1、工学化工原理课程设计1化工原理课程设计沈阳农业大学科学技术学院 09生物工程（4） 管海彬 陈梦石 王小宁 指导老师：张良完成时间：2011.12.2 前言借此设计介绍蒸馏原理.蒸馏操作塔设计及蒸馏塔结构及其控制等 蒸馏原理:*蒸馏是把多种成分的液体,分离成各种成分的一种方式.*蒸馏是借液体被加热沸腾,沸腾后有气相和液相两种成分,两者因组成不同,故而可达到溶液之分离.蒸馏原理根据:劳氏定律和道尔顿定律利用各物质物理变化而分离,只是根据物理变化而分离液体加热汽化或气体冷凝液化,组成并没有牵涉到化学分式(化学变化).蒸汽高压,挥发度高之物质容易被先分离;通常蒸汽压高的物质，其挥发度也高，但是沸点低
2、，容易被加热而沸腾。蒸馏种类：1.不用回流之蒸馏：微分蒸馏平衡蒸馏 2.部分冷凝 3.应用回流之蒸馏：精馏（分馏） 4.特种蒸馏法：真空蒸馏气提蒸馏共沸蒸馏萃取蒸馏 5.学工业蒸馏（的方法）：闪急蒸馏。将液体混合物加热后经受一次部分汽化的分离操作。简单蒸馏。使混合液逐渐汽化并使蒸汽及时冷凝以分段收集的分离操作。精馏。借助回流来实现高纯度和高回收率的分离操作，应用最广泛。对于各组分挥发度相等或相近的混合液，为了增加各组分间的相对挥发度，可以在精馏分离时添加溶剂或盐类，这类分离操作成为特殊蒸馏，其中包括恒沸蒸馏，萃取蒸馏和的，称加盐精馏；还有在精馏时混合液各组分之间发生化反应为反应精馏。分离的方法
3、很多，比如萃取，蒸馏，离心等等，所有的方法当然都是依据物性而选择出的必将经济的方法，还有分离的难易程度，效率等等。蒸馏与蒸发的差异：蒸馏是被分离之溶液，其所有成分都能汽化，只是汽化程度不相同。如氨水溶液，原油。蒸发是溶液经加热，只有一组成分能成蒸汽，而其他仍留存着，如食盐溶液（海水）被加热煮沸，水分蒸发分离，而最后剩余食盐。目录第一部分 设计条件4第二部分 板式精馏塔的工艺计算6第三部分 塔板和塔主体工艺尺寸设计12第四部分 塔板的流动力学计算18第五部分 塔板的结构设计23第六部分 精馏塔附属设备26第七部分 设计结果汇总28第八部分 参考资料及体会32第九部分 附图见图设计条件题目：浮阀式
4、精馏塔工艺设计设计参数：1.进料液：酒精水混合物；含酒精24% (质)2.馏出液: 共23t/d，含酒精92%3.残夜 ：含酒精不超过2%4.冷却水：进口温度：25 出口温度: 78.43 5. 年产量：0.805万吨； 年工作日：n=350d; 设计方案的确定一、设计方案的内容（一）操作压力： 确定操作压力必须根据所处理的物料的 性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。 减压蒸馏：用于热敏性物料；加压蒸馏：用于低沸点物料；本次操作使用：常压蒸馏。（二）进料状态： 设计过程中可采用以下几种进料状态：泡点进料；过热进料；过冷进料。 本次设计可采用泡点进料，这样精馏段与提馏段塔径相同，在
5、设计上比较方便。（三）加热方式 在精馏操作中，有泡点进料、过热蒸汽进料、冷液进料三种形式。其中，泡点进料塔的操作比较容易控制，且不受季节气温的影响；此外，泡点进料塔，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造上比较方便。（四）热能的回收利用 蒸馏过程的特性是重复的进行汽化和冷凝，因此热热效低。 塔顶蒸汽和塔底残液都有余热可以利用，但在利用过程中要分别考虑这些热量的特点。 热泵系统的利用（五） 回流比的确定 适宜的回流比应该通过经济核算来确定，即操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比为最适宜的回流比。我们确定回流比得方法为：先求出最小回流比Rmin,根据经验取操取操作回流比为最小回流比的1.12
