第一篇：乙醇-水分離過程連續精餾塔的設計

《化工原理》課程設計

標題:乙醇-水分離過程連續精餾塔的設計

學 院 醫藥化工學院 專 業 應用化學 班 級 11化妝品（2）班 姓 名 廖神娣 學 號 1115512231 指導教師 朱繼芳、龍春霞

乙醇-水分離過程連續精餾塔的設計

(一)設計題目：

試設計一座乙醇-水連續精餾塔提純乙醇。進精餾塔的料液含乙醇30%（質量分數，下同），其余為水；產品的乙醇含量不得低于90%；殘液中乙醇含量不得高于0.8%；要求產品乙醇的年產量為16萬噸/年。

(二)操作條件

1)塔頂壓力 4KPa 2)進料熱狀態 自選

3)回流比 自選

4)塔底加熱蒸氣壓力 0.5Mpa（表壓）

(三)塔板類型

自選

(四)工作日

每年工作日為300天，每天24小時連續運行。

(五)設計說明書的內容

1.設計內容

(1)流程和工藝條件的確定和說明(2)操作條件和基礎數據(3)精餾塔的物料衡算；

(4)塔板數的確定；

(5)精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算；

(6)精餾塔的塔體工藝尺寸計算；

(7)塔板主要工藝尺寸的計算；

(8)塔板的流體力學驗算；

(9)塔板負荷性能圖；

(10)主要工藝接管尺寸的計算和選取（進料管、回流管、釜液出口管、塔頂蒸汽管、人孔等）

(11)塔板主要結構參數表

(12)對設計過程的評述和有關問題的討論。2.設計圖紙要求：

1)繪制生產工藝流程圖（A3號圖紙）；

2)繪制精餾塔設計條件圖（A3號圖紙）。

目 錄

1．設計方案的確定…………………………………………………………………1 2．操作條件和基礎數據……………………………………………………………1

3．精餾塔的物料衡算………………………………………………………………1

3．1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率……………………………………1

3．2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量………………………………1

3．3 物料衡算……………………………………………………………………2 4．塔板數的確定……………………………………………………………………2

4．1 理論板層數NT的求取…………………………………………………… 2 4．1．1 求最小回流比及操作回流比……………………………………… 3 4．1．2 求精餾塔的氣、液相負荷………………………………………… 3 4．1．3 求操作線方程……………………………………………………… 3 4．1．4 圖解法求理論板層數……………………………………………… 4

4．2 塔板效率的求取……………………………………………………………4

4．3 實際板層數的求取…………………………………………………………5 5．精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算……………………………………5

5．1 操作壓力計算………………………………………………………………5

5．2 操作溫度計算………………………………………………………………6

5．3平均摩爾質量的計算………………………………………………………6

5．4平均密度的計算……………………………………………………………6 5．4．1 氣相平均密度計算………………………………………………… 6 5．4．2 液相平均密度計算………………………………………………… 7

5．5 液體平均表面張力計算……………………………………………………7

5．6 液體平均粘度計算…………………………………………………………8 6．精餾塔的塔體工藝尺寸計算……………………………………………………8

6．1 塔徑的計算…………………………………………………………………8 6．1．1 精餾段塔徑的計算………………………………………………… 8

6．2 精餾塔有效高度的計算……………………………………………………10

7．塔板主要工藝尺寸的計算………………………………………………………10

7．1 溢流裝置計算………………………………………………………………10 7．1．1 堰長lW……………………………………………………………… 10 7．1．2 溢流堰高度 hW …………………………………………………… 10 7．1．3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af……………………………………10 7．1．4 降液管底隙高度ho………………………………………………… 11

7．2 塔板布置……………………………………………………………………11 7．2．1 塔板的分塊……………………………………………………………11 7．2．2 邊緣區寬度確定………………………………………………………11 7．2．3 開孔區面積計算………………………………………………………11 7．2．4 篩孔計算及其排列……………………………………………………12 8．篩板的流體力學驗算……………………………………………………………12

8．1 塔板降………………………………………………………………………12 8．1．1 干板阻力hc計算…………………………………………………… 12 8．1．2 氣體通過液層的阻力hl計算…………………………………………13 8．1．3 液體表面張力的阻力hσ計算……………………………………… 13

8．2 液面落差……………………………………………………………………13

8．3 液沫夾帶……………………………………………………………………13

8．4 漏液…………………………………………………………………………13

8．5 液泛…………………………………………………………………………14 9．塔板負荷性能圖…………………………………………………………………14

9．1 漏液線………………………………………………………………………14

9．2 液沫夾帶線…………………………………………………………………15

9．3 液相負荷下限線……………………………………………………………16

9．4 液相負荷上線線……………………………………………………………16

9．5 液泛線………………………………………………………………………16 10．主要工藝接管尺寸的計算和選取…………………………………………… 18

10．1 蒸汽出口管的管徑計算……………………………………………………20

10．2 回流液管的管徑計算………………………………………………………20

10．3 進料液管的管徑計算………………………………………………………20

10．4 釜液排出管的管徑計算……………………………………………………20

10．5 人孔相關尺寸的選取………………………………………………………21 11．塔板主要結構參數表……………………………………………………………21 12．設計過程的評述及有關問題的討論……………………………………………22 參考文獻…………………………………………………………………………… 25

設計計算

1．設計方案的確定

本設計任務為分離乙醇—水混合物提純乙醇，采用連續精餾塔提純流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，回流比較大，故操作回流比取最小回流比的1.1倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。

2．操作條件和基礎數據

進料中乙醇含量（質量分數）

wF?0.30； 產品中乙醇含量（質量分數）

wD?0.90； 塔釜中乙醇含量（質量分數）

wW?0.008； 處理能力

GF?16萬噸/年； 塔頂操作壓力

4KPa 進料熱狀況

泡點進料； 根據上述工藝條件作出篩板塔的設計計算如下。

3．精餾塔的物料衡算

3．1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率

乙醇的摩爾質量 MA?46.07kg/kmol

水的摩爾質量 MB?18.02kg/kmol

0.30/46.07?0.1440.30/46.07?0.70/18.020.90/46.07x??0.779

D0.90/46.07?0.10/18.020.008/46.07xW??0.0030.008/46.07?0.992/18.02xF?3．2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量

MF?0.144?46.07?(1?0.144)?18.02?22.06kg/kmol

MD?0.779?46.07?(1?0.779)?18.02?39.87kg/kmol

MW?0.003?46.07?(1?0.003)?18.02?18.10kg/kmol3．3 物料衡算

每年300天，每天工作24小時，其處理量為16萬噸/年

16?104?103/(300?24)故原料液的處理量為 F??1007.35kmol/h

22.06總物料衡算 1007.35?D?W

乙醇的物料衡算 1007.35?0.144?0.779D?0.003W 聯立解得 D?183.04kmol/h

W?824.31kmol/h

4．塔板數的確定

4．1 理論板層數NT的求取

4．1．1求最小回流比及操作回流比

【1】 乙醇-水是非理想物系，先根據乙醇-水平衡數據（見下表1），繪出平衡線，如圖所示，表1 乙醇-水平衡數據

液相中乙醇摩爾分數

0.0 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 0.20

氣相中乙醇摩爾分數

0.0 0.11 0.175 0.273 0.34 0.392 0.43 0.482 0.513 0.525

液相中乙醇摩爾分數

0.25 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.894 0.95 1.0

氣相中乙醇摩爾分數

0.551 0.575 0.614 0.657.0698 0.755 0.82 0.894 0.942 1.0 2

乙醇-水x-y相平衡圖0.80.70.60.5y0.40.30.20.1000.10.20.30.40.50.60.70.8x

因為xq?xF?0.144，在圖上讀出yq?0.484 于是 Rmin?取操作回流比為

R?1.5Rmin?1.5?0.867?1.30 4．1．2 求精餾塔的氣、液相負荷 xD?yqyq?xq?0.779?0.484?0.867

0.484?0.144 L?RD?1.30?183.04?237.95kmol/hV?(R?1)D?(1.30?1)?183.04?420.99kmol/hL?L?F?237.95?1007.35?1245.3kmol/hV'?V?420.99kmol/h'

4．1．3 求操作線方程 精餾段操作線方程為

y?LD237.95183.04x?xD?x??0.779?0.565x?0.339 VV420.99420.99提餾段操作線方程為

L''W1245.3'824.31x??0.003?2.958x'?0.0059

y?'x?'xW?VV420.99420.99' 3

4．1．4 圖解法求理論塔板數 采用圖解法求理論板層數，如圖所示。

（b）

求解結果為：

總理論塔板數

NT?16(包括再沸器)進料板位置

第13塊板 4．2 塔板效率的求取 操作溫度計算：

?xD?0.779?由乙醇—水的氣液兩相平衡圖【1】可查得組成分別為?xF?0.144的泡點溫度：

?x?0.003?W?塔頂溫度：tD?78.69?C??進料板溫度：tF?99.43?C ?塔釜溫度：t?99.99?CW?由乙醇—水的氣液兩相平衡圖可查得：

??xA?0.779塔頂：????yA?0.815 塔頂和塔釜的氣液兩相組成為：

??xA?0.003?塔釜：???yA?0.044???頂?1.05查化工物性算圖手冊得：?

