???D736.447?743.681所以 精馏段的平均气相密度：?L1?F=740.064kgm3 ?22???F730.231?736.447提馏段的平均气相密度：?L2?w=733.339kgm3 ?22 MLD?xD?46?(1?xD)?60?0.938?46?(1?0.938)?60=46.868 kg/kmol

1=

MLF?xF?46?(1?xF)?60?0.318?46?(1?0.318)?60=55.548 kg/kmol MLW?xW?46?(1?xW)?60?0.038?46?(1?0.038)?60=59.468 kg/kmol

则：

ML1?MLD?MLF46.868?55.548==51.208kgkmol 22M?MLF59.468?55.548==57.508kgkmol ML2=LW22MvD?yD?46?(1?yD)?60?0.9658?46?(1?0.9658)?60?46.479 kgkmol MvF?yF?46?(1?yF)?60?0.493?46?(1?0.493)?60?53.098 kg/kmol MvW?yW?46?(1?yW)?60?0.0724?46?(1?0.0724)?60?58.986 kg/kmol

M?MVWMV1?VD?49.943kgkmol

2M?MVWMV2?VF?56.042kgkmol

2???????273.153

?VF??1.787 kg/m

22.4?(273.15?89.206)???????273.153

?VD??1.608 kg/m

22.4?(273.15?79.258)

???????273.153

?Vw??1.948 kg/m

22.4?(273.15?96.162) ???VD1.787?1.608?V1?VF??1.697 kg/m3

22 ???1.787?1.948?V2?VFVW??1.8673

22 kg/m

2.2.3混合液体表面张力的计算

由表2-3不同温度下乙醇和丙醇的表面张力，利用插值法求的表面张力

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表2-3不同温度下乙醇和丙醇的表面张力数据表 温度℃ 60 80 100 乙醇（mNm） 20.25 18.28 16.29 丙醇（mNm） 21.27 tD?79.258℃ ,

19.40 17.50 80?6018.28?20.25 ?乙D?18.353 mNm ， ?80?79.25818.28??乙D80?6019.40?21.27? ?丙D?19.469 mNm

80?79.25819.40??丙D100?8016.29?18.28 ， ?乙F?17.364 mNm ?100?89.20616.29??乙F100?8017.50?19.40mN ? ， ?丙F?18.52 5m100?89.20617.50??丙FtF=89.206℃，

tw?96.162℃，

100?8016.29?18.28 ， ?乙W?16.672 mNm ， ?100?96.16216.29??乙W100?8017.50?19040mN ? ， ?丙W?17.86 5m100?96.16217.50??丙W?LD??乙DxD??丙D(1?xD)?18.353?0.938?19.469?(1?0.938)?18.422mNm ?LF??乙FxF??丙F(1?xF)?17.364?0.318?18.525?(1?0.318)?18.156 mNm ?LW??乙WxW??丙W(1?xW)?16.672?0.038?17.865?(1?0.038)?17.820mNm

???LF18.422?18.156??18.289 mNm 精馏段液相平均表面张力：?L精?LD22???LF17.820?18.156??17.988 mNm 提馏段液相平均表面张力：?L提?LW22

2.2.4 混合液混合物的粘度计算 2-4乙醇和丙醇的粘度数据表 温度℃ 60 80 乙醇0.601 0.495 （mPa*s） 丙醇（mPa*s） 0.899 0.619 根据2-4表，用插值法求得混合物的黏度 100 0.361 0.444 t1?84.232 ℃ ，

100?8084.232?80 ， ?乙?0.467 mPas ?0.361?0.495?乙?0.495100?8084.232?80 ， ??0.58 2mPs

?a丙0.444-0.619?丙?0.619100?8092.684?80't2?92.684 ℃ , ?' ， ?乙?0.410 mPas

0.361-0.495?乙?0.495

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空塔气速： u2=

2.5 溢流装置

1.381

=0.897m/s1.5392.5.1 溢流堰长

取堰长lw为0.6D, 精馏段： lw=0.6?1.2=0.72m

提馏段：lw=0.60.6?1.4=0.84m

出口堰高：本设计采用平直堰，堰上高度hOW按下式计算

how?2.84?10?3E(Lh2/3)（ 近似取E?1） lw2.5.1.1精馏段堰上的液层高度：

hOW2.842.256?10-3?360023??（）=0.0155m10000.72

溢流堰高hW?hL-hOW?0.06?0.0155?0.0445 2.5.1.2提馏段堰上的液层高度： hOW2.84??????10-3?360023??（）=0.0176 10000.84溢流堰高hW?hL-hOW?0.06?0.0176?0.0424

