乙醇-水混合液板式精馏塔的设计 - 图文

齐齐哈尔大学

化工原理课程设计

题 目 乙醇-水混合液板式精馏塔的设计

学 院 材料科学与工程学院

专业班级

学生姓名

指导教师

成 绩

2012年 6 月 13日

化工原理课程设计说明书

摘要

此设计为年产1.1万吨92﹪乙醇溶液的初步设计。乙醇在工业，医药，民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要的原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，所以，想得到高纯度的乙醇很困难。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。本文阐述了高纯度的乙醇产品的精制过程以及设备的分布情况。根据以往的生产资料作为车间设计的经验数据，并进行了大量的计算，其中包括物料衡算、塔的工艺的计算、设备计算及设备选型，并用AutoCAD绘制车间平面布置图、主要设备装配图及工艺流程图。

关键词：乙醇溶液；筛板塔；初步设计；设计方案

I

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Abstract

The design of the annual output of 11000 tons of 92 ﹪ ethanol solution of the preliminary design. Ethanol in the industry, medicine, civil and so on, all have a wide range of applications, is a kind of very important raw materials. In many ways, have different requirements, the purity of ethanol, sometimes require high purity, even without water ethanol, this is very difficult, because ethanol extremely volatile, so, want to get high purity of ethanol is very difficult. If you want to put the aqueous low purity ascent to high purity, want to use the method of continuous distillation, because ethanol and water volatility for are not significant. Distillation is most separation process, that is also part of many times and part of the process of vaporization condensation, so can make get almost completely the separation of the mixture. This paper expounds the ethanol products of high purity and refined process the distribution of the equipment. According to the former production material as the experience of the workshop design data, and a large number of computing, including the material balance calculations of the tower, the calculation of technology, equipment calculation and the equipment selection, and draw workshop layout, AutoCAD main equipment assembly drawing and process flow diagram.

Keywords：Ethanol solution; Screen panel tower; Preliminary design; Design scheme

II

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目录

摘要 ................................................................................................................................................................. I Abstract...................................................................................................................................................... II

第1章 总论 ................................................................................................................................................ 3

1.1概述 ................................................................................................................................................ 3

1.1.1 乙醇的性质与用途 ....................................................................................................... 3 1.1.2 乙醇的应用 .................................................................................................................... 3 1.2 操作条件的确定 ........................................................................................................................ 3

1.2.1 操作压力 ......................................................................................................................... 3 1.2.2 进料状态 ......................................................................................................................... 4 1.3 设备型式 ..................................................................................................................................... 4

1.3.1 筛板塔.............................................................................................................................. 4 1.4 设计任务书 ................................................................................................................................. 4

1.4.1设计题目 .......................................................................................................................... 4 1.4.2 设计任务 ......................................................................................................................... 4 1.4.3 操作条件 ......................................................................................................................... 4 1.4.4 设备型式 ......................................................................................................................... 5

第2章 设计方案 ....................................................................................................................................... 5

2.1 塔的工艺的计算 ........................................................................................................................ 5

2.1.1 精馏塔的物料衡算 ....................................................................................................... 5 2.1.2 塔板数的确定 ................................................................................................................ 6 2.2 精馏塔物性数据的计算 .......................................................................................................... 8

2.2.1 温度的计算 .................................................................................................................... 8 2.2.2 平均密度的计算 ........................................................................................................... 9 2.2.3 液体平均表面张力计算 ............................................................................................ 11 2.2.4液体平均黏度计算 ...................................................................................................... 12 2.2.5 塔板数的确定 .............................................................................................................. 12 2.3 塔体工艺尺寸的计算 ............................................................................................................. 13

2.3.1 塔径的确定 .................................................................................................................. 13 2.3.2 精馏塔高度的计算 ..................................................................................................... 14 2.4 塔板主要工艺尺寸的计算 .................................................................................................... 14

2.4.1 溢流装置计算 .............................................................................................................. 14 2.4.2 降液管............................................................................................................................ 15 2.4.3 塔板布置 ....................................................................................................................... 17 2.4.4 浮阀数目与排列 ......................................................................................................... 17 2.5 塔板流体力学验算 ................................................................................................................. 19