??14.6?底則塔內相對揮發度：?m??頂??底?1.05?14.6?3.92

塔的平均溫度為 0.5×（78.69＋99.99）＝89.34℃（取塔頂底的算術平均值），在此平均溫度下查手冊【2】得：

?A?0.38mPa?s，?B?0.32mPa?s。

lg?Lm??xilg?i 則全塔液相平均粘度

?Lm?0.144?0.38?(1?0.144)?0.32?0.3286mP?s

全塔效率由奧康奈爾O’connell關聯式計算：

E?0.49??L T ? m??0.245?0.49??3.92?0.3286??0.245?0.464．3 實際板層數的求取

精餾段實際板層數

N精?12/0.46?26.8?27 提餾段實際板層數

N提?4/0.46?8.69?9

5．精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算

以精餾段為例進行計算。5．1 操作壓力計算

塔頂操作壓力

PD?10.1 3?4?10.53kPa每層塔板壓降

?P?0.7kPa

進料板壓力

PF?105.3?0.7?27?124.2kPa 精餾段平均壓力

Pm?(10.5 3?12.42)2?11.48kPa 5

5．2 操作溫度計算

從乙醇—水溶液的氣液相平衡圖【1】查得個點的泡點溫度（近似看作是操作溫度）為：

塔頂溫度

tD?78.69?C

進料板溫度

tF?99.43?C

精餾段平均溫度為：tm?(78.69?99.43)2?89.06?C 5．3平均摩爾質量計算 塔頂平均摩爾質量計算

由xD?y1?0.779，查平衡曲線，得

x1?0.73MVDm?0.779?46.07?(1?0.779)?18.02?39.87kg/kmol

MLDm?0.735?46.07?(1?0.735)?18.02?38.64kg/kmol進料板平均摩爾質量計算 由圖解理論板（見圖（b）），得

yF?0.450 查平衡曲線，得

xF?0.120

MVFm?0.450?46.07?(1?0.450)?18.02?30.64kg/kmo l

MLFm?0.120?46.07?(1?0.120)?18.02?21.39kg/kmo l精餾段平均摩爾質量

MVm?(39.87?30.64)2?35.26kg/kmo l

MLm?(38.64?21.39)2?30.02kg/kmo l5．4平均密度計算 5．4．1 氣相平均密度計算 由理想氣體狀態方程計算，即

?Vm? PmMVm114.8?35.26??1.34kg/m

3RTm8.314?(89.06?273.15)6

5．4．2 液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算，即

1?Lm??ai?i 塔頂液相平均密度的計算 由tD?78.69?C，查手冊【2】得

?A?61.15kg/m3

?B?97.35kg/m3 塔頂液相的質量分率

aA?0.779?46.07?0.90

0.779?46.07?0.221?18.0 ?LDm?1?635.1kg/m3

0.90611.5?0.10973.5進料板液相平均密度的計算 由tF?99.43?C，查手冊【2】得

?A?59.45kg/m3

?B?95.78kg/m3 進料板液相的質量分率

aA?0.12?46.07?0.26

0.12?46.07?0.88?18.02

?LFm?1?826.5kg/m3

0.26/594.5?0.74957.8精餾段液相平均密度為

?Lm?(63.51?82.65)2?73.08kg/m3 5．5 液體平均表面張力計算 液相平均表面張力依下式計算，即

?Lm??xi?i

塔頂液相平均表面張力的計算 由tD?78.69?C，查手冊【2】得

?A?17.3mN/m

?B?62.8mN/m

?LDm?0.779?17.3?0.221?62.8?27.36mN/m

進料板液相平均表面張力的計算 由tF?99.43?C，查手冊得

?A?15.3mN/m

?B?58.9mN/m

?LFm?0.12?15.3?0.88?58.9?53.67mN/m 精餾段液相平均表面張力為

?Lm?(27.36?53.67)2?40.51mN/m 5．6 液體平均粘度計算 液相平均粘度依下式計算，即

lg?Lm??xilg?i 塔頂液相平均粘度的計算 由t2】D?78.69?C，查手冊【得：

?A?0.45mPa?s

?B?0.38mP?as

lg?LDm?0.779lg(0.45)?0.221lg(0.38)解出

?LDm?0.43mP?as 進料板液相平均粘度的計算 由tF?99.43?C，查手冊【3】得：

?A?0.31mP?s

?B?0.28mP?as

lg?LFm?0.12lg(0.31)?0.88lg(0.28)

解出

?LWm?0.28mPa?s 精餾段液相平均粘度為

?Lm?(0.43?0.28)2?0.36mP?as

6．精餾塔的塔體工藝尺寸計算

6．1 塔徑的計算

6．1．1 精餾段的塔徑計算

1】

【

精餾段的氣、液相體積流率為

VVMVms?3600??420.99?35.2634?3.08m3/s

Vm3600?1.LLMLms?3600??237.95?30.02.8?0.0027m3/s

Vm3600?730由

u??Vmax?C?L? V式中C由式C?C??L?0.2【4】20??20??計算，式中C20由圖（史密斯關系圖）查得，圖的橫坐標為 Lh??L?12V???0.0027?3600?7302h???V??3.08?3600??.8??1.34???0.020 6取板間距HT?0.40m，板上液層高度hL?0.06m，則

HT?hL?0.40?0.06?0.34m

查圖（史密斯關系圖）【4】

得

C20?0.072

0.20.C?C???20?L?20???0.072??40.51??20???0.08 u730.8?1.34max?0.0831.34?1.94m/s

取安全系數為0.7，則空塔氣速為

u?0.7umax?0.7?1.94?1.36m/s

D?4Vs?4?3.08?1

?u??1.36.70m圓整塔徑，取

D?2.0m

塔截面積為

A?2T?4D??4?22?3.14m2

實際空塔氣速為

u?Vs3.08??0.98m/s AT3.146．2 精餾塔有效高度的計算 精餾段有效高度為

Z精?（N精?1）HT?(27?1)?0.4?10.4m 提餾段有效高度為

Z提?（N提?1）HT?(9?1)?0.4?3.2m 故精餾塔的有效高度為

Z?Z精?Z提?10.4?3.2?13.6m

7．塔板主要工藝尺寸的計算

7．1 溢流裝置計算

因為塔徑D?2.0m，一般場合可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下： 7．1．1 堰長lW

取

lW?0.66D?0.66?2?1.32m 7．1．2 溢流堰高度hW 由

hW?hL?hOW

選用平直堰，堰上液層高度hOW由下式計算，即

hOW2.84?Lh?? ?E???1000?lW?23近似取E=1，則

hOW2.84?Lh???E??1000?lW??232.84?0.0027?3600???1???10001.32??23?0.0107m

取板上清液層高度

hL?60mm

故

hW?hL?hOW?0.06?0.011?0.0493m 7．1．3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af

由

lWD?0.66 查圖（弓形降液管的參數）【4】，得

AfA?0.072

WdTD?0.12 故

Af?0.072AT?0.072?3.14?0.227m2W?0.124?2?0.248m

d?0.124D依式??3600AfHT4】L 【驗算液體在降液管中停留的時間，即

h

??3600AfHT?0.227?0.40L?3600h0.0027?3600?42.04?5s

故降液管設計合理。7．1．4 降液管底隙高度ho

hLh0?

3600lWu?0取

u?0?0.16m/s

則

h0027?36000?Lh?0.3600l?Wu03600?0.16?1.32?0.0128m

hW?h0?0.0493?0.0128?0.0365m?0.006m 故降液管底隙高度設計合理。

選用凹形受液盤，深度h?W?50mm 【4】

7．2 塔板布置 7．2．1 塔板的分塊

因為D?800mm，故塔板采用分塊式。查表（塔板分塊數）【4】，則塔板分為5塊。

7．2．2 邊緣區寬度確定

取

W?s?Ws?0.07m，Wc?0.035m

7．3．3 開孔區面積計算 開孔區面積Aa按下式計算，即

D?2000mm，??r2?1x?22

Aa?2??xr?x?180sinr??

??D2?(Wd?Ws)??(0.248?0.07)?0.682m 22D2?0.965m

r??Wc??0.03522其中

x?故

Aa?2?(0.6820.965?0.682?7．2．4 篩孔計算及其排列

22??0.9652180sin?10.682)?2.39m2 0.965本次所處理的物系無腐蝕性，可選用??3mm碳鋼板，取篩孔直徑d0?5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為

t?3d0?3?5?15mm 篩孔數目n為

n?開孔率為 1.155Aa1.155?2.39??1226個9 2t20.015?d??0.005?