Wd2.5.2 弓形降液管的宽度

与降液管的面积AF

由

lw?0.6 查弓形降液管参数图知 DWAF?0.0765 d?0.134

DAT精馏段:AF=0.0765?1.130=0.0864m2

Wd?0.134?1.2?0.161m

提馏段：AF=0.765?1.539=0.118m2

WD=0.134?1.4=0.188m

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依式

??Af?HTLs1Af?HTLs1L's2?0.0864?0.45?15.187s?5s?降液管可用

0.00256?0.118?0.45?14.721s?5s?降液管可用0.00607 精馏段:?1?提馏段：?2?Af?HT

2.5.3 降液管底隙高度

h0

根据公式ho?Ls 'Lwu?2.5.3.1精馏段： 取降液管底隙的流速u=0.11m/s

ho?0.00256?0.032m?取ho=0.03m

0.72?0.112.5.3.2提馏段： 取降液管底隙的流速u=0.12m/s

'h??0.005097'?0.036m?取h?=0.04m

0.12?0.72

2.6 塔板布置 2.6.1 塔板的分布

因D?800mm,故塔板采用分块式，以便通过人孔装拆塔板。 2.6.2 浮阀数目与排列

2.6.2.1精馏段 取阀孔动能因子F0=12 孔速 u01=F0?v1=12=9.98ms 1.697

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每层塔板上浮阀数目 N=?4Vs1d0u012=1.354?4=114个

?0.039?9.982取边缘区宽度

WS?0.06m ,

Wc?0.05m

计算塔板上的鼓泡区面积

x??Aa?2?xr2?x2??/180r2sin?1()?r? ?其中 D1.2??Wd?Ws????0.161?0.06??0.379m 22D1.2R??Wc??0.05=0.55m22 x?x??故A??2?xr2?x2??/180r2sin?1()??0.762m2r??

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取孔中心距 t?75mm

A0.762?89mm 则排间距 t??a?Nt114?0.075若考虑到塔直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓

泡面积，因此排列间距应小些，故取t?=60mm，按t=75mm，t?=60mm，以等腰三角形叉排排得浮阀数127个。

按N=127个重新核算孔速和阀孔动能因子

1.354 u?==8.92m.s-1

010.785?0.0392?127?=8.92?1.697=11.62 F01阀孔动能因子变化不大，仍在9?13之间。 塔板开孔率=

u1.198=?100%=13.42% u?8.92012.6.2.2提馏段 取阀孔动能因子F0=12 孔速 u01=F0?v2=12=8.78ms 1.867每层塔板上浮阀数目 N=?4Vs2d0u022=1.381?4=132个

?0.039?8.782浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取孔中心距 t?75mm

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A0.762?77mm 则排间距 t??a?Nt132?0.075若考虑到塔直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓

泡面积，因此排列间距应小些，故取t?=55mm，按t=75mm，t?=55mm，以等腰三角形叉排排得浮阀数144个。

按N=144个重新核算孔速和阀孔动能因子

1.381 u?==8.03m.s-1

020.785?0.0392?144 F01?=8.03?1.867=10.97 阀孔动能因子变化不大，仍在9?13之间。塔板开孔率=uu?=0.897?100%=11.17% 028.03

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第3章 塔板的流体力学计算

3.1 汽相通过浮阀塔板的压降

依据hp?hc?h?h? ， ???hp?Lg来计算 3.1.1精馏段

3.1.1.1干板阻力hc计算

u?1.82573.1ρ0c1?1.825v173.1?7.86m/s 1.697ρu21.697?8.922v101u01?u0c1 h?5.34?5.34??0.050m

c12ρg2?740.064?9.8L13.1.1.2 板上充气液层阻力取

ε?0.5，h?0.06m 0l 则 h?εhL?0.5?0.06?0.03mL103.1.1.3 液体表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计。

与气体流经塔板的压降相当的液柱高度为： hp1?0.050?0.03?0.080m

ρg?0.080?744.064?9.8?580.21Pa Δpp1?hp1L13.1.2提馏段

3.1.2.1干板阻力hc计算

73.11.82573.1u?1.825??7.46m/s 0c2ρ1.867v12ρu21.867?8.03u?u h?5.34v202?5.34??0.045 020c2c22ρg2?733.339?9.8L23.1.2.2 板上充气液层阻力

