環(huán)境管理_乙醇—水混合液的篩板精餾塔設計說明書

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1、武漢工程大學課程設計說明書設計題目：乙醇水混合液的篩板精餾塔設計學 號： 學生姓名： 專業(yè)班級： 09級藥物制劑01班 指導教師： 孫安琪 總評成績： 2012 年 6 月 18日努力了的才叫夢想，不努力的就是空想！如果你一直空想的話，無論看多少正能量語錄，也趕不走滿滿的負能量！你還是原地踏步的你，一直在看別人進步。目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1課題背景11.2 操作流程11.3課題條件2第二章 精餾塔的物料衡算42.1原料液及塔頂塔釜產(chǎn)品的摩爾分率42.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量42.3物料衡算4第三章 塔板數(shù)的確定53.1理論板層數(shù)的求取53.2實際板層

2、數(shù)的求取7第四章 精餾塔的工藝條件計算84.1操作壓力及溫度計算84.2平均摩爾質(zhì)量及密度計算84.3液體平均表面張力及粘度計算10第五章 精餾塔的塔體工藝尺寸計算135.1塔徑的計算135.2精餾塔有效高度的計算14第六章 塔板主要工藝尺寸的計算156.1溢流裝置計算156.2塔板布置17第七章 篩板的流體力學驗算197.1塔板壓降197.2液面落差217.3液沫夾帶217.4漏液227.5液泛22第八章 塔板負荷性能圖248.1漏液線248.2液沫夾帶線258.3液相負荷下限線268.4液相負荷上限線278.5液泛線27第九章 精餾塔各接管尺寸的計算319.1接管319.2塔體總高度32第

3、十章 輔助設備3510.1全凝器3510.2再沸器3510.3原料預熱器36計算結果一覽表37主要符號說明38總結40致謝41參考文獻42摘 要乙醇-水是工業(yè)上最常用的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)，長期以來，乙醇多以蒸餾法生產(chǎn)，但是由于乙醇-水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產(chǎn)量不好，由于常用的多為其水溶液，因此研究和改進乙醇-水體系的精餾設備是非常必要的。本次設計是針對乙醇-水體系而進行的常壓二元篩板精餾塔的設計及其輔助設備的選型。本次設計對篩板塔的工藝過程和結

4、構進行了比較全面的設計，并對其他輔助設備如冷凝器、泵的選型進行了計算。通過本次對篩板精餾塔的設計，使我們初步掌握化工設計的基本原理和方法，培養(yǎng)了我們的獨立思考，實事求是，綜合運用所學知識解決實際問題的能力。關鍵詞：乙醇-水；篩板精餾塔；工藝流程；操作條件AbstractEthanol - water is the most widely used industrial solvent, is also very important chemical raw materials, is a colorless, non-toxic, no carcinogenicity, pollution a

5、nd corrosion of liquid mixtures. Due to its excellent physical and chemical properties, and is widely used in chemical industry, daily chemical, pharmaceutical and other industries, long-term since, ethanol in distillation production, but as a result of ethanol - water system with azeotropic phenome

6、non, ordinary distillation for high purity ethanol, yield is not good, because the more commonly used for its water solution, so the research and improvement of ethanol-water distillation equipment is very necessary.This design is against ethanol - water system and atmospheric pressure two yuan of s

7、ieve plate distillation tower design and its auxiliary equipment selection. The design of sieve plate his process and the structure was compared with the overall design, and other auxiliary equipment, such as the condenser pump selection were calculated. By the time of sieve plate distillation colum

8、n design. Make us grasp the chemical design of the basic principles and methods, cultivate our independent thinking, seek truth from facts, comprehensive use of the knowledge and the ability to solve practical problems.Keywords：Ethanol-water；Screen panel of the column；process；Operating conditions第一章

9、 緒論1.1課題背景精餾的基本原理是根據(jù)各液體在混合液中的揮發(fā)度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理來實現(xiàn)連續(xù)的高純度分離。在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛地應用于物系的分離、提純、制備等領域，并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板類型主要有泡罩塔板、浮閥塔板、篩板塔板、舌形塔板、網(wǎng)孔塔板、垂直塔板等等,本次課程設計是篩板塔。精餾過程與其他蒸餾過程最大的區(qū)別，是在塔兩端同時提供純度較高的液相和氣相回流，為精餾過程提供了傳質(zhì)的必要條件。提供高純度的回流，使在相同理論板的條件下，為精餾實現(xiàn)高純度的分離時，始終能保證一定的傳質(zhì)推動力。所以，只要理論板足夠多，回流足夠大時，在塔