1

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2.5.1 气相通过浮阀塔板的压降 ....................................................................................... 19 2.5.2 堰塔 ................................................................................................................................ 20 2.5.3 雾沫夹带验算 .............................................................................................................. 21 2.6 塔板性能负荷图 ...................................................................................................................... 22

2.6.1雾沫夹带线 .................................................................................................................... 22 2.6.3 液体负荷上限线 ......................................................................................................... 24 2.6.4 漏液线............................................................................................................................ 24 2.6.5 液相负荷下限线 ......................................................................................................... 24 2.6.6 操作性能负荷图 ......................................................................................................... 25 2.7 精馏塔各接管尺寸的计算 .................................................................................................... 25

2.7.1 进料管............................................................................................................................ 25 2.7.2 回流液管 ....................................................................................................................... 26 2.7.3 塔顶上升蒸汽管 ......................................................................................................... 26

总结 .............................................................................................................................................................. 27 参考文献..................................................................................................................................................... 28 附录 .............................................................................................................................................................. 29

附录 1常压下乙醇—水系统t—x—y数据 ............................................................................ 29 附录 2 乙醇的物性 ........................................................................................................................ 29 致谢 .............................................................................................................................................................. 29

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第1章 总论

1.1概述

1.1.1 乙醇的性质与用途

乙醇它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性。乙醇在工业，医药，民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要的原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，所以，想得到高纯度的乙醇很困难。

1.1.2 乙醇的应用

（1）消毒剂：医院用的一般用浓度为70%～75%的乙醇溶液，因为这种浓度的乙醇溶液杀菌能力最强；

（2）饮料：乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为56度的酒。注意：我们喝的酒内的乙醇不是把乙醇加进去，而是发酵出来的乙醇，当然根据使用的发酵酶不同还会有乙酸或糖等有关物质。

（3）基本有机化工原料：乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料

1.2 操作条件的确定

1.2.1 操作压力

蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。本设计塔顶压力为4kpa(表压)。

3

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1.2.2 进料状态

进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。

1.3 设备型式

1.3.1 筛板塔

筛板塔是扎板塔的一种，内装若干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。操作时，液体由塔顶进入，经溢流管（一部分经筛孔）逐板下降，并在板上积存液层。气体（或蒸气）由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充分接触，并相互作用。泡沫式接触气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。为克服筛板安装水平要求过高的困难，发展了环流筛板；克服筛板在低负荷下出现漏液现象，设计了板下带盘的筛板；减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距，制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰，塔板上开设气体导向缝的林德筛板。筛板塔普遍用作H2S-H2O双温交换过程的冷、热塔，应用于蒸馏、吸收和除尘等。

1.4 设计任务书

1.4.1设计题目

乙醇—水混合液板式精馏塔的设计

1.4.2 设计任务

（1）年产1.1万吨92﹪乙醇溶液（质量分数） （2）原料液中乙醇含量40﹪（质量分数） （3）残液中乙醇含量不高于8﹪（质量分数） （4）每年工作330天，每天工作24小时