6、.0倍，即：R=(1.1-2.0)Rmin 二 确定设计方案的原则 总原则是在尽可能的条件下，采用科学技术的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、低耗、安全的原则。 一）满足工艺和操作的要求 流程和设备。首先必须保证产品达到要求，质量要稳定；其次，设计方案要有一定的操作弹性，流量应能在一定范围内进行调节；再次，要考虑必需装置的仪表及其装置位置。（二）满足经济上的要求（三）保证安全生产 第二部分 板式精馏塔的工艺计算（一） 物料衡算MA=46g/mol，MB=18g/mol XF= =0.11 XD= =0.8182XW= =0.008二）温度的确定进料温度，查表
7、41 tF =86.3塔顶温度，查表41 tD =78.43三）回流比的确定，过（Xd,yd）得到截距为0.35即=0.35,Rmin=1.33四）最小理论塔板数在全回流情况下作图得NminNmin=8五） 最适合回流比的确定R1.2Rmin1.5Rmin2.0Rmin2.5 Rmin1.5961.9952.663.3250.10240.222 0.363 0.461 0.5640.430O.3270.267N19.614.7812.3711.28 以R为横坐标、N为纵坐标，在图纸上根据图表所得的数据，描点并连接成曲线，做出附图2，如图，取曲线的斜线部分作为R=1.463-2.66 取R=1.
8、74六)实际塔板数的确定（一）理论塔板数的确定NT首先根据基础数据求出单位时间内的产量D=P104103/年生产天数/24其中：D馏出液质量流量 kg/h P 年产量 0.802 /万吨塔顶馏出液的平均分子量MLDg/mol MLD=MAXD+MB(1-XD)=46XD+18*(1-XD)=40.91Kg/molMFL=MAXF+MB(1-XF)=21.08kg/kmolMWL=MAXW+MB(1-XW)=18.244kg/kmol塔顶馏出液的摩尔流量D=23.43kmol/hL=DR=40.91kmol/ h V=V=V0 FXF=DXD+WXWF=D+W=23.43+162.7=186.1
9、kmol/hV=D（R+1）=64.336kmol/h L=W=L+F =227.01kmol/h其中:D馏出液的质量流量 kg/hML馏出液的平均分子量 kg /kmol D馏出液的摩尔流量 kmol/h1)精馏段操作线方程:=0.2986 =0.6358即精馏段方程为；y=0.6385x+0.29862）提馏段操作线方程： L=40.91kmol/h V=V=V0=63.34kmol/hL=W=L+F =227.01kmol/h提馏段操作线方程为: y=3.528x0.05554六）实际塔板数NP(1)粘度塔顶t1=78.43，查得u1=0.4338mpa.s进料t2=86.3， 查得u2
10、=0.3823mpa.s塔底t3=98.1，查的u3=0.29mpas平均粘度um=0.3637mpa.s(经验值)相对挥发度：塔顶:X1=0.8182 查表得y1=0.8325相对挥发度：=1.104进料 xf=0.11 查表 YF=0.4541相对挥发度：=6.73塔的最底板；XW=0.008 查表YW=0。088相对挥发度=11.9652.平均相对挥发度=4.463.计算全塔效率； =0.4352 =43 密度计算：1进料：=806-0.847tF=732.63kg/m3 ()=840.38kg/m3塔顶：=806-0.847tD=739.68 kg/m3DV=PMDV/(RTD)=10
11、1.32540.91/8.314(273+78.43)=1.418kg/m3=756.45 kg/m3塔底：乙醇=806-0.847tw=722.9 kg/m3wv=PMWV/(RTW)=101.32518.221/8.314(273+98.1)=0.598 kg/m3, WL=978.96 kg/m3tf-进料温度-进料溶质质量分率-进料溶剂质量分率tD-塔顶温度物料衡算： 物质的量流量：F、D、W、V、V,、V0、L、L, 单位：kmol/h将其换算为体积流量： m3/s1精馏段：VS=VMDV/(3600DV) 64.3141.32/(36001.43)=0.5134 m3/s LS=L
