分離乙醇和水的混合物課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　概述……………………………………………………………………… 3</p><p>　　塔設(shè)備的類型……………………………………………………………………3</p><p>　　板式塔與填料塔的比較及選型…………………………………………………3</p><p>　

2、　1.2.1 板式塔與填料塔的比較及選型…………………………………………3</p><p>　　1.2.2 塔設(shè)備的選型……………………………………………………………4</p><p>　　第二章 設(shè)計任務(wù)……………………………………………………………………5</p><p>　　2.1 設(shè)計摘要………………………………………………………………… 5</p

3、><p>　　2.2 設(shè)計任務(wù)及條件………………………………………………………… 6</p><p>　　2.3 設(shè)計任務(wù)書……………………………………………………………… 6</p><p>　　第三章 設(shè)計方案簡介………………………………………………………………8</p><p>　　3.1 設(shè)計方案的確定……………………………………

4、………………………… 8</p><p>　　3.1.1 裝置流程的確定……………………………………………………… 8</p><p>　　3.1.2 操作壓力的選擇……………………………………………………… 8</p><p>　　3.1.3 進料狀況的選擇……………………………………………………… 9</p><p>　　3.1.4

5、 加熱方式的選擇……………………………………………………… 9</p><p>　　3.1.5 回流比的選擇………………………………………………………… 9</p><p>　　3.2 塔板的類型與選擇…………………………………………………………… 9</p><p>　　3.2.1 塔板的類型…………………………………………………………… 9</p&

6、gt;<p>　　3.2.2 塔板的選擇……………………………………………………………11</p><p>　　第四章 浮閥塔精餾工藝設(shè)計…………………………………………………… 11</p><p>　　4.1 工藝計算………………………………………………………………………11</p><p>　　4.1.1 全塔物料衡算…………………………

7、………………………………11</p><p>　　4.1.2 Rmin的確定…………………………………………………………… 12</p><p>　　4.1.3 塔板數(shù)的確定 ……………………………………………………… 14</p><p>　　4.2 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算…………………………………19</p><p>

8、　　4.2.1 操作壓力………………………………………………………………19</p><p>　　4.2.2 操作溫度………………………………………………………………19</p><p>　　4.2.3 平均摩爾質(zhì)量…………………………………………………………20</p><p>　　4.2.4 平均密度………………………………………………………………21&

9、lt;/p><p>　　4.2.5 液體平均表面張力計算………………………………………………22</p><p>　　4.3 精餾塔的塔體工藝尺寸計算…………………………………………………24</p><p>　　4.3.1 塔徑的計算……………………………………………………………24</p><p>　　4.3.2 精餾塔有效高度的計算

10、………………………………………………27</p><p>　　4.3.3 塔高的計算……………………………………………………………27</p><p>　　4.4 塔板主要工藝尺寸的計算……………………………………………………28</p><p>　　4.4.1 溢流裝置計算…………………………………………………………28</p><p&g

11、t;　　4.4.2 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列…………………………………………31</p><p>　　4.5 塔板流體力學驗算……………………………………………………………33</p><p>　　4.5.1 氣相通過浮閥塔板的壓降……………………………………………33</p><p>　　4.5.2 淹塔……………………………………………………………………

12、34</p><p>　　4.5.3 霧沫夾帶………………………………………………………………35</p><p>　　4.6 塔板負荷性能圖………………………………………………………………37</p><p>　　4.6.1 霧沫夾帶線……………………………………………………………37</p><p>　　4.6.2 液泛線…………

13、………………………………………………………38</p><p>　　4.6.3 液相負荷上限線………………………………………………………39</p><p>　　4.6.4 漏液線…………………………………………………………………39</p><p>　　4.6.5 液相負荷下限線………………………………………………………40</p><p

14、>　　工藝設(shè)計計算結(jié)果與主要符號說明……………………………………………… 44</p><p>　　主要參考文獻……………………………………………………………………… 46</p><p>　　課程設(shè)計心得……………………………………………………………………… 46</p><p><b>　　第一章 概述</b></p>

15、<p>　　1.1 塔設(shè)備的類型</p><p>　　塔設(shè)備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。</p><p>　　板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上的液層，進行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。&

16、lt;/p><p>　　填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流向上（有時也采用并流向下）流動，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作狀況下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，氣相組成呈連續(xù)變化，屬微分接觸逆流操作過程。</p><p>　　1.2 板式塔與填料塔的比較及選型</p><p>　　1.2.1 板式塔與填料塔的比較</p&g