10、頂可能得到高純度的輕組分產(chǎn)品，而在塔底獲得高純度的重組分產(chǎn)品。精餾廣泛應用于石油,化工,輕工等工業(yè)生產(chǎn)中,是液體混合物分離中首選分離方法1.2 操作流程本次課程設計是分離乙醇水二元物系。乙醇水溶液經(jīng)預熱至泡點后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。乙醇水混合液原料經(jīng)預熱器加熱到泡點溫度后送入精餾塔進料板，在進

11、料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進行熱和質(zhì)的傳遞過程。 1.篩板塔的操作彈性小，對物料的流量要求非常平穩(wěn)精確，不利于實際生產(chǎn)中使用。 2. 篩板塔盤較浮閥塔盤的優(yōu)點是結構簡單抗堵，壓降較小，造價便宜。 3. 篩板塔盤現(xiàn)在很少用了，比浮閥塔的效率低，操作彈性小。4. 篩板塔盤也有溢流堰和降液管。優(yōu)點是結構簡單，壓降較小，造價便宜，抗堵性強。工科大學生應具有較高的綜合能力，解決實際生產(chǎn)問題的能力，課程設計是一次讓我們接觸實際生產(chǎn)的良好機會，我們應充分利用這樣的時機認真去對待每一項任務，為將來打下一個穩(wěn)固的基礎。而先進的設計思想

12、、科學的設計方法和優(yōu)秀的設計作品是我們所應堅持的設計方向和追求的目標。1.3課題條件一常壓操作的連續(xù)板式精餾塔（自選塔板類型）內(nèi)分離乙醇-水混合物，間接蒸汽加熱，生產(chǎn)時間為300天/年，每天24小時，產(chǎn)品的質(zhì)量要求見下表表1-1 產(chǎn)品質(zhì)量要求處理能力/ta-1乙醇的組成（質(zhì)量分數(shù)）/%原料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品5000040881操作條件：1.塔頂壓力：4KPa（表壓）；2.進料熱狀態(tài)：自選；3.回流比：自選；4.單板壓降：0.7 KPa；5.全塔效率：0.52設計任務1.全塔物料衡算，操作回流比和理論板數(shù)的確定2.計算精餾段、提餾段的塔板效率，確定實際塔板數(shù)3.估算塔徑4.板式塔的工藝尺寸計算，包

13、括溢流裝置與塔板的設計計算5.塔板的流體力學性能的校核，包括板壓力降、液面落差、液沫夾帶、漏液以及液泛的校核6.繪制塔板的負荷性能圖，塔板的負荷性能圖由液相負荷下限線，液相負荷上限線，漏液線，液沫夾帶線和溢流液泛線的確定7.塔的結構確定，包括塔體結構與塔板結構8.塔體結構：塔頂空間，塔底空間，人孔（手孔）、支座、封頭、塔高等9.塔板結構：采用分塊式塔板還是整塊式塔板；10.塔的附屬設備選型，包括塔頂冷凝器，原料預熱器的換熱面積與泵的選型11.精餾塔各接管尺寸的確定12.繪制精餾塔裝配圖13.繪制精餾系統(tǒng)工藝流程圖14.編寫設計說明書：要求邏輯清晰，層次分明，書寫工整，獨立完成15.撰寫中英文摘

14、要第二章 精餾塔的物料衡算2.1原料液及塔頂塔釜產(chǎn)品的摩爾分率乙醇的摩爾質(zhì)量 水的摩爾質(zhì)量 2.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 l 2.3物料衡算原料處理量 總物料衡算 乙醇物料衡算 聯(lián)立解得 第三章 塔板數(shù)的確定3.1理論板層數(shù)的求取乙醇-水屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。查手冊得乙醇-水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖，求最小回流比及操作回流比。采用作圖法求最小回流比。在圖3-1中對角線上，自點作垂線即為進料線， 圖3-1 乙醇-水物系的氣液平衡圖該點與平衡線的交點坐標為 故最小回流比為取操作回流比為求精餾塔的氣液相負荷求操作線方程精餾段操作線方程為提餾段操作線方程圖解法求理

