化工原理课程设计设计题目乙醇-水筛板精馏塔设计学生姓名学号班级指导教师设计时间2015年5月1日~6月22日完成时间2015年6月23日于徐州目录一、总论 (4)1.1概述 (4)1.2文献综述 (4)1.2.1板式塔类型 (4)1.2.2筛板塔 (4)1.3设计任务书 (5)1.3.1设计题目 (5)1.3.2设计条件 (5)1.3.3设计任务 (5)二、设计思路 (5)三、工艺计算 (6)3.1 平均相对挥发度的计算 (6)3.2绘制t-x-y图及x-y图 (7)3.3 全塔物料衡算 (8)3.3.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (8)3.3.2 平均摩尔质量 (9)3.3.3全塔物料衡算： (9)进料量： (9)3.4最小回流比的计算和适宜回流比的确定 (9)3.4.1最小回流比 (9)3.4.2 确定最适操作回流比R (10)3.5 图解法求理论板数及加料板位置 (11)3.5.1精馏段和提馏段操作线方程的确定 (11)3.5.2 理论板数及加料板位置 (12)3.6 实际板数及加料板位置确定 (13)四、塔板结构设计 (13)4.1气液体积流量 (13)4.1.1 精馏段的气液体积流量 (13)4.1.2 提馏段的气液体积流量 (15)4.2 塔径计算 (16)4.2.1 塔径初步估算 (16)4.2.2校核HT与D的范围 (18)4.3 塔高的计算 (18)4.4 塔板结构设计 (19)4.4.1塔板结构尺寸的确定 (19)4.4.2 弓形降液管 (20)4.4.3 塔盘布置 (21)4.4.4开孔面积计算 (21)4.4.5筛板的筛孔和开孔率 (22)4.5塔板流体力学校核 (22)4.5.1 塔板阻力 (22)4.5.2液面落差 (24)4.5.3 液沫夹带量校核 (25)4.5.4严重漏液校核 (25)4.5.6降液管溢流液泛校核 (25)4.6 塔板性能负荷图 (26)4.6.1漏液线 (27)4.6.2 液沫夹带线 (27)4.6.3液相负荷下限线 (27)4.6..4液相负荷上限线 (28)4.6.5液泛线 (28)五、换热器 (29)5.1 换热器的初步选型 (29)5.1.1塔顶冷凝器 (29)5.1.2塔底再沸器 (29)5.2 塔顶冷凝器的设计 (29)六、精馏塔工艺条件 (31)6.1塔体总高 (31)6.2 精馏塔配管尺寸的计算 (32)6.2.1塔顶汽相管径dp (32)6.2.2回流液管径dR (32)6.2.3 加料管径dF (33)6.2.4釜液排出管径dw (33)6.2.5再沸器返塔蒸汽管径dv’ (33)6.3精馏塔工艺尺寸 (34)七、塔板结构设计结果 (35)八、符号说明 (35)九、结束语 (36)一、总论1.1概述化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物。
其中大部分是均相混合物。
生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。
精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作。
在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。
精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂）。
使气、液两相多次直接接触和分离。
利用液相混合物中各组分挥发度的不同。
使易挥发组分由液相向气相转移。
难挥发组分由气相向液相转移。
实现原料混合液中各组分的分离。
该过程是同时进行传质、传热的过程。
在本设计中我们使用筛板塔。
筛板塔的突出优点是结构简单造价低。
合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性。
而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。
筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一。
五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。
近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。
为减少对传质的不利影响。
可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。
筛板塔多用不锈钢板或合金制成。
使用碳钢的比率较少。
它的主要优点是：结构简单。
易于加工。
造价为泡罩塔的60左右。
为浮阀塔的80%左右；在相同条件下。
生产能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率较高。
比泡罩塔高15%左右。
但稍低于浮阀塔；气体压力降较小。
每板降比泡罩塔约低30%左右。
缺点是：小孔筛板易堵塞。
不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约2～3）。
蒸馏是分离均相混合物的单元操作。
精馏是最常用的蒸馏方式。
是组成化工生产过程的主要单元操作。
精馏是典型的化工操作设备之一。
进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练。
为以后从事设计工作打下坚实的基础。
1.2文献综述1.2.1板式塔类型气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。
精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S 型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。
目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，先以筛板精馏塔为主体进行设计。