17、t;<p>　　工業(yè)上評價塔設(shè)備的性能指標主要有以下幾個方面：生產(chǎn)能力；分離效率；塔壓降；操作彈性；結(jié)構(gòu)、制造及造價等。現(xiàn)就板式塔與填料塔的性能比較如下：</p><p><b>　　生產(chǎn)能力</b></p><p>　　板式塔與填料塔的液體流動和傳質(zhì)機理不同。板式塔的傳質(zhì)是通過上升氣體穿過板上的液層來實現(xiàn)的，塔板的開孔率一般占塔截面積的7%~10%；而

18、填料塔的傳質(zhì)是通過上升氣體和靠重力沿填料表面下降的液體接觸實現(xiàn)。填料塔內(nèi)件的開孔率通常在50%以上，而填料層的空隙率則超過90%，一般液泛點較高，故單位塔截面積上填料塔的生產(chǎn)能力一般均高于板式塔。</p><p><b>　　分離效率</b></p><p>　　一般情況下，填料塔具有較高的分離效率。工業(yè)上常用填料塔每米理論級為2~8級。而常用的板式塔，每米理論板最多

19、不超過2級。研究表明，在壓力小于0.3MPa時，填料塔的分離效率明顯優(yōu)于板式塔，在高壓下，板式塔的分離效率略優(yōu)于填料塔。</p><p><b>　　塔壓降</b></p><p>　　填料塔由于空隙率高，故其壓降遠遠小于板式塔。一般情況下，板式塔每個理論級的壓降為0.4~1.1kPa，填料塔為0.01~0.27kPa。通常，板式塔的壓降高于填料塔5倍左右。壓降低不僅

20、能降低操作費用，節(jié)約能耗，對于精餾過程，還可使塔釜溫度降低，有利于熱敏性物系的分離。</p><p><b>　　操作彈性</b></p><p>　　一般來說，填料本身對氣液負荷變化的適應(yīng)性很大，故填料塔的操作彈性取決于塔內(nèi)件的設(shè)計，特別是液體分布器的設(shè)計，因而可根據(jù)實際需要確定填料塔的操作彈性。而板式塔的操作彈性則受到塔板液泛、液沫夾帶及降液管能力的限制，一般操作

21、彈性較小。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)、制造及造價等</b></p><p>　　一般來說，填料塔的結(jié)構(gòu)較板式塔簡單，故制造、維修也較為方便，但填料塔的造價通常高于板式塔。</p><p>　　應(yīng)予指出，填料塔的持液量小于板式塔。持液量大，可使塔的操作平穩(wěn)，不易引起產(chǎn)品的迅速變化，故板式塔較填料塔更易于操作。板式塔容易實現(xiàn)側(cè)線進料和出料，

22、而填料塔對側(cè)線進料和出料等復(fù)雜情況不太適合。對于比表面積較大的高性能填料，填料層容易堵塞，故填料塔不宜直接處理有懸浮物或容易聚合的物料。</p><p>　　1.2.2塔設(shè)備的選型</p><p>　　工業(yè)上，塔設(shè)備主要用于蒸餾和吸收傳質(zhì)單元操作過程。傳統(tǒng)的設(shè)計中，蒸餾過程多選用板式塔，而吸收過程多選用填料塔。近年來，隨著塔設(shè)備設(shè)計水平的提高及新型塔構(gòu)件的出現(xiàn)，上述傳統(tǒng)已逐漸打破。在蒸餾過

23、程中采用填料塔及在吸收過程中采用板式塔已有不少應(yīng)用范例，尤其是填料塔在精餾過程中的應(yīng)用已非常普遍。</p><p>　　對于一個具體的分離過程，設(shè)計中選擇何種塔型，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)能力、分離效率、塔壓降、操作彈性等要求，并結(jié)合制造、維修、造價等因素綜合考慮。例如，</p><p>　　（1）對于熱敏性物系的分離，要求塔壓降盡可能低，選用填料塔較為適宜；</p><p>　

24、?。?）對于有側(cè)線進料和出料的工藝過程，選用板式塔較為適宜；</p><p>　?。?）對于有懸浮物或容易聚合物系的分離，為防止堵塞，宜選用板式塔；</p><p>　?。?）對于液體噴淋密度極小的工藝過程，若采用填料塔，填料層得不到充分潤濕使其分離效率明顯下降，故宜選用板式塔；</p><p>　　（5）對于易發(fā)泡物系的分離，因填料層具有破碎泡沫的作用，宜選用填料