??0.907?0??0.907????10.1%

t0.015????氣體通過閥孔的氣速為

u0?Vs3.08??12.76m/s A00.101?2.39228．篩板的流體力學驗算

8．1 塔板壓降

8．1．1 干板阻力hc計算 干板阻力hc由下式計算，即

?u0??

hc?0.051?c???0?2??V?????? ?L?【4】由d0??53?1.67，查圖（干篩孔的流量系數）得，c0?0.772

?12.76?故

hc?0.051??0.772??

2?1.34????0.026m液柱 730.8??12

8．1．2 氣體通過液層的阻力hl計算 氣體通過液層的阻力hl由下式計算，即

hl??hLVs3.08??1.057m/sAT?Af3.14?0.227

ua?

F0?ua?V?1.0571.34?1.22kg12/(s?m12)【4】查圖（充氣系數關聯圖）得：??0.62

故

hl??hL??(hl?hOW)?0.62(0.0493?0.0107)?0.0372m液柱 8．1．3 液體表面張力的阻力hσ計算 液體表面張力所產生的阻力hσ由下式計算，即

4?L4?40.51?10?3

h????0.004m液柱

?Lgd0730.8?9.81?0.005氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即

hp?hc?hl?h?hp?0.026?0.0372?0.004?0.0672m液柱

氣體通過每層塔板的壓降為

?P?hp?Lg?0.0672?730.8?9.81?481.8Pa?0.7kPa（設計允許值）8．2 液面落差

對于篩板塔，液面落差很小，且本次的塔徑和液流量均不大，故可以忽略液面落差的影響。8．3 液沫夾帶

液沫夾帶量由下式計算，即

3.2ua?5.7?10???eV??

?L??HT?hf?hf?2.5hL?2.5?0.06?0.15m?65.7?10?6?1.057?故

eV???40.51?10?3?0.40?0.15?3.2?0.014kg液/kg氣?0.1kg液/kg氣

故在本次設計中液沫夾帶量eV在允許范圍內。8．4 漏液

對篩板塔，漏液點氣速u0，min可由下式計算，即

u0,min?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L?V

?4.4?0.772(0.0056?0.13?0.06?0.004)?730.81.34 ?7.69m/s實際孔速u0?12.76m/s?u0,min 穩定系數為

K?u0u0,min?12.76?1.66 7.691.5?K?2故在本次設計中無明顯漏液。8．5 液泛

為防止塔內發生液泛，降液管內液層高Hd應服從下式的關系，即

Hd??(HT?hW)

【4】乙醇—水物系屬一般物系，不易發泡，故安全系數取??0.6，則

?(HT?hW)?0.6?(0.40?0.0493)?0.27m 而

Hd?hp?hL?hd

板上不設進口堰，hd可由下式計算，即

?

hd?0.153(u0)2?0.153?(0.16)2?0.004m液柱

Hd?0.0672?0.06?0.004?0.131m液柱0.131m?Hd??(HT?hW)?0.27m

故在本次設計中不會發生液泛現象。

9．塔板負荷性能圖

9．1 漏液線

由

u0,min?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L?V

u0,min?Vs,min A0

hL?hW?hOW

hOW得

Vs,min2.84?Lh??E??? 1000?l?W?2323??????L2.84??h???4.4C0A0?0.0056?0.13?hW?E??h??L?V???1000?lW??????????4.4?0.772?0.101?2.3923???2.84???3600Ls????0.0056?0.13?0.0493??1?????0.004?730.81.341000?1.32?????????

?0.821.22?13.93L2s整理得 Vs,min23

在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表2。

表2

Ls,m3/s

Vs,m3/s

由上表數據即可作出漏液線1。9．2 液沫夾帶線

以eV?0.1kg液/kg氣為限，求Vs—Ls關系如下：

0.0006

0.916

0.0015

0.925

0.0030

0.936

0.0045

0.945

5.7?10??ua由

eV??L??HT?hf?6?? ??3.2

ua?VsVs??0.3433Vs

AT?Af3.14?0.227

hf?2.5hL?2.5(hW?hOW)

hW?0.0493

hOW2.84?3600Ls???1???10001.32??232323 ?0.554L4s故

hf?0.12?31.38L6s

HT?hf?0.227?1.386Ls233.2

?0.3433Vs5.7?10???eV?23??3?40.51?10?0.277?1.386Ls??6?0.1

整理得 Vs?6.29?31.46Ls

在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表3。

表3

Ls,m3/s

Vs,m3/s

由上表數據即可作出液沫夾帶線2。9．3 液相負荷下限線

對于平直堰，取堰上液層高度hOW?0.006m作為最小液體負荷標準。則

hOW取E?1，則 2.84?3600Ls???E??1000?l?W?2323

0.0006

6.07

0.0015

5.88

0.0030

5.64

0.0045

5.43

?0.006

?0.006?1000?

Ls,min???2.84??230.923?0.0004m2/s 3600據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。9．4 液相負荷上限線

以??4s作為液體在降液管中停留時間的下限，由下式可得，即

??AfHTLs?4

0.11?0.40?0.011m3/s 4故

Ls,max?AfHT4?據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。9．5 液泛線

令

Hd??(HT?hW)

由

Hd?hp?hL?hd;hp?hc?hl?h?;hl??hL;hL?hW?hOW 聯立得

?HT?(????1)hW?(??1)hOW?hc?hd?h?

忽略h?，將hOW與Ls，hd與Ls，hc與Vs的關系式代入上式，并整理得

2223

a?Vs?b??c?Ls?d?Ls

式中

a????V?0.051?? 2???A0c0???L?

b???HT?(????1)hW

c??0.153(lWh0)2

?36?3??d?2.84?10E(1??)

?l?W0?0?? ?23將有關的數據代入，得

a??0.051?1.34???0.0027 2??0.101?2.39?0.772??730.8?

b??0.6?0.40?(0.6?0.62?1)?0.0493?0.19

c??0.153?535.95

(1.32?0.0128)223?3600?

d??2.84?10?3?1?(1?0.62)???1.32?22?0.90

23故

0.0027Vs?0.19?535.95Ls?0.90Ls 或

Vs?70.37?198500Ls?333.33Ls

在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表4。

表4

Ls,m3/s

Vs,m3/s

由上表數據即可作出液泛線5。2223

0.0006

3.8

0.0015

3.81

0.0030

3.72

0.0045

3.58

根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖（c）所示。

在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。由圖（c）可查得

Vs,max?2.74m3/s

Vs,min?0.84m3/s 故操作彈性為

Vs,maxVs,min?2.74?3.26 0.8410．主要工藝接管尺寸的計算和選取

10．1 蒸汽出口管的管直徑計算

由于是常壓精餾，允許氣速為12.00~20.00m/s[6]，故選取uv?16.00m/s，則

dv?4Vs4?1.69??0.37m ?uv??16.00 18

圓整直徑為dv??377?8mm 10．2 回流管的管徑計算

冷凝器安裝在塔頂，一般流速為0.20~0.50m/s[6]，故選取uD?0.35m/s，則

dD?4Ls4?0.0019??0.08m3 ?uD??0.35圓整直徑為dD??89?4mm 10．3 進料管的管徑計算

由于料液是由泵輸送的，一般允許流速為1.50~2.50m/suF?2.00m/s；

[6]，故選取進料管中料液的體積流量

F??FMLFm676.85?20.10??0.0043m3/s

3600?LFm3600?878.10故

dF?4F?4?0.0043??0.052m ?uF??2.00圓整直徑為dF??57?3mm 10．4 釜液排出管的管徑計算

釜液流出速度一般范圍為0.50~1.00m/s[6]，故選取uW?0.80m/s； 塔底平均摩爾質量計算

由x2?xW?0.001，得：MLWm?0.001?46.07?(1?0.001)?18.02?18.05kg/kmol 塔底液相平均密度的計算 由tW?97.0?C，查手冊【2】得

?A?59.90kg/m3

?B?96.05kg/m3 塔底液相的質量分率

aA?0.042?46.07?0.101

0.042?46.07?0.958?18.02

?LWm?1?90.53kg/m3

0.10159.90?0.89996.05 19

塔釜排液管的體積流量

W??WMLWm607.51?18.05??0.0034m3/s

3600?LVm3600?905.30故

dW?4W?4?0.0034??0.07m4 ?uW??0.80圓整直徑為dW??89?4mm 10．5 人孔相關尺寸的選取

由于本次設計中塔徑D?1.4m?1.0m，為安裝、檢修的需要，每隔八層塔板設置一個人孔，本次設計中實際塔板數有40塊，故要設置5個人孔。本次設計，人孔的直徑選取dR?500mm，其伸出塔體的筒體長為220mm，并且設置人孔處的板間距為600mm。