1.4.3 操作条件

（1）进料温度：35 ℃，泡点进料； （2）塔顶压力：4 kPa（表压）； （3）回流比：自选；

（4）单板压降≤0.7 kPa；

（5）加热蒸汽：低压饱和水蒸汽。

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1.4.4 设备型式

设备型式为筛板塔

第2章 设计方案

2.1 塔的工艺的计算

2.1.1 精馏塔的物料衡算

WF=40%， WD=92% ， M乙醇?46g/mol ， M乙醇?46g/mol

进料口乙醇摩尔分数：XF =

WF/M乙醇WF/M乙醇?（1?WF）/M水WDM乙醇?0.207

塔顶产品中乙醇的摩尔分数：XD?WD/M乙醇?（1?WD)/M水WWM乙醇?0.8182

塔底产品中乙醇的摩尔分数：XW?有已知条件 D=33.95kmol/h F = D + W

WW/M乙醇?（1?WW)/M水?0.0329

F?XF = D?XD + W?XW错误！未指定书签。 可求得;F=153.14kmol/h W=119.19kmol/h

物料衡算数据记录

F D W 153.14kmol/h 33.95kmol/h 119.19kmol/h 0.2070 0.8182 0.0329 XF XD XW

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由气液平衡数据，画出下表

查出组成XF = 0.207的乙醇-水溶液泡点为83.25°C，在平均温度为（83.25+35）/2=59.125°C下，由《化工原理》附录查得乙醇与水的有关物性为： 由《化工原理》附录查得乙醇与水的有关物性为： 乙醇的摩尔热容：CmA?3.02?46?138.92kJ/(kmol?K) 乙醇的摩尔汽化潜热：rA?914.2?46?42053.2kJ/(koml?K)

CmB?18?[4.178?(4.183?4.178)??75.26kJ/(koml?K)56.63?56]60?50

水的摩尔热容：

水的摩尔汽化潜热：rB?2392.86?18?43071.48kJ/kmol

比较水与乙醇的摩尔汽化潜热可知，系统满足衡摩尔流的假定。加料液的平均摩尔热容：

Cmp?CmaXA?CmbXB?92.0kJ/(kmol?K)

加料液的平均汽化热：

r?rAXA?rBXB?42053.2?0.2069?43071.48?(1?0.2069)?42860.8kJ/kmol2.1.2 塔板数的确定

A、最小回流比及操作回流比的确定

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由乙醇—水平衡曲线求出Rmin = 0.978

作回流比 R 取操作的回流比为最小回流比 Rmin 的1.5 倍，即： R=2Rmin=1.5×0.978=1.467 B、精馏段和提馏段操作线的确定

精馏段液相流量：L?RD?1.467?33.95?49.80kmol/h 精馏段汽相流量：V?(R?1)D?2.467?33.95?83.75kmol/h

精馏段操作线方程：

LDyn?1?Xn?XD?(66.41/83.75)Xn?(33.95/83.75)0.8182?0.79Xn?0.41VV 提馏段液相流量：L'?L?qF?49.80?1?153.14?202.94 kmol/h 提馏段汽相流量： V'?L'?W?202.94?119.19?83.75kmol/h 提馏段操作线方程：

yn?1?L'XnDXD?FXF202.94Xn33.95?0.8182?153.14?0..207????2.42Xn?0.047V'V'83.7583.757

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由x-y图可知 理论塔板数N=14 进料板为第3块板

2.2 精馏塔物性数据的计算

2.2.1 温度的计算

常压下乙醇-水气液平衡组成(摩尔)与温度关系

温度/oC 液相 气相 温度/oC 液相 气相 温度/oC 液相 气相 100 95.5 89.0 86.7 85.3 84.1 0 1.90 7.21 9.66 12.38 16.61 0 17.00 38.91 43.75 47.04 50.89 82.7 82.3 81.5 80.7 79.8 79.7 23.37 26.08 32.73 39.65 50.79 51.98 54.45 55.80 59.26 61.22 65.64 65.99 79.3 78.74 78.41 78.15 57.32 67.63 74.72 89.43 68.41 73.85 78.15 89.43

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由表可求得：

（1）tF:89.0?86.7?tF?89.0 tF = 84.75℃

7.21?9.8620.7?7.21（2）tD:（3）tW:78.15?78.41tD?78.15 tD = 78.28℃ ?89.43?74.7281.82?89.43100?95.5tW?100 tW = 99.22℃ ?0?1.93.29?0tF?tD=81.52℃ 2（4）精馏段平衡温度：t1= （5）提馏段平衡温度：t2=

tF?tW=91.99℃ 22.2.2 平均密度的计算

1aAaB已知：混合液密度： = +(a为质量百分率，M为平均相对分子质量)

?l?A?B混合气密度：?V?T0?M

22.4T?0(1) 精馏段：t1=81.52℃

84.1?82.781.52?82.7x液相组成1：， x1=28.99% ?16.61?23.37x1?23.37气相组成y1：

84.1?82.781.52?82.7?，y1=57.45%

50.89?54.45y1?54.45所以 ML1 = 46*0.2899+18*（1-0.2899）=26.12 kmol/h MV1 = 46*0.5745+18*(1-0.5745)=34.09 kmol/h 则质量流量：