25、塔。</p><p><b>　　第二章 設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計摘要</b></p><p>　　今采用一F1型浮閥塔進行乙醇-水二元物系的精餾分離，要求乙醇的生產(chǎn)能力為3000t/年，塔頂溜出液中乙醇濃度不低于94%，殘液中乙醇含量小于3%。原料液中含乙醇為40%，其余為水（以上均

26、為質(zhì)量分數(shù)）。且精餾塔頂壓力為4KPa（表壓），單板壓降≤0.7KPa。</p><p>　　本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇和水的混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用常壓下的連續(xù)精餾裝置。本設(shè)計采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器（再沸器）加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲罐。該物系屬不分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.6

27、倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，釜底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。</p><p>　　2.2 設(shè)計任務(wù)和條件</p><p>　　（1) 原料液含乙醇40％（質(zhì)量分數(shù)，下同），其余為水。</p><p>　?。?）產(chǎn)品乙醇含量不低于94％。</p><p>　?。?）殘液中乙醇含量小于3％。</p><p>　　（4）生產(chǎn)能力為

28、年產(chǎn)3000t的乙醇產(chǎn)品。</p><p><b>　?。?）操作條件</b></p><p>　　精餾塔的塔頂壓力 4kPa（表壓）</p><p>　　進料狀態(tài) 泡點進料</p><p>　　回流比 R=1.6Rmin</p><p

29、>　　加熱蒸汽壓力 101.33kPa（表壓）</p><p>　　單板壓降 不大于0.70kPa（表壓）</p><p>　　(6) 設(shè)備型式為浮閥塔（F1型）。</p><p>　?。?）廠址位于鹽城地區(qū)。</p><p>　?。?）設(shè)備工作日為300天/年，24h連續(xù)運行。</p&

30、gt;<p>　?。?）鹽城地區(qū)夏天水溫為16~18℃。</p><p>　?。?0）鹽城當?shù)卮髿鈮簽?01.4kPa。</p><p>　　2.3 設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　鹽城師范學院化工原理課程設(shè)計任務(wù)</p><p>　　第三章 設(shè)計方案簡介</p><p>　　3.1 設(shè)計方案的

31、確定</p><p>　　3.1.1 裝置流程的確定</p><p>　　蒸餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器，蒸餾釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過程按操作方式的不同，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾兩種流程。連續(xù)蒸餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主。間歇蒸餾具有操作靈活、適應(yīng)性強等優(yōu)點，適合于小規(guī)模、多品種或多組分物系的初步分離。</p>

32、<p>　　蒸餾通過物料在塔內(nèi)的多次部分氣化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時應(yīng)考慮余熱的利用。譬如，用原料作為塔頂產(chǎn)品（或釜液產(chǎn)品）冷卻器的冷卻介質(zhì)，既可將原料預(yù)熱，又可節(jié)約冷卻介質(zhì)。</p><p>　　另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波動的影響

33、。</p><p>　　塔頂冷凝裝置可采用全冷凝器、分凝器兩種不同的設(shè)置。工業(yè)上采用全冷凝器為主，以便于準確地控制回流比。塔頂分凝器對上升蒸氣有一定的增濃作用，若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則宜用分凝器。</p><p>　　總之，確定流程時要較全面、合理地兼顧設(shè)備、操作費用、操作控制及安全諸因素。</p><p>　　3.1.2操作壓力的選擇</p>&l

34、t;p>　　蒸餾過程按操作壓力不同，分為常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般地，除熱敏性物系外，凡通過常壓蒸餾能夠?qū)崿F(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將鎦出物冷凝下來的物系，都應(yīng)采用常壓蒸餾；對熱敏性物系或者混合物泡點過高的物系，則宜采用減壓蒸餾；對常壓下鎦出物冷凝溫度過低的物系，需提高塔壓或者采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)的物系必須采用加壓蒸餾。例如苯乙烯常壓沸點為145.2℃，而將其加熱到102℃以上就會發(fā)生聚合，

35、故苯乙烯應(yīng)采用減壓蒸餾；脫丙烷塔操作壓力提高到1765kPa時，冷凝溫度約為50℃，便可用江河水或者循環(huán)水進行冷卻，則運轉(zhuǎn)費用減少；石油氣常壓呈氣態(tài)，必須采用加壓蒸餾。</p><p>　　3.1.3進料狀況的選擇</p><p>　　蒸餾操作有五種進料熱狀況，進料熱狀況不同，影響塔內(nèi)各層塔板的氣、液相負荷。工業(yè)上多采用接近泡點的液體進料和飽和液體（泡點）進料，通常用釜殘液預(yù)熱原料。若工藝