11．塔板主要結構參數表

所設計篩板的主要結果匯總于表5。

表5 篩板塔設計計算結果參數表

序 號 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

項

目平均溫度tm，℃平均壓力Pm，kPa 氣相流量Vs，（m3/s）液相流量Ls，（m3/s）

實際塔板數 有效段高度Z，m 塔徑D，m 板間距HT，m 溢流形式 降液管形式 堰長lW，m 堰高hW，m 板上液層高度hL，m

數

值

112.5 1.69 0.0019 40 15.2 1.4 0.40 單溢流 弓形 0.92 0.049 0.06 20 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

堰上液層高度hOW，m 降液管底隙高度，m 安定區寬度Ws，m 邊緣區寬度Wc，m 開孔區面積Aa，m2 篩孔直徑d0，m 篩孔數目n 孔中心距t，m 開孔率φ，% 空塔氣速，m/s 篩孔氣速，m/s 穩定系數 每層塔板壓降?P，Pa

負荷上限

負荷下限液沫夾帶eV，（kg液/kg氣）

氣相負荷上限Vs，max，m3/s 氣相負荷下限Vs，min，m3/s

操作彈性

0.011 0.026 0.07 0.035 1.13 0.005 5801 0.015 0.01 1.39 14.81 1.951.95 552.9 液沫夾帶控制 漏液控制 0.020 2.74 0.84 3.26 12．對設計過程的評述和有關問題的討論

12．1 篩板塔的特性討論

篩板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要優點有： 結構簡單，易于加工，造價較低；

在相同條件下，生產能力比泡罩塔大20%~40%； 踏板效率較高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮閥塔； 氣體壓降較小，約比泡罩塔低30%； 但也有一些缺點，即是：

小孔篩板易堵塞，不易處理一些粘性較大或帶固體粒子的料液； 操作彈性相對較小。

本次設計中的物系是乙醇—水體系，故選用篩板塔。12．2 進料熱狀況的選取

本次設計中選用泡點進料，原因是泡點進料的操作比較容易控制，且不受季節氣溫的影響。12．3 回流比的選取

一般篩板塔設計中，回流比的選取是最小回流比的1.1~2.0倍。本次設計中，由于最小回流比比較大，故選用R?1.1Rmin。12．4 理論塔板數的確定

理論塔板數的確定有多種方法，本次設計中采用梯級圖解法求取理論塔板數。利用求得的精餾段操作線、提餾段操作線及q線，在操作線和平衡線間畫梯級得出理論塔板數，由此也得到了最佳進料位置。本次設計中求取到的理論塔板數為20塊，進料板是第17塊。12．5 操作溫度的求解

本次設計中，為計算方便，均根據其組成選取泡點溫度作為其操作溫度。12．6 溢流方式的選擇

本次設計中，由于塔徑為1.4m，不超過2.0m，可選用單溢流弓形降液管，此種溢流方式液體流徑較長，塔板效率較高，塔板結構簡單，加工方便。12．7 篩板的流體力學驗算結果討論

本次設計中，氣體通過每層塔板的壓降：?P?552.9Pa?0.7kPa； 液面落差忽略（塔徑及液流量均不大）；

液沫夾帶：eV?0.020kg液/kg氣?0.1kg液/kg氣； 穩定系數：K?1.95,且1.5?K?

2降液管內液層高度：0.136m?Hd??(HT?hW)?0.27m

綜上數據表明，本次設計的結果塔板壓降合理、液面落差的影響極小、液沫夾帶量在允許范圍內、不會發生漏液及液泛現象。12．8 塔板負荷性能圖結果討論

由本次設計所得的數據計算得出的塔板負荷性能圖如圖（c）所示，圖中A

點為本次設計中精餾塔的操作點。由圖中可看出，操作點在理論范圍內，但偏邊界位置，即該操作點并非最佳操作點，可能由于回流比取值較小導致的。

參考文獻

[1] 楊祖榮，劉麗英，劉偉 化工原理（第二版）北京：化學工業出版社，2009 [2] 劉光啟，馬連湘，邢志有 化工物性算圖手冊 北京：化學工業出版社，2002 [3] 程能林 溶劑手冊（第三版）北京：化學工業出版社，2002 [4] 賈紹義，柴誠敬 化工原理課程設計 天津：天津大學出版社，2002.8 [5] 林大鈞，于傳浩，楊靜 化工制圖 北京：高等教育出版社，2007.8 [6] 板式精餾塔的設計，太原理工大學化工學院：化工教研室

第二篇：乙醇-水分離過程連續精餾塔(直接加熱)的設計

《化工原理》課程設計

乙醇-水分離過程連續精餾塔的設計

3.乙醇-水分離過程連續精餾塔的設計

(一)設計題目：

試設計一座乙醇-水連續精餾塔提純乙醇。進精餾塔的料液含乙醇20%（質量分數，下同），其余為水；產品的乙醇含量不得低于94%；殘液中乙醇含量不得高于0.3%；要求產品乙醇的年產量為2.1萬噸/年。

(二)操作條件

1)塔頂壓力 常壓 2)進料熱狀態 自選

3)回流比 自選

4)塔底加熱蒸氣壓力 0.5Mpa（表壓）

(三)塔板類型

自選

(四)工作日

每年工作日為300天，每天24小時連續運行。

(五)設計說明書的內容

1.設計內容

(1)流程和工藝條件的確定和說明(2)操作條件和基礎數據(3)精餾塔的物料衡算；

(4)塔板數的確定；

(5)精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算；

(6)精餾塔的塔體工藝尺寸計算；

(7)塔板主要工藝尺寸的計算；

(8)塔板的流體力學驗算；

(9)塔板負荷性能圖；

(10)主要工藝接管尺寸的計算和選取（進料管、回流管、釜液出口管、塔頂蒸汽管、人孔等）

(11)塔板主要結構參數表

(12)對設計過程的評述和有關問題的討論。2.設計圖紙要求：

1)繪制生產工藝流程圖（A3號圖紙）；

2)繪制精餾塔設計條件圖（A3號圖紙）。

目 錄

1．設計方案的確定…………………………………………………………………1 2．操作條件和基礎數據……………………………………………………………1

3．精餾塔的物料衡算………………………………………………………………1

3．1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率……………………………………1

3．2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量………………………………1

3．3 物料衡算……………………………………………………………………2 4．塔板數的確定……………………………………………………………………2

4．1 理論板層數NT的求取…………………………………………………… 2 4．1．1 求最小回流比及操作回流比……………………………………… 2 4．1．2 求精餾塔的氣、液相負荷………………………………………… 3 4．1．3 求操作線方程……………………………………………………… 3 4．1．4 圖解法求理論板層數……………………………………………… 4

4．2 塔板效率的求取……………………………………………………………4

4．3 實際板層數的求取…………………………………………………………6 5．精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算……………………………………6

5．1 操作壓力計算………………………………………………………………6

5．2 操作溫度計算………………………………………………………………6

5．3平均摩爾質量的計算………………………………………………………6

5．4平均密度的計算……………………………………………………………7 5．4．1 氣相平均密度計算………………………………………………… 7 5．4．2 液相平均密度計算………………………………………………… 7

5．5 液體平均表面張力計算……………………………………………………8

5．6 液體平均粘度計算…………………………………………………………8 6．精餾塔的塔體工藝尺寸計算……………………………………………………9

6．1 塔徑的計算…………………………………………………………………9 6．1．1 精餾段塔徑的計算………………………………………………… 9 6．1．2 提餾段塔徑的計算………………………………………………… 10

6．2 精餾塔有效高度的計算……………………………………………………10

6．3 精餾塔（板式塔）的高度計算……………………………………………10 7．塔板主要工藝尺寸的計算………………………………………………………11

7．1 溢流裝置計算………………………………………………………………11 7．1．1 堰長lW……………………………………………………………… 11 7．1．2 溢流堰高度 hW …………………………………………………… 11 7．1．3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af……………………………………12 7．1．4 降液管底隙高度ho………………………………………………… 12

7．2 塔板布置……………………………………………………………………13 7．2．1 塔板的分塊……………………………………………………………13 7．2．2 邊緣區寬度確定………………………………………………………13 7．2．3 開孔區面積計算………………………………………………………13 7．2．4 篩孔計算及其排列……………………………………………………13 8．篩板的流體力學驗算……………………………………………………………13

8．1 塔板降………………………………………………………………………14 8．1．1 干板阻力hc計算…………………………………………………… 14 8．1．2 氣體通過液層的阻力hl計算…………………………………………14 8．1．3 液體表面張力的阻力hσ計算……………………………………… 14