取ε?0.5，hL?0.06m 则hL2?εh2?0.5?0.06?0.03m 003.1.2.3 液体表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计。

与气体流经塔板的压降相当的液柱高度为 hp2?0.045+0.03?0.075m

Δp?hρg?0.075?733.339?9.8?539.00Pa

p2p2L2

3.2 淹塔

为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液高度

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Hd??（Ht?hw） Hd?hp?hl?hd

3.2.1精馏段

3.2.1.1单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度 hp1?0.080m 3.2.1.2液体通过降液管的压头损失

L20.002562 hd1?0.153（s1）?0.153?()?0.0019m

lwh00.72?0.0323.2.1.3板上液层高度

hL?0.06m 则Hd1?0.080?0.0019?0.06?0.1419m 取??0.5，已知HT?0.45m，hw?0.0445

（hw?HT）（0.0445?0.45）?0.247m 则?1?0.5?可见Hd1??（HT?hw）1，所以符合防止淹塔的要求。

3.2.2提馏段

3.2.2.1单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度 hp1?0.075m 3.2.2.2液体通过降液管的压头损失

L2?0.153?(0.003607)2?0.0022m H?0.153（s2）d2lwh0.84?0.03603.2.2.3板上液层高度

hL?0.06m 则Hd1?0.075?0.0022?0.06?0.1372m 取??0.5，已知HT?0.45m，hw?0.0424m

（hw?HT）（0.45?0.0424）?0.246m 则?2?0.5?可见Hd2??（HT?hw）2，所以符合防止淹塔的要求。

3.3 雾沫夹带 3.3.1精馏段

v1+1.36LZ-ρs1LL1v1泛点率=?100% kCAFb板上液体流经长度 ZL?D?2WD?1.2?2?0.161?0.878m

Vs1ρ板上流体流经面积 A?A?2A?1.130?2?0.0864?0.957m2

TFb取k=1.0，泛点负荷系数CF?0.103

ρ1.113 泛点率?1.697740.064-1.6971.0?0.103?0.957+1.36?0.00256?0.878?100%=68.95%

Vs5.7?10-6ua13.2 e= () ， us=v,1σH-hAT-ATfFL1

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Vs1.354==1.297m/sAt-A1.130-0.0864F

-65.7?101.2973.2 =0.0337kg?0.11kge=()v,118.289?10-30.45-0.153.3.2提馏段

板上液体流经长度 ZL?D?2WD?1.4?2?0.188?1.024m

us=板上流体流经面积 A?A?2A?1.539?2?0.188?1.303m2

TFb

取k=1.0，泛点负荷系数CF?0.103

1.381 泛点率= us=+1.36?0.005097?1.024733.339-1.867?100%=55.73%

1?0.103?1.3031.867Vs1.381==0.972m/sAt-A1.539-0.118F

-65.7?100.9723.2e=() =0.01363kg<0.11kg，v,2-30.45-0.1517.988?10 对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可

知，物沫夹带能够满足ev?0.11Kg的要求。

3.4 塔板负荷性能图

3.4.1 雾沫夹带线

v1+1.36LZ-ρs1LL1v1泛点率= kCAFb据此可作出符合性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算，求 V-S关系如下 3.4.1.1精馏段

Vs1ρρVs1 0.8=3.4.1.2提馏段

1.697740.064-1.6971 1.867+1.36 s1? V=1.645-24.908L

s1s1Vs20.8=+1.36?1.024Ls2733.339-1.867?V=2.125-27.577L

s2s21?0.103?1.303在操作范围内，任取几个L值，依上式计算V出值，计算结果列于表

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表3-1雾沫夹带线计算结果 精馏段 Ls1 0.0008 0.006

Vs1 1.625 1.496 Ls2 0.0008 0.006 提馏段 Vs2 2.103 1.972 3.4.2 液泛线

?(HT+hW)=hP+hL+h=hc+hL+hσ+hL+h

dd

由此确定液泛线，忽略式中h?