15、論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖3-2所示。求解結果為圖3-2 圖解法求理論板數(shù)總理論板層數(shù) 進料板位置 3.2實際板層數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù) 提餾段實際板層數(shù) 第四章 精餾塔的工藝條件計算4.1操作壓力及溫度計算塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進料板壓力 精餾段平均壓力 塔釜操作壓力 提餾段平均壓力 依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中乙醇，水的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算過程略。計算結果如下：塔頂溫度 塔釜溫度 進料板溫度 精餾段平均溫度 提鎦段平均溫度 4.2平均摩爾質(zhì)量及密度計算塔頂平均摩爾質(zhì)量計算由,見圖3-2得進料板平均摩爾質(zhì)量計算由圖解理論板，見圖3-2得

16、查平衡曲線，圖3-2得精餾段平均摩爾質(zhì)量提餾段平均摩爾質(zhì)量塔釜平均摩爾質(zhì)量計算由,查平均曲線，見圖3-2得氣相平均密度的計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，即精餾段提溜段液相平均密度的計算液相平均密度依下式計算，即塔頂液相密度的計算由，查手冊得 進料板液相平均密度的計算由 進料板液相的質(zhì)量分率精餾段液相平均密度為塔釜液相密度的計算由查手冊得 提餾段液相平均密度為 4.3液體平均表面張力及粘度計算液體平均表面張力依下式計算塔頂液相平均表面張力的計算由，查手冊得 進料板液相平均表面張力的計算由，查手冊得 塔釜液相平均表面張力的計算由，查手冊得 精餾段液相平均表面張力提餾段液相平均表面張力液相平均粘度依下式

17、計算塔頂液相平均粘度的計算由 ，查手冊得 解出進料板液相平均粘度的計算由，查手冊得 解出塔釜液相平均粘度的計算由，查手冊得 解出精餾段液相平均粘度為提餾段液相平均粘度為第五章 精餾塔的塔體工藝尺寸計算5.1塔徑的計算精餾段的氣液相體積流率為精餾段的氣液相體積流率為由式中C由公式計算，其中的C20由圖5-1查取，圖的橫坐標為取板間距，板上液層高度，則圖5-1斯密斯關聯(lián)圖取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為按標準塔徑圓整后為塔截面積為實際空塔氣速為5.2精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為提餾段有效高度為在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m故精餾段有效高度為第六章 塔板主要工藝尺寸的計算6.1溢流裝

18、置計算因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：堰長取溢流堰高度由選用平直堰，堰上液層高度為圖6-1液流收縮系數(shù)計算圖近似取，則精餾段 取板上清夜層高度 故提鎦段 故弓形降液管高度和截面積圖6-2 弓形降液管參數(shù)圖 由查圖6-2 故驗算液體在降液管中的停留時間降液管合理故液管合理。降液管底隙高度精餾段取提餾段取則 故降液管底隙高度設計合理。選用凹形受液面，深度。6.2塔板布置塔板的分塊因.故塔板采用分塊式。查表得塔板分為3塊。邊緣區(qū)寬度確定取，開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積其中故篩孔計算以及排列本例所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑篩孔按正三角形排列，取孔中心距為篩孔

19、數(shù)目為開孔率為精餾段氣體通過孔閥的氣速為提溜段氣體通過孔閥的氣速為第七章 篩板的流體力學驗算7.1塔板壓降干板阻力計算精餾段 圖7-1塔板孔流系數(shù) 由 ，查圖7-1，得故 m液柱提餾段由 ，查圖7-1，得故 氣體通過液層的阻力的計算精餾段 圖7-2 充氣系數(shù)關聯(lián)圖 查圖7-2，得故液柱提餾段查圖7-2，故液體表面張力的阻力計算精餾段液體表面張力產(chǎn)生的阻力由下式計算，即 液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可用下式計算，即 液柱氣體通過每層塔板的壓降為 （設計允許值）提餾段液體表面張力產(chǎn)生的阻力由下式計算，即液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可用下式計算，即 液柱氣體通過每層塔板的壓降為 （設計允許值）7

20、.2液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。7.3液沫夾帶液沫夾帶量由式5-24計算，即 精餾段 故 液/氣液/氣提鎦段 液/氣6000Pa蒸汽速度/m/s122030505070因，故取出口氣速，故查表取回流液管徑冷凝器安裝在塔頂時，冷凝器靠重力回流，一般流速為0.20.5m/s，速度太大，冷凝器的高度也相應增加。用泵回流時，速度可取1.52.5m/s。故取，則而 則 查標準系列取進料管徑料液由高位槽進塔時，料液流速取0.40.8m/s。由泵輸送時，流速1.52.5m/s，采用直管出料管。 取，則 而 則 查標準系列取釜液排除管徑釜液流出的速度一