8．2 液面落差……………………………………………………………………14

8．3 液沫夾帶……………………………………………………………………15

8．4 漏液…………………………………………………………………………15

8．5 液泛…………………………………………………………………………15 9．塔板負荷性能圖…………………………………………………………………16

9．1 漏液線………………………………………………………………………16

9．2 液沫夾帶線…………………………………………………………………16

9．3 液相負荷下限線……………………………………………………………17

9．4 液相負荷上線線……………………………………………………………17

9．5 液泛線………………………………………………………………………18 10．主要工藝接管尺寸的計算和選取…………………………………………… 20

10．1 蒸汽出口管的管徑計算……………………………………………………20

10．2 回流液管的管徑計算………………………………………………………20

10．3 進料液管的管徑計算………………………………………………………20

10．4 釜液排出管的管徑計算……………………………………………………20

10．5 人孔相關尺寸的選取………………………………………………………21 11．塔板主要結構參數表……………………………………………………………21 12．設計過程的評述及有關問題的討論……………………………………………22 參考文獻…………………………………………………………………………… 25

設計計算

1．設計方案的確定

本設計任務為分離乙醇—水混合物提純乙醇，采用連續精餾塔提純流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，回流比較大，故操作回流比取最小回流比的1.1倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。

2．操作條件和基礎數據

進料中乙醇含量（質量分數）

wF?0.20； 產品中乙醇含量（質量分數）

wD?0.94； 塔釜中乙醇含量（質量分數）

wW?0.003； 處理能力

GF?10萬噸/年； 塔頂操作壓力

常壓操作； 進料熱狀況

泡點進料； 根據上述工藝條件作出篩板塔的設計計算如下。

3．精餾塔的物料衡算

3．1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率

乙醇的摩爾質量 MA?46.07kg/kmol

水的摩爾質量 MB?18.02kg/kmol

0.20/46.07?0.0890.20/46.07?0.80/18.020.94/46.07x??0.860

D0.94/46.07?0.06/18.020.003/46.07xW??0.0010.003/46.07?0.997/18.02xF?3．2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量

MF?0.089?46.07?(1?0.089)?18.02?20.52kg/kmol

MD?0.860?46.07?(1?0.860)?18.02?42.14kg/kmolMW?0.001?46.07?(1?0.001)?18.02?18.05kg/kmol

3．3 物料衡算

每年300天，每天工作24小時，其處理量為10萬噸/年

10?104?103/(300?24)故原料液的處理量為 F??676.85kmol/h

20.52總物料衡算 676.85?D?W

乙醇的物料衡算 676.85?0.089?0.860D?0.001W 聯立解得 D?69.34kmol/h

W?607.51kmol/h

4．塔板數的確定

4．1 理論板層數NT的求取

4．1．1求最小回流比及操作回流比

【1】 乙醇-水是非理想物系，先根據乙醇-水平衡數據（見下表1），繪出平衡線，如圖（a）所示，然后由a（0.860，0.860）點出發作平衡線的切線，由于是泡點進料，此切線與q線交于d點，d點坐標為（xq,yq）。

表1 乙醇-水平衡數據

液相中乙醇摩爾分數

0.0 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 0.20

氣相中乙醇摩爾分數

0.0 0.11 0.175 0.273 0.34 0.392 0.43 0.482 0.513 0.525

液相中乙醇摩爾分數

0.25 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.894 0.95 1.0

氣相中乙醇摩爾分數

0.551 0.575 0.614 0.657.0698 0.755 0.82 0.894 0.942 1.0 2

因為xq?xF?0.089，在圖上讀出yq?0.336 于是 Rmin?取操作回流比為

R?1.1Rmin?1.1?2.124?2.336 4．1．2 求精餾塔的氣、液相負荷

L?RD?2.336?69.34?161.98kmol/hV?(R?1)D?(2.336?1)?69.34?231.32kmol/hL'?L?F?161.98?676.85?838.83kmol/hV'?V?231.32kmol/hxD?yqyq?xq?0.860?0.336?2.124

0.336?0.089

4．1．3 求操作線方程 精餾段操作線方程為 y?LD161.9869.34x?xD?x??0.860?0.700x?0.258 VV231.32231.32提餾段操作線方程為

L''W838.83'607.51x??0.001?3.626x'?0.0026

y?'x?'xW?VV231.32231.32' 3

4．1．4 圖解法求理論塔板數

采用圖解法求理論板層數，如圖（b）所示。

求解結果為：

總理論塔板數

NT?20(包括再沸器)進料板位置

第17塊板 4．2 塔板效率的求取 操作溫度計算：

?xD?0.860?由乙醇—水的氣液兩相平衡圖【1】可查得組成分別為?xF?0.089的泡點溫度：

?x?0.001?W?塔頂溫度：tD?78.5?C??進料板溫度：tF?86.5?C ?塔釜溫度：t?97.0?CW?由乙醇—水的氣液兩相平衡圖可查得：

??xA?0.860塔頂：????yA?0.860 塔頂和塔釜的氣液兩相組成為：

??xA?0.001?塔釜：???yA?0.042???頂?1.02查化工物性算圖手冊得：?

??15.2?底則塔內相對揮發度：?m??頂??底?1.02?15.2?3.94 全塔液體平均粘度的計算：

液相平均粘度的計算，即

lg?Lm??xilg?i 塔頂液相平均粘度的計算 由tD?78.5?C，查手冊【2】得：

?A?0.45mPa?s

?B?0.36mPa?s

lg?LDm?0.860lg(0.45)?0.140lg(0.36)

?s 解出

?LDm?0.44mPa塔底液相平均粘度的計算

塔釜yA?0.042

由tW?97.0?C，查手冊【3】得：

【】

?s ?A?0.34mP?s

?B?0.29mPa

lg?LWm?0.042lg(0.34)?0.958lg(0.29)

?s 解出

?LWm?0.29mPa則全塔液相平均粘度為

?Lm?(0.44?0.29)2?0.37mP?s 故

?m?Lm?3.94?0.37?1.46mP?s

查奧康內爾（o'connell）關聯圖【1】得： E0?45%

因為篩板塔全塔效率相對值為1.1【1】，故精餾塔的全塔效率為

E?1.1?E0?1.1?45%?50% 4．3 實際板層數的求取

精餾段實際板層數

N精?160.50?32 提餾段實際板層數

N提?40.50?8

5．精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算

以精餾段為例進行計算。5．1 操作壓力計算

.3kPa塔頂操作壓力

PD?101

每層塔板壓降

?P?0.7kPa

進料板壓力

PF?101.3?0.7?32?123.7kPa精餾段平均壓力

Pm?(101.3?123.7)2?112.5kPa 5．2 操作溫度計算

從乙醇—水溶液的氣液相平衡圖【1】查得個點的泡點溫度（近似看作是操作溫度）為：

塔頂溫度

tD?78.5?C

進料板溫度

tF?86.5?C

精餾段平均溫度為：tm?(78.5?86.5)2?82.5?C 5．3平均摩爾質量計算 塔頂平均摩爾質量計算

由xD?y1?0.860，查平衡曲線（見圖（b）），得

x1?0.848

MVDm?0.860?46.07?(1?0.860)?18.02?42.14kg/kmol

MLDm?0.848?46.07?(1?0.848)?18.02?41.81kg/kmol進料板平均摩爾質量計算 由圖解理論板（見圖（b）），得

yF?0.383

查平衡曲線（見圖（b）），得

xF?0.074

MVFm?0.383?46.07?(1?0.383)?18.02?28.76kg/kmo l

MLFm?0.074?46.07?(1?0.074)?18.02?20.10kg/kmo l精餾段平均摩爾質量

MVm?(42.14?28.76)2?35.45kg/kmo l

MLm?(41.81?20.10)2?30.96kg/kmo l5．4平均密度計算 5．4．1 氣相平均密度計算 由理想氣體狀態方程計算，即

?Vm?PmMVm112.5?35.45??1.35kg/m

3RTm8.314?(82.5?273.15)5．4．2 液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算，即