2ρvu2L3600L2.842+0+0.153?s)3] ?(HT+hW)=5.34（s）（1+ε）[hw+E(02ρglwh1000lwL04Vs而 u=

02πdN0

3.4.2.1 精馏段

221.697v23600???2.84Ls1LS1)3s10.247=5.34+0.153??+（?0.720.7852?1272?0.0394?740.064?2?9.8?0.72?0.032?1000

整理得：V2=6.629-244.154L2-45.772L2/3

S111SS

3.4.2.2 提馏段

1.867v23600LS2s20.246=5.34+0.153?()2+1.5（0.0424+(0.84?0.03600.7852?1442?0.0394?733.339?2?9.8整理得：V2=7.762-215.319L2-47.7872/3S2S2S2

在操作范围内，任取几个L值，依上式计算V出值，计算结果列于表 表3-2液泛线计算结果 精馏段 Ls1 0.001 0.003 0.004 0.006

21

提馏段 Vs1 2.484 2.382 2.339 2.260 Ls2 0.001 0.003 0.004 0.006 Vs2 2.699 2.601 2.560 2.485 吉林化工学院化工原理课程设计

3.4.3 液相负荷上限线

取??5s作为液体在降液管中的停留时间的下限，

AHθ=fT=5

Ls0.0864?0.45L==0.00776m3/s S,max5液相负荷上限线在VS–LS坐标图上为与气体流量VS无关的垂直线液相负荷上限。

3.4.4 漏液线

对于F1型重阀，依F0?5作为最小负荷标准，则Vs??42d0Nu0

π5精馏段 V=?0.0392?127?=0.582m3/s

s1,min41.697π5提馏段 V=?0.0392?144?=0.629m3/s

s2,min41.867

作漏液线

3.4.5液相负荷下限线

取平直堰.取堰上液层高度how?0.006m作为最小液体负荷标准，

取E?1.0

how?2.843600lsE()?0.006 1000lw=6.142?10?4m3s 得精馏段：Ls,min1=7.165?10?4m3s 提馏段：Ls,min2液相负荷下相线在坐标图上,亦是气体流量无关的垂直线.

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3.4.6 操作弹性

3.4.6.1精馏段

精馏段负荷性能图4.543.532.521.510.50024681012Ls×10-3（m3/s）雾沫夹带线（1）液泛线（2）液相负荷上限线（3）漏液线（4）液相负荷下限线（5）OP线性 (OP)Vs（m3/sVS1,max?2.375m/s VS1,mi?2n0.58m33

s /故操作弹性为

Vs1,maxVs2,min?2.375=4.08＞3，满足要求。 0.582提馏段负荷性能图3.4.6.2提馏段

5Vs（m3/s432100510Ls×10-3（m3/s）331520雾沫夹带线（1）液泛线（2）液相负荷上限线（3）漏液线（4）液相负荷下限线（5）OP

s /VS2,max?2.504m/s VS2,mi?9n0.62m故操作弹性为

Vs1,maxVs2,min?2.504=3.98＞3，满足要求。 0.62923

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第4章 塔总体高度计算

塔总体高度利用下式计算：

（n?Fn?Pn?）1TH++n??H H=FnFHPPH?DHBH?1 H4.1塔顶封头

封头分为椭圆形、碟形封头等几种。

本设计采用椭圆形封头，由公称直径DN=1200mm,查书附录2得曲面高度h1=300mm，直边高度h2=40mm，内表面积A=1.7117m2，容积V=0.2714m3。则封头高度H1=h?h30040= 340mm12=?4.2塔顶空间

设计中取塔顶空间

Ha=2HT=2?0.45=0.9m，考虑到需要安装除沫器，所以选取塔顶空间为1.2m。

4.3塔底空间

塔底空间高度HB是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜夜停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m。则：

H=（tLs?60-V）/AT+1.5B =（5?0.003607?60-0.2714）/1.539+1.5=2.027m4.4人孔 一般隔6?8层板设一个人孔，本塔中共30块板，可设4个人孔，每个人孔直径为450mm，在设置人孔处板间距HP=600mm

4.5进料板处板间距

考虑到进口处安装防冲设施，取进料板处板间距HF=800mm

4.6裙座

塔底常采用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙座。由于裙座内径>800mm,裙座厚取16mm。

基础环内径 D=（1400+2?16）-0.4?103=1032mmbi基础环外径 D=（1400+2?16）-0.4?103=1832mmbo

圆整 D=1200mm D=2000mmbibo考虑再沸器，取裙座高H2=3mH=(n-n-n-1)H+nH+nH+H+H+H+HFPTFFPPDB12

=（30-1-4-1）?0.45+1?0.8+4?0.6+1.2+2.027+0.34+3=20.567m

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第5章 塔的接管

5.1 进料管

本设计采用直管进料管。管径计算如下：

4V/36001/2dF?(F)