12、MDL/(3600DL)=40.9140.904/(3600756.45)=0.000614 m3/s 提馏段： VS,=V,MWV/(3600WV) =64.3420.464/(36000.0.6014)=0.6081 m3/s LS,=L,MWL/(3600WL)=227.0118.224/(3600959.7)=0.0012 m3/s物料： FS=FMF/(3600F) =186.121.08/(3600840.38)=1.296*10-3 m3/s WS=VMWL/(3600WL) =64.33618.224/(3600*978.96)=3.3210-4 m3/s V0S=V0M水/(
13、3600空气) = 64.33618.224/(3600789)=4.12710-4 m3/s四 热量衡算 ：查表得：馏分汽化潜热rD=r水XD+rB(1-XD) =846 kJ/kg；釜液汽化潜热rW=2311.47kJ/kg；汽化热rB=2311.47 kJ/kg；1加热蒸汽用量：rv,=MWV*rw=18.2241963.24=0.01757kJ/kmol QB=V,rv,=64.3360.01757=1.13 kJ/h加热蒸汽量流率：GB=V,rv,=1.13/2311.47=0.000488 kg/h2冷却用水量：rv=MDVrD=40.91846=0.0346kJ/kmolQc=V
14、rv=64.3360.0346=2.22 kJ/hTm=(t进+t出)=(30+78.43)/2=54.2查表CP=2.91 kJ/kgk固 冷却用水的质量流率GC=QC/CP(t出-t进)=2.22/2.91(78.4-30)=0.0158 kg/h第三部分 塔板和塔主体工艺尺寸设计（一）初选塔板间距： 初选空塔气速：U=1m/s 塔径： D=0.51344/（3.141）1/2=0.762m 所得的结果向上圆整取2.4m,查表得塔板间距为：HT=0.35(二) 塔径的计算；上清液层的高度hL=50 mm （hL取50到100 mm之间）1、精馏段的计算：（）(DL/DV)1/2=（0.00
15、0614/0.5134）（526.043）1/2=0.02743查图得到气体负荷参数C20= 0.06 m25时，乙醇水的表面张力1 =22.2dyn/cm=2.22*10-2N/m混合物的临界温度/kTmc=XD(273+243)+(1-XD)(273+374.2) =0.8182*(273+243)+(1-0.8182)*(273+374.2) =539.8784K2=()1/21=()1/22.2210-2=0.021N/m其中：T1 -25 T2 -塔顶温度 TM -临界温度气体负荷参数：C=C20（）0.2=0.06()0.2=0.0602m/s气速：U允许=C(DL-DV)/ DV
16、1/2=0.06143()1/2=1.4076 m/s取气速：U=(060.8)U允许U=1.26m/s塔径 D=()1/2=0.762得到的数据向上圆整的D=2.5m2提馏段设计：根据：（LS,/VS,）（WL/WV）1/2得到气体负荷参数C20=0.05225时 1=22.2 dyn/cm=2.2210-2N/mTmc=XW(273+243)+(1-XW)(273+374.2) =0.008(273+243)+(1-0.008%)(273+374.2)=646.15=（）1/2=（）1/222.2=20.84 dyn/cm=0.02 N/mC=C20()0.2 =0.065（0.02/0.