36、要求減少塔釜的加熱量，以避免釜溫過高，料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦，則應(yīng)采用氣態(tài)進料。</p><p>　　3.1.4加熱方式的選擇</p><p>　　蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時也可采用直接蒸汽加熱，例如釜殘液中的主要組分是水，且在低濃度下輕組分的相對揮發(fā)度較大時（如乙醇與水混合液）宜用直接蒸汽加熱，其優(yōu)點是可以利用壓力較低的加熱蒸汽以節(jié)省操作費用，并省掉間接加熱設(shè)備。但由于直接蒸

37、汽的加入，對釜內(nèi)溶液氣一定稀釋作用，在進料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)較低，故需要在提留段增加塔板以達到生產(chǎn)要求。</p><p>　　3.1.5回流比的選擇</p><p>　　回流比是精餾操作的重要工藝條件，其選擇的原則是使設(shè)備費和操作費用之和最低。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際需要選定回流比，也可參考同類生產(chǎn)的經(jīng)驗值選定。必要時可選用若干個R值，利用吉列蘭圖（簡捷法）求出

38、對應(yīng)理論板數(shù)N，作出N-R曲線，從中找出適宜操作回流比R，也可作出R對精餾操作費用的關(guān)系線，從中確定適宜回流比R。</p><p>　　3.2 塔板的類型與選擇</p><p>　　3.2.1塔板的類型</p><p>　　塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯流式塔板和逆流式塔板兩類，工業(yè)以錯流式塔板為主，常用的錯流式塔板主要有以下幾種。</p><p

39、><b>　　1. 泡罩塔板</b></p><p>　　泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要元件為升氣管及泡罩。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，國內(nèi)應(yīng)用較多的是圓形泡罩。泡罩尺寸分為80mm、100mm、150mm三種，可根據(jù)塔徑的大小選擇。通常塔徑小于1000mm，選用80mm的泡罩；塔徑大于2000mm，選用150mm的泡罩。泡罩塔板的主要優(yōu)點是操作彈性較大，液氣比范

40、圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。近年來，泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔版所取代。在設(shè)計中除特殊需要（如分離粘度大、易結(jié)焦等物系）外一般不宜選用。</p><p><b>　　2. 篩孔塔板</b></p><p>　　篩孔塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點為塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大

41、小，分為小孔徑篩板（孔徑為3~8mm）和大孔徑篩板（孔徑為10~25mm）兩類。工業(yè)應(yīng)用中心以小孔徑篩板為主，大孔徑多用于某些特殊場合（如分離粘度大、易結(jié)焦的物系）。</p><p>　　篩板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；板上頁面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點是篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。</p><p>　　應(yīng)予指出，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但

42、若設(shè)計和操作不當，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降，故過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹慎。近年來，由于設(shè)計和控制水平的不斷提高，可使篩板的操作非常精確，彌補了上述不足，故應(yīng)用日趨廣泛。在確保精確設(shè)計和采用先進控制手段的前提下，設(shè)計中可大膽選用。</p><p><b>　　3. 浮閥塔板</b></p><p>　　浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸

43、收了兩種塔板的優(yōu)點。</p><p>　　其結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個可以上下浮動的閥片。氣流從浮閥周邊水平地進入塔板上液層，浮閥可根據(jù)氣流流量的大小而上下浮動，自行調(diào)節(jié)。浮閥的類型很多，國內(nèi)常用的有F1型、V-4型及T型等，其中以F1型浮閥應(yīng)用最為普遍。</p><p>　　浮閥塔板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化

44、自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時間較長，故塔板效率較高。其缺點是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。</p><p>　　3.2.2 塔板的選擇</p><p>　　應(yīng)予指出，以上介紹的僅是幾種較為典型的浮閥形式。由于浮閥具有生產(chǎn)能力大，操作彈性大及塔板效率高等優(yōu)點，且加工方便，故有

45、關(guān)浮閥塔板的研究開發(fā)遠較其他型式的塔板廣泛，是目前新型塔板研究開發(fā)的主要方向。近年來研究開發(fā)出的新型浮閥有船型浮閥、管型浮閥、梯形浮閥、雙層浮閥、V-V浮閥、混合浮閥等，其共同的特點是加強了流體的導向作用和氣體的分散作用，使氣液兩相的流動更趨于合理，操作彈性和塔板效率得到進一步的提高。但應(yīng)指出，在工業(yè)應(yīng)用中，目前還多采用F1型浮閥已有系列化標準，各種設(shè)計數(shù)據(jù)完善，便于設(shè)計和對比。而采用新型浮閥，設(shè)計數(shù)據(jù)不夠完善，給設(shè)計帶來一定的困難，但