21、般取0.51.0m/s取，則而 則 9.2塔體總高度 塔式板的塔高如圖所示，塔體總高度（不包括裙座）由下式?jīng)Q定：式中塔頂空間，；塔底空間，；塔板間距，； 開有人孔的塔板間距，；進料段高度，；人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。進料板數(shù)封頭高度裙座高度塔頂空間塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應大于板間距，通常應大于板間距，通常取為（1.52.0）。若圖塔高示意圖需要安裝除沫器時，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間。即人孔數(shù)目 人口數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。對于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可每隔68塊塔板設置一個人孔；對于易結垢，

22、結焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔46塊塔板開一個人孔。人孔直徑通常為450600mm，其伸出塔體的筒體長為200250mm，人孔中心距操作平臺約8001200mm。設人孔處的板間距等于或大于600mm。塔底空間 塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底的間距。其值視具體情況而定：當進料有15分鐘緩沖時間的容量時，塔底產(chǎn)品的停留時間可取35分鐘，否則需有1015分鐘的儲量，以保證塔底料液不致留空。塔底產(chǎn)品量大時，塔底容量可取小些，停留時間可取35分鐘；對易結焦的的物料，停留時間應更短些，一般取11.5分鐘。進料板空間1.2m筒體（JB/T 4735-1997鋼煉焊接常壓容器）工作壓力為0.10.2MPa，塔徑

23、D=1m，設計壓力Pc=0.2MPa，壁厚計算公式其中塔徑，mm設計壓力，MPa焊接接頭系數(shù)腐蝕余量，mm封頭本設計采用橢圓型封頭，由于公稱直徑1m，查的曲面高度，厚度，直邊高度，內(nèi)表面經(jīng)，容積，選用封頭 JB1154-73.裙座的相其中取基礎環(huán)的內(nèi)外徑與裙座截面內(nèi)徑的差為200mm考慮再沸器，裙座高度為13m。吊柱設計對于較高的室內(nèi)無框架的整體塔，在塔頂設計吊住，對于補充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，即經(jīng)濟又方便的一項設施，一般取15m以上的塔物設吊住。本設計中塔高度大，因此設計塔徑，可選用吊住。，。材料為A3。第十章 輔助設備 10.1全凝器 全凝器的熱負荷 式中，塔頂上升蒸汽摩爾流率，km

24、ol/h 冷凝器的熱負荷kJ/h 分別為乙醇、水的氣化熱 出料液溫度：(飽和蒸汽）(飽和液體） 以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)，冷卻水入口溫度,出口溫度 溫度推動力： 由于是低粘度有機物和水的混合液，取總傳熱系數(shù)則 傳熱面積 代入數(shù)據(jù) 選型10.2再沸器再沸器的熱負荷 式中，塔釜蒸汽摩爾流率， 再沸器的熱負荷 分別為乙醇、水的氣化潛熱出料液溫度：（飽和液體）（飽和蒸汽） 溫度推動力： 由于是低粘度有機物和水的混合液，取總傳熱系數(shù)則傳熱面積: 設備選型10.3原料預熱器原料預熱溫度：2583.10采用130過熱飽和蒸汽加熱平均溫度：平均溫度下查表得 取總傳熱系數(shù)：由： 得： 換熱面積選型計算結果一覽表項 目

25、符 號單 位計 算 數(shù) 據(jù)精餾段提餾段各段平均壓強1098.45（絕壓）119.30（絕壓）各段平均溫度80.8091.18平均流量液相0.00080.0023氣相1.19981.1225實際塔板數(shù)塊176板間距m0.40.4塔的有效高度Zm9.42.0塔徑Dm11空塔氣速um/s1.5821.582塔板溢流型式單溢流弓形降液管 分塊式塔板溢流裝置溢流管型式弓型堰高mm52.7145.30堰長m0.70.7溢流堰寬度m0.150.15板上清液層高度mm6060孔徑mm55孔間距tmm120120篩孔數(shù)目n個23972397開孔面積0.4670.467開孔率%10.110.1塔板壓降682.61