17、02）1/2=0.065 m/sU允许=C（WL-WV）/WV1/2=0.065（959.7-0.6014）/0.60141/2=2.62 m/s气速去U=（0.60.8）U允许U=2.09 m/s塔径D,=（VS,/）1/2=0.61得到的数向上圆整取D,=0.7 最终 D、D，终选最大的作为全塔塔径D=0.8,并HT=350mm hl=50mm(三)塔板布置及板上液体流程LS=0.0006143600=2.2104m/hLS,=0.0012m/s3600=4.32 m/h（LS、LS,）3600来判断塔板流程以及塔盘结构。（一）溢流装置：降液管1）降液管面积：Af=0.02713 m22）
18、精馏段液体线速度：LS/Af=0.014156 m/s0.1 m/s符合要求3)液体在降液管终停留时间：提留段：t=0.027130.35/(0.00064)= 15.463s精馏段：t=0.027130.35/(0.0012)=7.91s3s 2溢流堰 长可取D的（0.60.8）倍1）堰长LW= 0.48 m ; 堰宽Wd=0.084m; LW/Wd=0.57(在0.60.8之间) 符合要求2）溢流高度how 、堰高hw精馏段 h0w=(2.84/1000)E(Lh/LW)2/3 =（2.84/1000）12.786=0.00786m=7.86 mm其中 Lh=Ls3600 6how60可选
19、择平流堰 E-液流收缩系数、E=1 Lh-液流量m/h hw-堰上液流高度 m how-堰高 hL-板上清液层高度降液管底部与下一板间距离ho:Hw-ho=6-12mm （五）受液盘受液盘有平型与凹型两种。D300mm的塔，一般采用凹型受液盘，其对于改变液体流向具有缓冲作用，在流量较低的情况下仍可保持良好的液封。对于容易聚合的液体或含有固体悬浮物的液体，为了避免形成死角，应采用平型受液盘。（六）安定区与边缘区1）安定区 宽度WS在70100mm2）安定区出口堰高hw在 70100mm3）边缘区入口堰4070mm（七）鼓泡去阀孔分布1、阀孔孔径 按JB118-68选F1型浮阀，孔径39mm2、板
20、上浮阀数与开孔率 （Fo）c=912 取（Fo）c=11 （Fo）c-阀孔临界动态因数a 精馏段（UO）C=11/(1.438)1/2=9.17m/s（UO）C-临界阀孔气速常压下UO=（UO）C开孔数n=46.89d-阀孔孔径0.039m开孔率1.022/8.976=0.087=11.62U-孔塔气速Uo-临界阀孔气速B 提留段（UO,）C=9/(0.6014)1/2=11.6054m/sn=4*0.6081/（0.0392*11.6054*3.14）=43.883、阀孔排列采用叉排，按等腰三角形排列阀孔间距t=100mm，等腰三角形高h=85mm第四部分 塔板的流体力学计算（一）气相通过塔
21、板的压降1、干板压降hc阀全开前hc=19.9UO0.175/ -阀全开后hc=UO2/(2*g) -由上面两式的到UO= a、精馏段 UO,= =8.61m/s hc=(UO2/2g)( DV/DL) =8.7962/（2*9.8）（1.438/756.45）= 0.0402m b、提留段UO,=73.1/pv1/1.825 =73.1/0.6014）1/1.925=13.878 m/s hc,=(UO2/2g)( wv/wl)=0.03172m2、塔板上液层有效阻力hi:Hi=hf=0.5(hw+how)=0.5（42.14+7.86）=25mma)精馏段0.5hl=2.5mmb)提留段0
22、.5hl，=37.5mm3）塔底压力ht ht=hc+hfa精馏段 ht= hc+hf=0.0402+0.025=0.0652m压降PD=DLght=756.459.810.0652=483.83paa) 提留段ht,= hc+hf=0.03172+0.0375=0.0692压降PW=wLght,=959.79.810.0692=586.51pa塔底压力PW=PO+NDPD +NWPW=101.325+18483.83+2586.51=9983.31pa=9.9831kPaND ，WD -精馏段，提留段塔板数(二）降液管内液层高度1、精馏段 hd=0.153*ls/(lwho)2=0.153（