1.2.2筛板塔筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：（1）、结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。
（2）、处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。
（3）、塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
（4）、压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。
筛板塔的缺点是：（1）、塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
（2）、操作弹性较小(约2～3)。
（3）、小孔筛板容易堵塞1.3设计任务书1.3.1设计题目乙醇-水筛板精馏塔设计1.3.2设计条件①常压p=1atm（绝压）。
②原料来自粗馏塔，露点进料，进料组成23%乙醇（质量分数）③塔顶浓度为含乙醇92.41%（质量分数）的乙醇，产量为30吨/天；④塔釜采用饱和蒸汽直接加热，从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于0.3%（质量分数）；⑤塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比R=1.1~2.0Rmin；⑥公用工程：循环冷却水：进口温度32℃，出口温度38℃；导热油：进口温度260℃，出口温度250℃⑦厂址：徐州地区1.3.3设计任务1、完成该精馏塔的工艺设计，包括辅助设备及进出口管路的计算和选型；2、画出带控制点工艺流程图、x~y相平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图；3、写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。
二、设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。
因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。
气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。
液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。
塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。
最终，完成乙醇和水的分离。
乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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(附流程图)。
图1 流程示意图三、工艺计算3.1 平均相对挥发度的计算由相平衡方程 xxy )1(1-+=αα （1-1）得： )1()1(--=y x x y α （1-2）查阅相关资料，常压下乙醇和水的气液平衡数据如下表表1 常温常压下乙醇-水的平衡数据x 0.180 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 y 0.510 0.525 0.551 0.575 0.595 0.610 x 0.450 0.500 0.550 0.600 0.650 0.700 y 0.6350.6570.6780.6900.7250.755由道尔顿分压定律 y i P P = B B AA BA i x P x P V V ==α （1-3） 得 )1()1(A A A A B A B A i x x y y x x y y --==α （1-4）将上表数据代入得：序号 12345α 3.6815 3.1569 2.7254 2.3501 2.1263 序号 678910 α1.91551.72281.54081.41961.3207则 04.3...1010321==ααααα3.2绘制t-x-y 图及x-y 图表2乙醇—水系统t —x —y 数据沸点t/℃ 乙醇摩尔数/% 沸点t/℃ 乙醇摩尔数/% 气相 液相 气相 液相 99.9 0.004 0.053 82 27.3 56.44 99.8 0.04 0.51 81.3 33.24 58.78 99.7 0.05 0.77 80.6 42.09 62.22 99.5 0.12 1.57 80.1 48.92 64.70 99.2 0.23 2.90 79.85 52.68 66.28 99.0 0.31 3.725 79.5 61.02 70.29 98.75 0.39 4.51 79.2 65.64 72.71 97.65 0.79 8.76 78.95 68.92 74.69 95.8 1.61 16.34 78.75 72.36 76.93 91.3 4.16 29.92 78.6 75.99 79.26 87.9 7.41 39.16 78.4 79.82 81.83 85.2 12.64 47.49 78.27 83.87 84.91 83.75 17.41 51.67 78.2 85.97 86.40 82.325.7555.7478.1589.4189.41根据上面表中的数据绘制乙醇-水的t-x-y 相图，如下：图2 乙醇-水相图3.3 全塔物料衡算查阅相关文献，整理有关物性参数表3 乙醇-水物性参数项目数值年处理原料能力 F=3000t/a质量分数 ωF =0.23 ωD =0.9241 ωW =0.003 分子量M 乙醇=46.07kg/kmol M 水=18.01kg/kmol3.3.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F ：进料量（kmol/h ） F x ：原料组成（摩尔分数。
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