L1?ML1?L?26.12?0.0138?0.361kg/s V1?MV1?V?34.09?0.0233?0.793kg/s

体积流量：

LS1?VS1?L1?L1V1??0.361?0.0000516m3/s

700.280.793?0.870 m3/s 0.912?V19

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(2) 提馏段：t2= 91.99℃ 液相组成x2：

95.5?89.091.99?89.0?， x2?5.13%

17.0?38.91y2?38.9195.5?89.091.99?89.0?， y2?30.31%

17.0?38.91y2?38.91 气相组成y2：

所以 ML2 =46*0.0513+18*(1-0.0513)=19.44 kmol/h MV2 =46*0.3031+18*(1-0.3031)=26.49 kmol/h 则质量流量：

L2?ML2?L'?19.44?0.0564?1.10kg/s

V2?MV2?V'?26.49?0.0564?0.877kg/s

体积流量：

LS2?VS2?L2?L2V2??1.10?0.00125 m3/s

883.390.877?0.99 m3/s 0.855?V2

不同温度下乙醇和水的密度

温度/oC 80 85 90 ?乙 ?水 温度/oC 95 100 ?乙 ?水 735 730 724 971.8 968.6 965.3 720 716 961.85 958.4 tt求得在1和2下的乙醇和水的密度

t1=81.52℃

85?8081.52?80?，?乙?733.75kg/m3

730?735?乙-73585?8081.52?80? ，?水?970.28 kg/m3

968.6?971.8?水-971.895?9091.99?90?，?'乙?722.41 kg/m3

720?724?乙-724同理：t2= 91.99℃，

95?9091.99?90?，?'水?963.93 kg/m3

961.85?965.3?水-965.310

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在精馏段：液相密度?L1：

1?L1?0.2899?46?0.2899?46?18(1?0.2899)?1?0.298=0.001428 ?720.95970.82?L1=700.28 kg/m3

气相密度：?V1?26.49?273.15?0.912 kg/m3

22.4(273.15?81.52)在提馏段：液相密度?L2：

1 ?L2?0.0513?460.0513?46?18?(1?0.0712)?0.001132963.93

?L2=883.39 kg/m3 气相密度：?V2?26.49?273.15?0.885 kg/m3

22.4(273.15?91.99)2.2.3 液体平均表面张力计算

二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式：?W=xWVW

xWVW?x0V0式中下角标，W、O、S分别代表水、有机物及表面部分，XW、XO指主体部分的分子体积，?W、?0为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。 （1）精馏段：t1=81.52℃

温度/C 乙醇表面张力/10N/m 水表面张力/10N/m -22-22o70 18 64.3 80 17.15 62.6 90 16.2 60.7 100 15.2 58.8 VW?mW?W?18mo46?18.53 Vo???50.44 971.2?o0.912乙醇表面张力：水的表面张力：

90?8090?81.52?， ?乙?15.39*10-2N/m2

16.2?17.1516.2??乙90?8090?81.52?， ?水?62.31*10-2N/m2

60.7?62.660.7??水（2） 提馏段：t2= 91.99℃

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VW'?mW Vo'??W?18?18.67963.92

mo46??51.98 ?o'0.885乙醇表面张力：水的表面张力：

100?90100?91.99， ?乙'?14.40*10-2N/m2； ?15.2?16.215.2??乙'100?90100?91.99?， ?水'?60.32*10-2N/m2。

58.8?60.758.8??水'2.2.4液体平均黏度计算

t1=81.52℃查表得：?水?0.3525mPa?s， ?乙?0.436mPa?s

t2= 91.99℃查表得：?水'?0.3132mPa?s ?乙'?0.376mPa?s

精馏段粘度：?1??醇x1??水(1?x1)