26、5694.112降液管面積0.050880.05088液體在降液管停留時間s44降液管內(nèi)清液層高度mm6060液相負荷下限線0.0.液相負荷上限線0.007690.00769操作彈性2.253.40主要符號說明符號意義SI單位F進料流量kmol/hD塔頂產(chǎn)品流量kmol/hW塔釜產(chǎn)品流量kmol/hx進料組成無因次V上升蒸汽流量kmol/sL下降液體流量kmol/s粘度mPas板效率無因次P壓強Pat溫度；R回流比無因次N塔板數(shù)無因次q進料狀況參數(shù)無因次M分子量kg/kmol；C操作物系的負荷因子m/s密度kg/m3；表面張力mN/m；u空塔氣速m/s；HT板間距m；hL板上液層高m；降液管低

27、隙高度m停留時間SD塔徑m；AT塔截面積m2；Af弓形降液管面積m2；g重力加速度N/kgWd弓型降液管寬度m；uo閥孔氣速m/s；Z塔高m；Aa鼓泡區(qū)面積m2；開孔率無因次壓降Pa孔速m/s；n開孔數(shù)無因次F0動能因子無因次阻力因子無因次hW溢流高度m；堰上液層高度m；泛點率無因次L V料液的體積流率D進料管的直徑m塔底空間高度m裙座高度m加料板及人孔所在板增加高度m塔頂空間高度m總結化工原理課程設計是一個綜合性和實踐性很強的學習環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，同時也是我們在學習化工設計基礎只是過程的初次嘗試。本次課程設計要求我們綜合運用基礎知識，獨立思考。要做好課程設計，不僅要了解工程設計的基

28、本內(nèi)容，掌握設計的程序和方法，還要求有縫隙和解決工程實際問題的能力。本次設計師在老師的指導和同學的幫助下完成的，通過這次設計學到很多。設計的乙醇-水溶液篩板精餾塔，使自己對篩板塔的精餾有了一定的認識，至少對于篩板塔精餾設備有了基礎的了解，對于溶液精餾的工藝流程有了一定認識。在此次設計過程中，知道了查取數(shù)據(jù)及取合適數(shù)據(jù)的重要性，在選取設備時都是需要不斷地核算，核算是否符合生產(chǎn)要求及其安全要求，才能選出適合的設備。在計算過程中需及其的認真，某個地方錯了可能就得全部重來算一遍。當然在進行設計時分析、思考是很關鍵的，如何計算，選用何種計算公式都得通過認真思考。另外，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習

29、的知識，也讓我們?nèi)酥缊F隊協(xié)作的力量，學會了與同學分工設計、相互探討、相互學習、相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解?？傮w而言本次設計心得有以下幾點：（1）數(shù)據(jù)的查取：盡可能保證數(shù)據(jù)的來源具有一定的可靠性；（2）數(shù)據(jù)的單位：各公式計算時單位的要求及加和時單位的一致性；（3）數(shù)據(jù)的計算：需計算數(shù)據(jù)多、計算的繁瑣都需要有一定的耐心和細心；（4）清晰的思路：計算的公式特別多，各符號代表的意義及對應的數(shù)據(jù)一定得很清楚。（5）團隊的協(xié)作：本次任務對于初次設計的我們來說任務還是較為繁重的，因此團隊的共同努力至關重要。致謝 本次課程設計，離不開大家的幫助和付出。首先感謝孫老師和康老師

30、在課程設計上給予我們的指導、提供給我們的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。其次，我要感謝幫助過我的同學，他們也為我解決了不少我不太明白的設計商的難題。同時也感謝學院為我提供良好的做畢業(yè)設計的環(huán)境。最后再一次感謝所有在設計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學參考文獻1.陳敏恒 化工原理（下）M. 北京：化學工業(yè)出版社，19892.王志魁. 化工原理 M. 北京：化學工業(yè)出版社，2004 3.賈紹義 化工原理課程設計M. 天津：天津大學出版社，2002 4.匡國柱譚天恩，竇梅，周明華. 化工原理(上、下冊).化學工業(yè)出版社，20095.鐘秦，陳遷喬，王娟，曲虹霞，馬衛(wèi)華.化工原理國防工業(yè)出版社，20096.匡國柱，史啟才.化工單元過程及設備課程設計.化學工業(yè)出版社，20027.刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良.化工設備機械基礎.大連理工大學出版社，2006