?uF取uF=1.6ms，?L=736.447kgm2，则

Vs=100?55.548=2.095?10?3m3s

3600?736.4474?2.095?10?3dF==0.0408m=40.8mm

3.14?1.6标准系列选取选取?50?3.5 5.2 回流管

采用直管回流管，取

uR?1.6m/s

4L1?4?0.00256=0.0451m=45.1mm dR?πρu3.14?1.6DR标准系列选取选取?50?3.5 5.3 塔底出料管

采用直管出料，取WW?1.6m/s

4?0.0191?60=0.0353m=35.3mm

3.14?1.6?730.231查标准系列选取?42?3.5 D=5.4 塔顶蒸汽出料管

采用直管出气，取u=20m/s

4?1.354D==0.2937m=293.7mm

3.14?20查标准系列选取?325?9

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5.5 塔底蒸汽进气管

采用直管进气，取wq=23m/s

4?1.381=0.2766m=276.6mm

3.14?23查标准系列选取?325?9

D=

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5.6设计结果汇总

浮阀塔设计结果汇总

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 项目 塔径（m） 板间距（m） 塔板类型 空塔气速（m/s） 堰长（m） 堰高（m) 板上层高度（m） 降液管底隙高度（m） 浮法数（个） 浮阀气速 浮阀动能因子 临界阀孔气速（m/s） 孔心距（m） 排间距（m） 单板压降（pa） 降液管内清液层高度（m） 泛点率（1%） 汽相负荷上限（m3s） 汽相负荷下限（m3s） 操作弹性 计算数据 精馏段 提馏段 1.2 1.4 0.45 0.45 单溢流弓形降液管 1.198 0.897 0.72 0.84 0.0445 0.0424 0.06 0.06 0.032 0.036 127 144 8.92 8.03 11.62 10.97 7.86 7.46 0.075 0.075 0.060 0.055 580.21 539.00 0.1419 0.1372 68.95 55.73 2.375 2.504 0.582 0.629 4.08 3.98 备注 分块式塔板 等腰三角形叉排 同一横排孔心距 相邻横排中心距离 雾沫夹带控制 漏液控制

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结语

课程设计是对以往学过的知识的复习和巩固，能够培养我们理论联系实际的能力，通过对精馏塔的设计，更加深入的对化工生产过程有了初步的理解和认识，使我所学的知识不局限于书本。此次化工原理课程设计过程中，手稿的计算、电子版的书写、工艺流程图和设备条件图等让我学到了很多知识。包括怎样查阅参考文献，计算数据、应用以前学习工程制图知识，化工原理课程设计工作基本完成，并得出了可行的设计方案。

本次课程设计培养了我的自学能力，设计中需要的许多知识都需要我们亲自查阅资料和文献，并要求加以理解、归纳、整理和总结。通过自学及老师的指导，巩固了所学的化工原理知识，更极大的拓宽了我们的知识面，让我们认识了实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计及以后工作将起到至关重要的作用。更主要的是它武装了我的头脑，教我如何面对在实际中遇到的问题。

在此，我要对在化工原理课程设计中给予我帮助的所有同学和指导老师，给以最衷心的感谢和由衷的问候。老师您辛苦了，真心的祝老师身体健康、工作顺利。

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参考文献

[1]陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋 编《化工原理》上册第三版，化学工业出版社. [2]陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋 编《化工原理》下册第三版，化学工业出版社. [3]王国胜，等. 《化工原理课程设计》第2版，大连理工大学出版社. 2006年8月 [4]贾绍义，等. 《化工原理课程设计》，天津大学出版社. 2002年

[5]吉林化工学院化工原理教研室 编《化工原理课程设计指导书》.2002年3月 [6]天津大学物理化学教研室 编《化工原理》（上、下册）第6版 高等教育出版社.2004年5月 [7]方利国 董新法编著《化工制图AutoCAD实战教程与开发第1版 化学工业出版社.2005年1月 [8]贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计（传质与单元操作课程设计）. 天津：天津出版社，2002