=0.436*0.2899+0.3525（1-0.2899）=0.377mPa?s

?x2??水?(1?x2) 提馏段粘度：?2??醇 =0.376?0.0513?0.3132?(1?0.0513)?0.316mPa?s

2.2.5 塔板数的确定

（1）精馏段挥发度：由xA=0.2899, yA=0.5745 ,xB=0.81, yB=0.329

??yA?xB?4.93 yB?xA（2）提馏段挥发度：xA'?0.0513 ,yA'?0.303 ,xB'?0.9516,yB'?0.467

??yA'?xB'?12.04 yB'?xA'-0.245板效率可用奥康奈尔公式ET=0.49???L?精馏段：??4.93 ?1?0.377 ET =0.632 ，Np精?计算。

NT11??27.4 ， Np精?28块 ET0.402提馏段：??12.04，?2?0.316

ET'?0.316 ，Np提?NT'3??9.5 ，Np提?10块 ET'0.31612

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全塔效率=

N理14??100％?50％ N实282.3 塔体工艺尺寸的计算

2.3.1 塔径的确定

(1)精馏塔塔径 需求?max?C?Lm??Vm?，C由下式计算：C?C20(L)0.2

20?VmC20由Smith图查取。

得C20=0.072

取板间距HT =0.5m，板上液层高度hl = 0.1m，则HT - hl = 0.4m

0.000516?700.28?LS1??L1?1/2????1/2=0.016 精馏段塔径的确定：图的横坐标：???0.870.912???VS1???V1?可知：C=0.082

?max?C?LM??VM?1.323m/s?VM

取安全系数为0.7，则空塔气速为：??0.7?1.323?0.926m/s

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则精馏塔塔径D?4VS???4?0.233?0..47m

3.14?1.323(2)提馏段塔径的确定

L'S?'L1/20.00125883.39图的横坐标为：(')???0.126

V'S?V0.990.885'查smith图，得C20'?0.069 C?0.084

?'max?C'?LM??VM?2.65m/s?VM

取安全系数为0.7，则空塔气速为?;?0.7?2.65?1..856m/s 则精馏塔塔径D'?4V's?0.39m ?u按标准塔径圆整后，D?1.0m , 塔截面积：AT??4D2?0.785m

VS0.870??1.11m/s AT0.785'精馏段实际空塔气速为：??V提馏段实际空塔气速为：??S?1.26 m/s

AT'2.3.2 精馏塔高度的计算

（N精?1）?0.5?13.5m 精馏段有效高度的计算：Z精?（N馏?1）?0.5?4.5m 提馏段有效高度的计算：Z馏?在进料板上方开一人孔，其高度为1.0m

因此塔的有效高度为Z?13.5?4.5?1?19m

2.4 塔板主要工艺尺寸的计算

2.4.1 溢流装置计算

因塔径D=1m，可选用单溢流弓形降液管

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出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度hOW按下式计算

hOW2.84?LA??E??1000?lW? 近似取E=1

2/3（1） 精馏段

2.84?LA?2/32.84?3600?0.000516?2/3

??=0.0083m how?E??=??1000?LW?1000?0.376?

hw=hL-how=1.0-0.0083=0.9917m （2） 提馏段

2.84?3600?0.000125?2/3

??=0.026m how???1000?0.376?h'w?h'L?h'ow?1.0?0.026?0.974m

2.4.2 降液管

A降液管高度和截面积

查下图（弓形降液管参数图）得：

AF?0.055?0.785?0.181，

AFWD?0.055, ?0.115 ATD

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弓形降液管参数图

依下式验算液体在降液管中的停留时间：??3600?0.043?0.43?18.44 >5s

3.613600?0.043?0.43提馏段：???11.8 >5s

5.64故降液管设计合理。

3600AfHtLh?3~5

精馏段：??B.降液管底隙高度

降液管底隙高度依下式计算：h0?取?'0?0.07m/s，

0.000516?0.02m

0.375?0.070.00125提馏段：h'0??0.047m

0.375?0.07因为ho和h'0不小于20mm,故降液管底隙高度设计合理。

Lh ?3600lwu0则 精馏段：h0?16

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2.4.3 塔板布置

塔板上在靠近塔壁的部分，应留出一圈边缘区，供塔板安装之用，通常边缘区宽度WC为50～70mm。塔板上液体的入口和出口需设安定区。以避免大量含有气泡的液体进入降液管而造成液泛。一般，安定区的宽度WS可取50～100 mm。边缘区和安定区中的塔板不能开孔。