1?Lm??ai?i 塔頂液相平均密度的計算 由tD?78.5?C，查手冊【2】得

.0kg/m3

?B?972.7kg/m3

?A?611塔頂液相的質量分率

aA?0.860?46.07 ?0.9400.860?46.07?0.140?18.021?624.9kg/m3

0.940611.0?0.060972.7

?LDm?進料板液相平均密度的計算 由tF?86.5?C，查手冊【2】得

.0kg/m3

?B?967.6kg/m3

?A?605進料板液相的質量分率

aA?0.074?46.07 ?0.1700.074?46.07?0.926?18.021?878.1kg/m3

0.170605.0?0.830967.6

?LFm?精餾段液相平均密度為

.9?878.1)2?751.5kg/m3

?Lm?(6245．5 液體平均表面張力計算 液相平均表面張力依下式計算，即

?Lm??xi?i

塔頂液相平均表面張力的計算 由tD?78.5?C，查手冊【2】得

?A?17.3mN/m

?B?62.9mN/m

?LDm?0.860?17.3?0.140?62.9?23.7mN/m 進料板液相平均表面張力的計算 由tF?86.5?C，查手冊得

?A?16.9mN/m

?B?61.4mN/m

?LDm?0.074?16.9?0.926?61.4?58.1mN/m 精餾段液相平均表面張力為

?Lm?(23.7?58.1)2?40.9mN/m 5．6 液體平均粘度計算 液相平均粘度依下式計算，即

lg?Lm??xilg?i 塔頂液相平均粘度的計算 由tD?78.5?C，查手冊【2】得：

?s

?B?0.36mPa?s

?A?0.45mPa

lg?LDm?0.860lg(0.45)?0.140lg(0.36)

解出

?LDm?0.44mPa?s 進料板液相平均粘度的計算 由tF?86.5?C，查手冊【3】得：

??s

?【】A?0.40mPB?0.33mPa?s 1

lg?LFm?0.074lg(0.40)?0.926lg(0.33)

解出

?LWm?0.33mPa?s 精餾段液相平均粘度為

?Lm?(0.44?0.33)2?0.39mPa?s 6．精餾塔的塔體工藝尺寸計算

6．1 塔徑的計算

6．1．1 精餾段的塔徑計算 精餾段的氣、液相體積流率為

VVMVms?3600??231.32?35.4535?1.69m3/s

Vm3600?1.LLMLms?3600??161.98?30.96.5?0.0019m3/s

Vm3600?751由

u??Vmax?C?L? V式中C由式C?C???0.2【4】20?L?20??計算，式中C20由圖（史密斯關系圖）查得，圖的橫坐標為

1Lh??L?V????0.0019?3600?751.5?2h??V??1.69?3600???1.35???0.027 取板間距HT?0.40m，板上液層高度hL?0.06m，則

HT?hL?0.40?0.06?0.34m

查圖（史密斯關系圖）【4】

得

C20?0.073

???

C?C20?L??20?0.2?40.9??0.073??20??0.2?0.084

umax?0.084751.5?1.35?1.98m/s

1.35取安全系數為0.7，則空塔氣速為

u?0.7umax?0.7?1.98?1.39m/s

D?4Vs4?1.69??1.24m?u??1.39

6．1．2 提餾段的塔徑計算

提餾段塔徑計算，所需數據可從相關手冊【1，2，4】查得，計算方法同精餾段。計算結果為

D?1.003m

比較精餾段與提餾段計算結果，兩段的塔徑相差不大，圓整塔徑，取

D?1.4m 塔截面積為

AT??4D2??4?1.42?1.54m2

實際空塔氣速為

u?Vs1.69??1.10m/s AT1.546．2 精餾塔有效高度的計算 精餾段有效高度為

（N精?1）HT?(32?1)?0.4?12.4m

Z精?提餾段有效高度為

（N提?1）HT?(8?1)?0.4?2.8m

Z提?故精餾塔的有效高度為

Z?Z精?Z提?12.4?2.8?15.2m 6．3 精餾塔（板式塔）的塔高計算

實際塔板數

n?40塊；

進料板數

nF?1塊；

由于該設計中板式塔的塔徑D?1000mm，為安裝、檢修的需要，選取每8層塔板設置一個人孔【4】，故人孔數

np?5； 進料板處板間距

HF?0.5m； 設人孔處的板間距Hp?0.6m；

為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應大于板間距【4】，故選取塔頂間距

HD?1.7HT?1.7?0.40?0.68m； 塔底空間高度

HB?1.2m【4】

【5】封頭高度

H1?375mm；

裙座高度

H2?1000mm。故精餾塔的總高度為

H?(n?nF?np?1)HT?nFHF?npHp?HD?HB?2H1?H?(40?1?5?1)?0.40?1?0.50?5?0.60?0.68?1.20?2?0.375?1.00 ?20.33m7．塔板主要工藝尺寸的計算

7．1 溢流裝置計算

因為塔徑D?1.4m，一般場合可選用單溢流弓形降液管【4】，采用凹形受液盤。各項計算如下： 7．1．1 堰長lW

取

lW?0.66D?0.66?1.4?0.92m 7．1．2 溢流堰高度hW 由

hW?hL?hOW

選用平直堰，堰上液層高度hOW由下式計算，即

hOW2.84?Lh??E??? 1000?l?W?23近似取E=1，則

hOW2.84?Lh??E???1000??lW?232.84?0.0019?3600???1???10000.92??23?0.011m

取板上清液層高度

hL?60mm

故

hW?hL?hOW?0.06?0.011?0.049m 7．1．3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af 由

lW?0.66 D【4】查圖（弓形降液管的參數），得

AfAT?0.072

Wd?0.12 D故

Af?0.072AT?0.072?1.54?0.11m2Wd?0.12D?0.12?1.4?0.17m

依式??3600AfHTLh 【4】

驗算液體在降液管中停留的時間，即

3600?0.11?0.40?23.16?5s

0.0019?3600

??3600AfHTLh?故降液管設計合理。7．1．4 降液管底隙高度ho

h0?Lh3600lWu0?

?取

u0?0.08m/s 則

h0?Lh3600lWu0??0.0019?3600?0.026m

3600?0.92?0.08

hW?h0?0.049?0.026?0.023m?0.006m 故降液管底隙高度設計合理。

?選用凹形受液盤，深度hW?50mm 【4】

7．2 塔板布置 7．2．1 塔板的分塊

【4】因為D?800mm，故塔板采用分塊式。查表（塔板分塊數），D?1400mm，則塔板分為4塊。

7．2．2 邊緣區寬度確定

取

Ws?Ws??0.07m，Wc?0.035m 7．3．3 開孔區面積計算 開孔區面積Aa按下式計算，即

??r222?1xr?x?sin

Aa?2??180?x?? ?r?D1.4?(Wd?Ws)??(0.17?0.07)?0.46m 22D1.r??Wc??0.035?0.67m

22其中

x?故

Aa?2?(0.460.67?0.46?7．2．4 篩孔計算及其排列

22??0.672180sin?10.46)?1.13m2 0.67本次所處理的物系無腐蝕性，可選用??3mm碳鋼板，取篩孔直徑d0?5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為

t?3d0?3?5?15mm 篩孔數目n為

n?開孔率為

?d??0.005?

??0.907?0??0.907????10.1%

t0.015????221.155Aa1.155?1.13??5801個 22t0.015氣體通過閥孔的氣速為

u0?Vs1.69??14.81m/s A00.101?1.138．篩板的流體力學驗算

8．1 塔板壓降

8．1．1 干板阻力hc計算 干板阻力hc由下式計算，即

?u0?

hc?0.051??c???0?2??V????L??? ?【4】由d0??53?1.67，查圖（干篩孔的流量系數）得，c0?0.772

?14.81??1.35?故

hc?0.051?????0.034m液柱

0.772751.5????28．1．2 氣體通過液層的阻力hl計算 氣體通過液層的阻力hl由下式計算，即

hl??hLVs1.69??1.18m/sAT?Af1.54?0.1ua?

F0?ua?V?1.181.35?1.37kg12/(s?m12)【4】查圖（充氣系數關聯圖）得：??0.61

故

hl??hL??(hl?hOW)?0.61(0.049?0.011)?0.037m液柱 8．1．3 液體表面張力的阻力hσ計算 液體表面張力所產生的阻力hσ由下式計算，即

4?L4?40.9?10?3??0.0044m液柱

h???Lgd0751.5?9.81?0.005氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即

hp?hc?hl?h?hp?0.034?0.037?0.0044?0.075m液柱

氣體通過每層塔板的壓降為

?P?hp?Lg?0.075?751.5?9.81?552.9Pa?0.7kPa（設計允許值）8．2 液面落差

對于篩板塔，液面落差很小，且本次的塔徑（D?1.4m?2m）和液流量（Ls?0.0019m3/s）均不大，故可以忽略液面落差的影響。

8．3 液沫夾帶

液沫夾帶量由下式計算，即

ua?5.7?10???eV???