23、0.000614）/(0.40.025)2=0.0004m=4mmhd-液体流出降液管的压降清液层高度Hd=hw+how+ht+hd =0.0652+0.0004+0.05=0.1156m要求 Hd0.5（Ht+hw）2)提留段 hd=0.153ls,/(lwho)2 =0.153(0.00012)/(0.480.025)2 =1.53mm清液层高度 Hd= hw+how+ht+hd 69.2+60+1.53=145.7mm要求：hd0.5(Ht+hw)（三）液沫夹带液相流程：Z=D-2Wd=0.8-2*0.084=0.632m气相负荷因数：CV=VSDV/(DL-DV)1/2 =0.5134
24、1.418/(756.45-1.418)1/2=0.022正常系统无泡沫去K=1；泛点因数负荷查图：CF=0.085；板上液流面积：Ab=AT-2Af=0.5024-20.02713=0.4481m2公式：F1=(100CV+136LSZ)/(AbKCF)=0.427或：F1,=100CV/(6.78ATKCF) =42.7%F1-泛点率(四）负荷性能图 1)气相下降操作线（1线）；当阀孔动能因数Fo为56时，泄漏量为10，可作为确定气相负荷下限值的依据：取Fo=UO(DV)1/22=5Uom=5.5/(DV)1/2= 0.3156 2)过量液沫夹带线（2线）；F1=70时，e=0.1kg液/
25、kg气；由F1=(100CV+136LSZ)/(AbKCF)=31.3CV=DV/(DL-DV)1/2=0.022VS=(700.448110.085-136*2.210410-30.632)/(1000.022)=1.125 3)液相下限线（3线）；对平堰取堰上液流高度how作为液相负荷下限条件；Ls=lw(1000how/2.84)3/2/3600=0.48(10000.006/2.84)3/2/3600=0.00041m3/s 4)液相上限线（4线）；根据液相在降液管终停留时间的要求取=5LS=AfHT/=0.02730.35/4=0.002374m/s5)夜泛线（5线）；a=1.881
26、105*b=HT+(-1.5)hw =0.50.35+（0.5-1.5）0.055=0.1123c=0.153/(lwho)2=0.153/(1.50.045)2=33.58md=1.5E0.667/(lw0.667)=1.632aVS2=b-CLS2-dLS2/3在负荷性能图上，通过坐标原点，做操作线OAB五 塔板的结构设计（一）塔板结构；1）D800m分6块，塔板厚度=3mm；A 矩形板:B 通道板：C 弓形板：2）受液盘结构：平型或者凹型；（本次实验选择凹型）3）降液板结构：降液板长度就是堰长lw=1.5m4)支撑板和支撑圈结构；要求是：支撑板厚度、宽度、材料5）紧固件结构；A 龙门契子
27、承固件；B 螺纹卡级紧固件；本次试验使用的是契子承固件，因其结构简单，装拆方便，不需要特殊钢材；（二）接管结构；1、进料管： 采用泵动进料，液体流速UF=2.0m/s；dF= =(1.0897*4)/(3.14* 2.0*894.43)1/2=0.02786=27.86m经圆整，进料管径dF=27.86mm 外径D=38mm 厚度=3.5mm2、回流管： 回流管采用重力回流UL=1.5m/s;dL = =0.4649*4/(3.14*1.5*756.45) =0.02285m=22.85mm查表，取dl =32mm 壁厚=3.5mm3、塔釜出液量； UW=0.8m/s dw = =0.8235
28、*4/(3.14*0.8*959.7)1/2=0.03696m=39.6mm查表，取45*3.5mm4、进液管； U=15.26m/s； d=0.5134*4/(3.14*18)1/2 =0.191=191mm查表取219*6mm（三）塔孔、封头及人孔； 1、塔体；查表得，塔体公称直径，筒体壁厚，材料，2、封头；查表材料，厚度，查表重量； 公称直径 曲面高度 直边高度 内表面积容积Dgh 1h 2FV2400mm600mm50mm6.6m22.05m3 3、人孔；每隔9块板开一个人孔，人孔处两板间距为800mm； （四）支座；1、座体，查表座体厚度SG基础环厚度S环地脚螺栓个数及公称直径4.9mm11.7mm12-27将结果圆整，SG= 5mm S环= 12mm 2、基础环，查表；螺栓尺寸， 3、螺栓座，查表；螺栓直径； 4、管孔，查表，选圆形人孔，（5）个；引出管道孔：(五) 补强圈； 查表：接管公称直径17580500125接管外径19489530133补强圈内径19893534137补强圈外径360160840250