筛孔直径的大小对塔板压降及塔板效率无显著影响;但随着孔径的增大，操作弹性减小（在开孔率、空塔气速及液流强度一定的情况下，若孔径增大，则漏液量和雾沫夹带量都随之增大，因此，孔径增大，操作下限上升，操作上限降低，导致操作弹性减少）。此外，孔径大，不易堵塞；且孔径大，制造费用低。筛孔的排布一般为正三角形，筛孔直径为0.003-0.008m，孔中心距与孔距之比常在2.5-5倍筛孔直径的范围内，实际设计时，t/d0宜尽可能在3-4的范围内。 本设计塔板直径D=0.5m,采用整块式塔板。

2.4.4 浮阀数目与排列

（1）精馏段

取阀孔动能因子FO=9，则孔速?01?F09?9.87m/s 0.912?V1?N?VS1?4?d0u0.870?30块(采用F1型浮阀)

0.785?0.039?9.87取边缘区宽度WC=0.04，破沫区宽度WS=0.07，WD=0.21。

?x??R2arcsin? 计算塔板上的鼓泡区面积，即: Aa?2?xR2?x2?180R??

R?D?W?0.25?0.04?0.212

D?(WS?Wd)?0.25?0.098?0.07?0.0822

x?所以A2?20.082?0.044?0.0067??.140.082?3?0.0441arcsin?0.32m 1200.212

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在整块式塔板中，浮阀数以等边三角形排列，取孔心距为t=100mm。鼓泡区面积

A2?Nt?t?30?0.01?0.30 m。

因0.30<0.32,故取孔心距为100mm符合要求，浮阀数为30个。 按N=28重新核算孔速即阀孔功能因数

2

?'o1?0.870?9.47m/s

0.785?0.38?30F'0?9.47?0.912?9.04

阀孔动能因子为9.04接近9，大致可以算作在9--13范围内，塔板开孔率为

u1.11??11.72％u019.47。

（2）提馏段

取阀孔动能因子FO=9，则孔速?02?F09?10.17m/s 0.885?V2?N?VS2?4?d0u0.990?28块(采用F1型浮阀)0.785?0.039?10.37。

在整块式塔板中，浮阀数以等边三角形排列，按孔心距为t=100mm计算排间距。 取t=100mm时，排得浮阀数为28块。

A2?28.?0.01?0.28 m2。

因0.28<0.32,故取孔心距为100mm符合要求，浮阀数为28个。 按N=28重新核算孔速即阀孔功能因数

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?o2?0.99?11.47m/s0.785?0.039?28

F'0?11.47?0.885?10.8

阀孔动能因子为10.80，仍在9--13范围内，塔板开孔率为

u1.26??10.96％u0211.49。

2.5 塔板流体力学验算

2.5.1 气相通过浮阀塔板的压降

可根据hp?hc?h1?h?计算 精馏段:

73.1?11.49m/s。 0.912干板阻力uoG1?1.825因u01?uOG1，故hG1?5.34?V1?u00.912?132?5.34??0.046m 2?L1g2?700.28?9.8板上充气液层阻力

取??0.5，h11??h1?0.5?0.07?0.035m

液体表面张力所造成的阻力

此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为

hF1?0.046?0.035?0.081m，

?PF1?hF1??L1?g?0.081?700.28?9.8?555.88Pa

提馏段:

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干板阻力uOG2?1.82573.1?11.95m/s。 0.885因uo2?uOG2故hG2?5.34?V2u00.885?11.95?5.34??0.038m 2?L2g2?883.39?9.8板上充气液层阻力

取?＝0.5，h12=?Ohl?0.5?0.07?0.035m

液体表面张力所造成的阻力

此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为

hF2?0.038?0.035?0.073m，

?PF2?hF2??L2g?0.073?883.39?9.8?632.0Pa

2.5.2 堰塔

为了防止发生堰塔现象，要求控制降液管中清液高度

Hd???HT?hW?,即hd?hp?hL?hd。 1．精馏段

单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 hp1=0.081m 液体通过降液管的压头损失

0.0005160.000516?Ls??Ls?)()?0.0001m hd1?0.153?????0.153?(0.375?0.020.375?0.02?lw?ho1??lw?ho1?板上液层高度 hL=0.07，则