?L?HT?hf?hf?2.5hL?2.5?0.06?0.15m?63.25.7?10?6?1.18?故

eV???40.9?10?3?0.40?0.15?3.2?0.020kg液/kg氣?0.1kg液/kg氣

故在本次設計中液沫夾帶量eV在允許范圍內。8．4 漏液

對篩板塔，漏液點氣速u0，min可由下式計算，即

u0,min?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L?V

?4.4?0.772(0.0056?0.13?0.06?0.0044)?751.51.35 ?7.60m/s實際孔速u0?14.81m/s?u0,min 穩定系數為

K?u0u0,min?14.81?1.95 7.601.5?K?2故在本次設計中無明顯漏液。8．5 液泛

為防止塔內發生液泛，降液管內液層高Hd應服從下式的關系，即

Hd??(HT?hW)

【4】乙醇—水物系屬一般物系，不易發泡，故安全系數取??0.6，則

?(HT?hW)?0.6?(0.40?0.049)?0.27m 而

Hd?hp?hL?hd

板上不設進口堰，hd可由下式計算，即

?

hd?0.153(u0)2?0.153?(0.08)2?0.001m液柱

Hd?0.075?0.06?0.001?0.136m液柱0.136m?Hd??(HT?hW)?0.27m15

故在本次設計中不會發生液泛現象。

9．塔板負荷性能圖

9．1 漏液線

由

u0,min?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L?V

u0,min?Vs,min A0

hL?hW?hOW

hOW得

Vs,min23??????Lh2.84?????4.4C0A0?0.0056?0.13?hW?E??h???L?V?l?1000??W?????????4.4?0.772?0.101?1.1323???2.84???3600Ls????0.0056?0.13?0.049??1?????0.0044?751.51.351000?0.92?????????2.84?1000?Lh?E??l?? ?W?23

?0.092Ls整理得 Vs,min?9.150.007623

在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表2。

表2

Ls,m3/s

Vs,m3/s

由上表數據即可作出漏液線1。9．2 液沫夾帶線

以eV?0.1kg液/kg氣為限，求Vs—Ls關系如下：

0.0006

0.83

0.0015

0.86

0.0030

0.89

0.0045

0.92 5.7?10??ua由

eV??L??HT?hf?6?? ??3.2 16

ua?VsVs??0.70Vs

AT?Af1.54?0.11

hf?2.5hL?2.5(hW?hOW)

hW?0.049

hOW2.84?3600Ls???1???10000.92??2323?0.71Ls23

故

hf?0.12?1.78Ls

233.2HT?hf?0.28?1.78Ls

?0.70Vs5.7?10?6???eV?23??3?40.9?10?0.28?1.78Ls?23?0.1

整理得 Vs?3.12?19.85Ls

在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表3。

表3

Ls,m3/s

Vs,m3/s

由上表數據即可作出液沫夾帶線2。9．3 液相負荷下限線

對于平直堰，取堰上液層高度hOW?0.006m作為最小液體負荷標準。則

hOW取E?1，則

Ls,min?0.006?1000????2.84??20.0006

2.98

0.0015

2.86

0.0030

2.71

0.0045

2.58 2.84?3600Ls???E??1000?lW??23?0.006

0.92?0.0004m23/s 3600據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。9．4 液相負荷上限線

以??4s作為液體在降液管中停留時間的下限，由下式可得，即

??AfHTLs?4

故

Ls,max?AfHT4?0.11?0.40?0.011m3/s 4據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。9．5 液泛線

令

Hd??(HT?hW)

由

Hd?hp?hL?hd;hp?hc?hl?h?;hl??hL;hL?hW?hOW 聯立得

?HT?(????1)hW?(??1)hOW?hc?hd?h?

忽略h?，將hOW與Ls，hd與Ls，hc與Vs的關系式代入上式，并整理得

a?Vs?b??c?Ls?d?Ls 式中

a??0.051??V?2??A0c0???L??? ?2223

b???HT?(????1)hW

c??0.153(lWh0)2

?3600?

d??2.84?10?3E(1??)??l???W?23

將有關的數據代入，得

a??0.051?1.35????0.012

?0.101?1.13?0.772?2?751.5?

b??0.6?0.40?(0.6?0.61?1)?0.049?0.19

c??0.153?267.40

(0.92?0.026)223?3?3600?

d??2.84?10?1?(1?0.61)???0.92?22?1.14

23故

0.012Vs?0.19?267.40Ls?1.14Ls

或

Vs?15.83?22283.33Ls?95.00Ls

在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表4。

表4

Ls,m3/s

Vs,m3/s

由上表數據即可作出液泛線5。

根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖（c）所示。

2223

0.0006

3.89

0.0015

3.81

0.0030

3.72

0.0045

3.58

在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。由圖（c）可查得

Vs,max?2.74m3/s

Vs,min?0.84m3/s 故操作彈性為

Vs,maxVs,min?2.74?3.26 0.8410．主要工藝接管尺寸的計算和選取

10．1 蒸汽出口管的管直徑計算

由于是常壓精餾，允許氣速為12.00~20.00m/s[6]，故選取uv?16.00m/s，則

dv?4Vs4?1.69??0.37m ?uv??16.00圓整直徑為dv??377?8mm 10．2 回流管的管徑計算

冷凝器安裝在塔頂，一般流速為0.20~0.50m/s[6]，故選取uD?0.35m/s，則

dD?4Ls??uD4?0.0019?0.083m

??0.35圓整直徑為dD??89?4mm 10．3 進料管的管徑計算

由于料液是由泵輸送的，一般允許流速為1.50~2.50m/suF?2.00m/s；

[6]，故選取進料管中料液的體積流量

F??FMLFm676.85?20.10??0.0043m3/s

3600?LFm3600?878.104F???uF4?0.0043?0.052m

??2.00故

dF?圓整直徑為dF??57?3mm 10．4 釜液排出管的管徑計算

釜液流出速度一般范圍為0.50~1.00m/s[6]，故選取uW?0.80m/s； 塔底平均摩爾質量計算

由x2?xW?0.001，得：MLWm?0.001?46.07?(1?0.001)?18.02?18.05kg/kmol

塔底液相平均密度的計算 由tW?97.0?C，查手冊【2】得

.0kg/m3

?B?960.5kg/m3

?A?599塔底液相的質量分率

aA?0.042?46.07 ?0.1010.042?46.07?0.958?18.021?905.3kg/m3

0.101599.0?0.899960.?LWm?塔釜排液管的體積流量

W??WMLWm607.51?18.05??0.0034m3/s

3600?LVm3600?905.304W???uW4?0.0034?0.074m

??0.80故

dW?圓整直徑為dW??89?4mm 10．5 人孔相關尺寸的選取

由于本次設計中塔徑D?1.4m?1.0m，為安裝、檢修的需要，每隔八層塔板設置一個人孔，本次設計中實際塔板數有40塊，故要設置5個人孔。本次設計，人孔的直徑選取dR?500mm，其伸出塔體的筒體長為220mm，并且設置人孔處的板間距為600mm。

11．塔板主要結構參數表

所設計篩板的主要結果匯總于表5。

表5 篩板塔設計計算結果參數表

序 號 2 3 4 5

項

目平均溫度tm，℃平均壓力Pm，kPa 氣相流量Vs，（m3/s）液相流量Ls，（m3/s）

實際塔板數

數

值 82.5 112.5 1.69 0.0019 40 21 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

有效段高度Z，m 塔徑D，m 板間距HT，m 溢流形式 降液管形式 堰長lW，m 堰高hW，m 板上液層高度hL，m 堰上液層高度hOW，m 降液管底隙高度，m 安定區寬度Ws，m 邊緣區寬度Wc，m 開孔區面積Aa，m2 篩孔直徑d0，m 篩孔數目n 孔中心距t，m 開孔率φ，% 空塔氣速，m/s 篩孔氣速，m/s 穩定系數 每層塔板壓降?P，Pa

負荷上限

負荷下限液沫夾帶eV，（kg液/kg氣）

氣相負荷上限Vs，max，m3/s 氣相負荷下限Vs，min，m3/s

操作彈性

15.2 1.4 0.40 單溢流 弓形 0.92 0.049 0.06 0.011 0.026 0.07 0.035 1.13 0.005 5801 0.015 0.01 1.39 14.81 1.951.95 552.9 液沫夾帶控制 漏液控制 0.020 2.74 0.84 3.26 12．對設計過程的評述和有關問題的討論

12．1 篩板塔的特性討論

篩板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要優點有： 結構簡單，易于加工，造價較低；

在相同條件下，生產能力比泡罩塔大20%~40%； 踏板效率較高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮閥塔； 氣體壓降較小，約比泡罩塔低30%； 但也有一些缺點，即是：

小孔篩板易堵塞，不易處理一些粘性較大或帶固體粒子的料液； 操作彈性相對較小。

本次設計中的物系是乙醇—水體系，故選用篩板塔。12．2 進料熱狀況的選取

本次設計中選用泡點進料，原因是泡點進料的操作比較容易控制，且不受季節氣溫的影響。12．3 回流比的選取

一般篩板塔設計中，回流比的選取是最小回流比的1.1~2.0倍。本次設計中，由于最小回流比比較大，故選用R?1.1Rmin。12．4 理論塔板數的確定

理論塔板數的確定有多種方法，本次設計中采用梯級圖解法求取理論塔板數。利用求得的精餾段操作線、提餾段操作線及q線，在操作線和平衡線間畫梯級得出理論塔板數，由此也得到了最佳進料位置。本次設計中求取到的理論塔板數為20塊，進料板是第17塊。12．5 操作溫度的求解

本次設計中，為計算方便，均根據其組成選取泡點溫度作為其操作溫度。12．6 溢流方式的選擇

本次設計中，由于塔徑為1.4m，不超過2.0m，可選用單溢流弓形降液管，此種溢流方式液體流徑較長，塔板效率較高，塔板結構簡單，加工方便。12．7 篩板的流體力學驗算結果討論

本次設計中，氣體通過每層塔板的壓降：?P?552.9Pa?0.7kPa； 液面落差忽略（塔徑及液流量均不大）；

液沫夾帶：eV?0.020kg液/kg氣?0.1kg液/kg氣； 穩定系數：K?1.95,且1.5?K?