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主要符号说明

表Ⅰ 主要符号说明： 符号 意义 Aa 基板鼓泡区面积 Ad 降液管截面积 Af 总降压管截面积 An 塔板上方气体通道截面积 Ao 浮阀塔板阀孔总截面积 AT 塔截面积 C 计算液泛速度的负荷因子 C20 液体表面张力为20mN/m时的负荷因子 Co 孔流系数 塔径 D D 塔顶产品流率 do 阀孔直径 E 液流收缩系数 ET 塔板效率 eV 单位质量气体夹带的液沫质量 F 进料摩尔质量 FLV 两相流动参数 Fo 气体的阀孔动能因子 G 质量流量 g 重力加速度 h0 降液管底隙高度 hc 与干板压强降相当的液柱高度 hd 降液管压强降相当液柱高度 hL 板上液层高度 hp 与单板压降相当的液层高度 HT 板间距 hoW 堰上方液头高度 hW 出口堰高 ρσ 与克服表面张力压强降相当的液柱高度 L 下降液体流率 Lh 塔内液体流量 Ls 塔内液体流量 lW 堰长 k 塔板的稳定性系数 M 摩尔质量 Q 热流量 n 浮阀个数 N 一层塔板上的筛孔总数 主要符号说明（续表）： NT 理论塔板数 Np 实际塔板数 [3]

单位 2m 2m 2m 2m 2m 2m - - - m Kmol/s m - - - kmol/h - 0.50.5kg/(s·m) kg/h 2m/s m m m m m m m m m Kmol/s 3m/h 3m/s m - kg/kmol W - - - -

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P q R r T t u uo V Vh Vs W Wc Wd Wd’ Ws Ws’ x y Z △ α ε0 μ Φ υ ρ ρL ρV σ τ 表Ⅱ下标： A,B max min q 1

系统的总压 进料中液相所占分率 回流比 摩尔汽化潜热 温度 孔心距 空塔气速 筛板气速 上升蒸气流率 塔内气体流量 塔内气体流量 蒸馏釜的液体量 塔板边缘区宽度 降液管宽度 降液管宽度 塔板上入口安定区宽度 塔板上出口安定区宽度 液相组分中摩尔分率 气相组分中摩尔分率 塔的有效段高度 液面落差 相对挥发度 板上液层无孔系数 粘度 塔板开孔率 降液管内泡沫层相对密度 密度 液体密度 气体密度 液体表面张力 液体在降液管内停留时间 组分名称 最大 最小 精馏段和提馏段交点 精馏段 s V L F 2 Pa - - kJ/kmol K m m/s m/s Kmol/s 3m/h 3m/s Kmol m m m m m - - m m - - mN/m - - 3Kg/m Kg/m Kg/m dyn/cm s 秒 气相 液相 进料 提馏段 33

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附录

表2-1常压下乙醇—丙醇的汽液平衡数据 序号 1 2 3 4 5 6 液相组成 0.000 0.126 0.188 0.210 0.358 0.461 气相组成 0.000 0.240 0.318 0.339 0.550 0.650 沸点/℃ 97.16 93.85 92.66 91.60 88.32 86.25 序号 7 8 9 10 11 液相组成 0.546 0.600 0.663 0.844 1.000 气相组成 0.711 0.760 0.799 0.914 1.000 沸点/℃ 84.98 84.13 83.06 80.59 78.38 温度T、℃ 乙醇：ρa㎏／m3 丙醇：ρb㎏／m3 表2-2不同温度下乙醇和丙醇的密度 70 80 90 754.2 742.3 730.1 759.6 748.7 737.5 100 717.4 726.1 表2-3不同温度下乙醇和丙醇的表面张力数据表 温度℃ 60 80 乙醇（mNm） 20.25 18.28 丙醇（mNm） 21.27 19.40 100 16.29 17.50 温度℃ 乙醇（mPa*s） 丙醇（mPa*s）

2-4乙醇和丙醇的粘度数据表 60 80 0.601 0.495 0.899 0.619 100 0.361 0.444

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吉林化工学院化工原理课程设计

化工原理课程设计教师评分表

评价单元 评价要素 评价内涵 能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。 满分 评分 出勤 平时成绩 20% 纪律 10 学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料。 10 说明书格式 说明书质量 30% 符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、量和单位及各种资料引用规范等。 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算，附属设备的选型等。 10 工艺设 计计算 20 制图图形 制图质量 30% 制图正确性 图纸的布局、线形、字体、箭头、整洁等。 20 符合化工原理课程设计任务书制图要求，正确绘制流程图和工艺条件图等。 10 答辩 20％ 对设计方 案的理解 答辩过程中，思路清晰、论点正确、对设计方案理解深入，主要问题回答正确 20 指导教师综合评定成绩： 实评总分 ；成绩等级 指导教师（签名）： 2010年 月 日 注：按优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分以下）五级评定成绩。

化工原理教学与实验中心

2010年12月20日

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