取??0.5，HT?0.45，hw1?0.066

hd1=0.081+0.0001+0.07=0.015m。

则??(HT?hw1)?0.5??0.45?0.066??0.258

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可见

Hd1???Ht?hW?1，所以符合要求。

2.提馏段:

单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 hp2=0.073m 液体通过降液管的压头损失

0.001250.00125?Ls??Ls?hd2?0.153?)()?0.00008m????0.153?(0.375?0.0470.375?0.047?lw?ho1??lw?ho1?

板上液层高度 hL=0.07，则hd2=0.073+0.00008+0.07=0.0143m。

取??0.5，HT?0.45，hw2?0.0586

则??(HT?hw2)?0.5??0.45?0.0586??0.254

则可见

Hd2???Ht?hW?2，所以符合要求。

2.5.3 雾沫夹带验算

VS?V?L??V?V?L??V?1.36LSZL?100%

泛点率=KCFAbVS泛点率=0.78KCFAT?100%

(1)精馏段：

查得物性系数K?1.0，泛点负荷系数CF?0.103

ZL?D?2Wd?0.5?2?0.12?0.26m A0?AT?2Af?0.201?2?0.0243?0.1524m2 所以，

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0.870?泛点率=0.912?1.36?0.000516?0.26700.28?0.912?5.92％<80%

1?1.103?0.15240.912700.28-0.912?1.94%泛点率=<80%

0.78?1?0.1?0.2010.87?

可见，雾沫夹带在允许的范围之内 （2）提馏段

查得物性系数K?1.0，泛点负荷系数

CF?0.101

ZL?D?2Wd?0.5?2?0.12?0.26m A0?AT?2Af?0.201?2?0.0243?0.1524m2 所以，

0.990?0.885?1.36?0.00152?0.26833.39?0.885?3.13％<80%

1?1.103?0.1524泛点率=

0.885883.39-0.885?2.0%<80% 泛点率=

0.78?1?0.1?0.2010.99?可见，雾沫夹带在允许的范围之内 可见，该设计可使得液体所夹带气体释出。

2.6 塔板性能负荷图

2.6.1雾沫夹带线

VS?V?L??V?1.36LSZL 泛点率=KCFAb 据此可作出负荷性能图中的雾沫夹带线，取泛点率为80%代入泛点率计算式。

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（1）精馏段

Vs?0.912?1.36?0.26Ls700.28?0.912

1?1.103?0.15240.8=

整理可得雾沫夹带上限方程为：

Vs?9.6?300.6Ls （2）提馏段

V's?0.885?1.36?0.26L's883.39?0.885 1?1.103?0.15240.8=

整理可得雾沫夹带上限方程为：

V's?12.34?386.5L's

2.6.2 液泛线

??Ht?hW??hp?hL?hd?hC?h1?h??hL?hd

由此确定液泛线，忽略式中h?。

??Ls??Vuo22.84?3600?LS????Ht?hW??5.34?0.153?E???(1??)?hW???

2?lg1000?lW??lWhO?????而uO?22/3VS?2dON4

（1） 精馏段

1.09VS1222/3?2720L?1.5(0.0663?1.2867L 0.258?5.34?S1S1)2240.785?24?0.039?881.24?9.8?2整理后可得：Vs =0.302-3312.8Ls1-2.35Ls1 （2） 提馏段

0.905VS1222/30.254?5.34??1208.98L?1.5(0.0583?1.2867LS2S2)2240.785?22?0.039?940.88?9.8?2222/3

整理后可得：Vs2 =0.155-3382.4Ls22-2.35Ls22/3

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在操作范围内，任意取若干个LS值，算出相应的VS值：

2.6.3 液体负荷上限线

液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3～5s。液体在降液管内停留时间

??AfHT5?3~5s

以??5s作为液体在降液管内停留时间的下限，则

LSmax?AfHT5?0.0243?0.45?0.0022m3/s

52.6.4 漏液线

对于F1型重阀，依动能因数F0?5作为规定气体的最小负荷的标准，则VS?