2降液管內液層高度：0.136m?Hd??(HT?hW)?0.27m

綜上數據表明，本次設計的結果塔板壓降合理、液面落差的影響極小、液沫夾帶量在允許范圍內、不會發生漏液及液泛現象。12．8 塔板負荷性能圖結果討論

由本次設計所得的數據計算得出的塔板負荷性能圖如圖（c）所示，圖中A點為本次設計中精餾塔的操作點。由圖中可看出，操作點在理論范圍內，但偏邊界位置，即該操作點并非最佳操作點，可能由于回流比取值較小導致的。

參考文獻

[1] 楊祖榮，劉麗英，劉偉 化工原理（第二版）北京：化學工業出版社，2009 [2] 劉光啟，馬連湘，邢志有 化工物性算圖手冊 北京：化學工業出版社，2002 [3] 程能林 溶劑手冊（第三版）北京：化學工業出版社，2002 [4] 賈紹義，柴誠敬 化工原理課程設計 天津：天津大學出版社，2002.8 [5] 林大鈞，于傳浩，楊靜 化工制圖 北京：高等教育出版社，2007.8 [6] 板式精餾塔的設計，太原理工大學化工學院：化工教研室

第三篇：分離食鹽和水教學設計

教學過程

一、情境導入

出示上節課留下的濃鹽水，為什么杯底有鹽呢？

（預設學生行為：一定量的水不能限地溶解食鹽，有的食鹽不能完全溶解。）

設計意圖：既復習上節課100ml水能溶解多少克食鹽所學內容，又能引出本課的學習。

二、科學探究

1.提出問題：有辦法讓這些食鹽繼續溶解嗎？（加水攪拌）2.預測推理

（1）燒杯中的食鹽完全溶解后貼上標記，放在窗臺上，會怎樣呢？（水會蒸發，食鹽還會出現在杯底。）

（2）還有辦法讓食鹽從水中分離出來嗎？（加熱水就會蒸發得快）

設計意圖：結合學生的生活經驗及前面所學知識體驗溶解在水中的食鹽還能結晶析出。3.實驗操作

（1）認識酒精燈的構造 幻燈片出示酒精燈構造圖（2）酒精燈的規范安全使用

講解并指導學生小組合作，按要求操作：平穩取放、從容點燃、外焰加熱、安全熄滅（學生對酒精燈非常有興趣，但是點燃、熄滅酒精燈時會有個別學生會害怕，講解細致耐心，小組同學會互相激勵，互相糾正使用時出現的問題，指導到位，幫助學生削除對火的恐懼）

（3）用蒸發皿加熱濃鹽水

給每組學生發放盛濃鹽水的蒸發皿，用酒精燈加熱，要注意觀察現象，也要注意安全，不要湊得太近，避免濺出物燙傷

（加熱過程中學生會比較認真地觀察到水的蒸發和食鹽顆粒的析出，會很興奮）加熱時的安全是要隨時關注的 4.得出結論

蒸發皿里的水分消失停止加熱，觀察蒸發皿里的物質是什么，與食鹽顆粒對比（學生很容易得出結論，蒸發皿里的物質是食鹽，學生會很有成就感）

三、總結收獲，拓展延伸

通過加熱蒸發濃鹽水，我們發現溶解在水里的食鹽不能通過自行沉降和過濾的方法分離，卻能用蒸發的方法從水中分離出來。

（學生對溶解的概念會有更完整的理解。學生經歷了探究的全過程，總結水到渠成）幻燈片出示人們曬鹽的圖片及文字資料，拓展本課所學知識。

第四篇：精餾塔設計心得體會

3、設計心得

通過本次設計，讓自己進一步對精餾塔的認識加深，體會到課程設計是我們所學專業課程知識的綜合應用的實踐訓練，也深深感受到做一件事，要做好是那么的不容易。

在本次設計中，我結合書本與網上的一些知識來完成了自己的課程設計。其中的設計評述、塔板結構與選型參考課本上的模板。在此次設計中雖然自己做了近兩周時間,深深體會到計算時的繁鎖。首先是對塔的操作壓強認識不足，在老師的幫助下自己很快的解決了。其次是再計算時有許多是根據老師指定數據來算的如：塔板間距、上液層高度、加熱蒸汽壓強，質量流量等，這些對于我們這些只學了一些簡單的理論知識的學生來說簡直是難上加難，以至于自己再算到這些時，算了一次又一次，才滿足了工藝要求。再次，雖然，自己經過很長時間來完成自己的設計內容的計算，一遍又遍，但還是覺得不算苦，必定有一句“千里之行，始于足下”。再完成設計內容后那就是選擇工藝流程圖，然而自己對工藝流程圖的繪制卻不知無從下手。最后，工藝流程是自己在結合書本上和老師給的參考圖形，根據我們的設計要求選擇了這個工藝流程。在確定此次工藝流程圖之后，自己也用CAD畫一遍花了一天的時間把工藝流程圖畫完。也感覺到自己CAD的不行，以后要花時間來練習。

短短的幾周課程設計，使我發現了自己所掌握的知識是真正如此的缺乏，自己綜合應用所學的專業知識能力是如此的不足，幾年來的學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會靈活綜合應用，在今后一定要不斷加強。并慶幸自己能有此次的工程設計訓練，雖然是有點苦，但讓我學習到了很多知識，也進一步的強化了自己所學的專業知識。相信此次課程設計訓練對自己的今后工作都會有一定的幫助。最后，也感謝老師給我們的幫助，給予我們這次鍛煉的寶貴機會。

4.參考文獻

1．夏清, 陳常貴.化工原理(上,下)[M], 天津大學出版社, 2005

2．申迎華, 郝曉剛.化工原理課程設計[M], 化學工業出版社, 2009

3．賈紹義, 柴誠敬.化工原理課程設計[M], 天津大學出版社, 2002

4．王紅林, 陳礪.化工設計[M], 華南理工大學出版社, 2001

第五篇：精餾塔設計心得體會

精餾塔設計心得體會

041140404 謝恒

通過本門課程設計，以下能力得到了較大的提高：

1、了解了篩板精餾塔的分離原理原理，以及篩板精餾塔的使用的注意事項。

2、培養具有綜合應用相關知識來解決測試問題的基礎理論；

3、培養在實踐中研究問題，分析問題和解決問題的能力； 我們必須堅持理論聯系實際的思想，以實踐證實理論，從實踐中加深對理論知識的理解和掌握。實驗是我們快速認識和掌握理論知識的一條重要途徑。

我們認為，在這學期的實驗中，在收獲知識的同時，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過程中，我們通過查找大量資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。

在本次設計中，我結合書本與網上的一些知識來完成了自己的課程設計。其中的設計評述、塔板結構與選型參考課本上的模板。在此次設計中雖然自己做了近兩周時間,深深體會到計算時的繁鎖。首先是對塔的操作壓強認識不足，在老師的幫助下自己很快的解決了。其次是再計算時有許多是根據老師指定數據來算的如：塔板間距、上液層高度、加熱蒸汽壓

強，質量流量等，這些對于我們這些只學了一些簡單的理論知識的學生來說簡直是難上加難，以至于自己再算到這些時，算了一次又一次，才滿足了工藝要求。

雖然，自己經過很長時間來完成自己的設計內容的計算，一遍又遍，但還是覺得不算苦，必定有一句“千里之行，始于足下”。再完成設計內容后那就是選擇工藝流程圖，然而自己對工藝流程圖的繪制卻不知無從下手。最后，工藝流程是自己在結合書本上和老師給的參考圖形，根據我們的設計要求選擇了這個工藝流程。在確定此次工藝流程圖之后，自己也用CAD畫一遍花了一天的時間把工藝流程圖畫完。也感覺到自己CAD的不行，以后要花時間來練習。