（1）精馏段 : Vs1min?

（2）提馏段 : Vs2min?

?4d02NuO

?4d02N

5?v?0.785?0.0015?5?0.187m3/s 0.912?4d02N

5?v?0.785?0.0015?5?0.178m3/s 0.8852.6.5 液相负荷下限线

取堰上液层高度how?0.006m作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线,该线于气相流量无关的竖直线。代入how的计算式：

3600LSmin2/32.84?1.02?[]?0.0061000lw 取E＝1.0，则

3600LSmin2/3LSmin?2.84?1.02?[]?0.006 1000lw2/3LSmin?0.006?1000?????2.84?1.0??0.375?0.003m3/s 360024

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2.6.6 操作性能负荷图

由以上1～5作出塔板负荷性能图。

由塔板负荷性能图可看出：

(1)在任务规定的气液负荷下的操作点P（设计点）处在适宜操作区内的位置； (2)塔板的气液负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由漏液控制；

(3)按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限

(VS)max?1.65m3/s,(VS)min?0.57m3/s

所以，塔的操作弹性为1.65/0.57?2.89

2.7 精馏塔各接管尺寸的计算

2.7.1 进料管

进料管的结构种类很多，有直管进料管，弯管进料管，T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下：

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D?4Vs 取uF?1.6m/s，?LP?918.19kg/m3 ?uF2?107VS??0.00084m3/s3600?300?24?918.19

D?4?0.00084?0.026m?26mm3.14?1.6

查标准系列选取?32?3.5

2.7.2 回流液管

回流液体积流量：VSL?LML?L?49.8?26.12?0.000516 Kg/m3

700.28?3600利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度uL=0.5m/s 那么d计?4VSL??u4?0.000516?0.115m

3.14?0.5经圆整选取热轧无缝钢管，规格：φ50×3mm 实际管内流速：uL?4?0.000516?1.03m/s

0.001942.7.3 塔顶上升蒸汽管

塔顶上升蒸汽的体积流量：VSV?WMV?V?107.4?34.09?1.12m3/s

0.912?3600取适宜速度uV=20m/s，那么d计?4VSV4?1.12??0.267m ?uV3.14?20经圆整选取拉制黄铜管，规格：φ260×5mm

4?1.12?22.8 m/s 实际管内流速：uSV?3.14?0.0625

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总结

课程设计短暂的二周里，我花费了大量的精力来做好这个课题，几乎可以说是苦大于甜，熬了几天才将这个设计完成，在此过程中我们遇到了很多困难，首先对知识的掌握不全面，我们花了相当长的一段时间才将书上的知识消化，同时计算非常繁琐，我们必须小心翼翼才不会出错，但总之我们收获还是非常多，懂了好多东西，同时更增加了我们的团队合作能力，我们组的六个同学经常在一起讨论，有什么不懂得地方大家也相互请教。有时我们会因为一个问题争论不休，有时我们会因为一个公式而烦恼不断。我们慢慢的从不是太熟，到很熟，当然也开始和其他组的同学进行交流，和老师进行交流。在这些交流的过程中我们解决了一个又一个的问题。

通过这次课程设计，我们把在化工原理课堂上的东西运用到的实际操作中，我们发现积极记得一些公式，仅仅会做试卷，都是纸上谈兵。通过这两周的学习与锻炼，我们对这门课程有了更好的诠释，同时在此也非常感谢我们的指导老师，他不仅每天当面指导，也天天及时帮我们解决我们不能解决的问题，同时还向我们传授了很多理念。

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参考文献

[1]王志魁编,化工原理。北京：化学工业出版社。2005.01

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[17]ChenMinHeng, CongDeZi, etc. The \principle\(next). Beijing: chemical industry press. 2006, 5.

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附录

附录 1常压下乙醇—水系统t—x—y数据

附录 2 乙醇的物性

致谢

感谢老师对我们的指导，感谢同组同学的帮助。

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