46、隨著新型浮閥性能數(shù)據(jù)的不斷發(fā)表及工業(yè)應(yīng)用的增加，其設(shè)計數(shù)據(jù)會逐步完善，在有較完善的數(shù)據(jù)下，設(shè)計中可選用新型浮閥。</p><p>　　第四章 浮閥塔精餾工藝設(shè)計</p><p><b>　　工藝計算</b></p><p>　　4.1.1全塔物料衡算</p><p>　　原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)如下。<

47、/p><p>　　乙醇的摩爾質(zhì)量MA=46kg/kmol,水的摩爾質(zhì)量MB=18kg/kmol,則</p><p>　　總物料 （3-1）</p><p>　　易揮發(fā)組分 （3-2）</p><p>　　聯(lián)立式3-1、3-2解得</p><p&

48、gt;　　式中 F——原料液流量，kmol/h；</p><p>　　D——塔頂產(chǎn)品（鎦出液）流量，kmol/h；</p><p>　　W——塔底產(chǎn)品（釜殘液）流量，kmol/h；</p><p>　　——原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)；</p><p>　　——鎦出液中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)；</p><p>　　—

49、—釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)。</p><p>　　4.1.2 Rmin的確定</p><p>　　乙醇-水體系為非理想體系，其平衡曲線有下凹部分，當操作線與q線（進料方程）的交點尚未落在平衡線上之前，操作線已與平衡線相切，如圖1中點g所示。為此恒濃區(qū)出現(xiàn)在點g附近。此時Rmin可由點向平衡線作切線的斜率求得。</p><p>　　表1 常壓下乙醇—水溶液

50、的平衡數(shù)據(jù)</p><p><b>　　圖 1</b></p><p>　　由圖1可見，該切線與y軸交于點（0,0.2），則其斜率為</p><p>　　解之得 Rmin=3.299 。所以，R=1.6Rmin=5.2784 。</p><p><b>　　塔板數(shù)的確定</b></p>

51、<p>　　一.精餾塔的氣、液相負荷</p><p>　　由于物料采用泡點進料，q=1,則有</p><p><b>　　二.回收率</b></p><p><b>　　乙醇的回收率為：</b></p><p><b>　　水的回收率為：</b></p>

52、;<p><b>　　三. 操作線方程</b></p><p>　　根據(jù)回流比求精餾段操作線方程為</p><p>　　提餾段操作線方程為 四.圖解法求理論板層數(shù)</p><p>　　采用直角階梯法求理論板層數(shù)，如圖（2）所示。在塔底或恒沸點附近作圖時將圖局部放大。</p><p>　　圖 2

53、 圖解法求理論塔板數(shù)</p><p><b>　　求解結(jié)果為：</b></p><p>　　總理論板層數(shù) NT=16（不包括再沸器）</p><p>　　進料板位置 NF=15</p><p>　　精餾段的理論板層數(shù) N精=14 </p><p>　　提餾

54、段的理論板層數(shù) N提=2（包括進料板）</p><p>　　五.實際板層數(shù)的初步求取</p><p><b>　　設(shè)ET=44﹪,則</b></p><p>　　精餾段實際板層數(shù) </p><p>　　提餾段實際板層數(shù) </p><p>　　總實際板層數(shù)

55、 </p><p><b>　　塔板總效率估算 </b></p><p><b>　?。?）操作壓力計算</b></p><p>　　塔頂操作壓力 </p><p>　　每層塔板壓降 </p><p>　　塔底操作壓力

56、 </p><p>　　(2)操作溫度計算 </p><p>　　表2 常壓下乙醇—水系統(tǒng)的t-x(y)數(shù)據(jù)</p><p>　　圖（3） 氣液相平衡圖</p><p><b>　　由圖（3）得</b></p><p>　　塔頂溫度 </p>

57、<p>　　塔底溫度 </p><p>　　平均溫度 </p><p><b>　?。?）粘度的計算</b></p><p>　　在tm=87.50℃時，查表得,，則</p><p>　　(4)相對揮發(fā)度的計算</p><p>　　相平衡方程為

58、 ，且過點q（)</p><p><b>　　q=1，</b></p><p><b>　　由圖（2）得，</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　解得</b></p><p><

59、b>　　塔板總效率的估算</b></p><p>　　奧康奈爾(o’commell)全塔效率圖得：</p><p><b>　　塔效率： </b></p><p><b>　　因為 ， </b></p><p><b>　　可解得，</b></p&g

60、t;<p>　　因為，所以假設(shè)成立。</p><p>　　七.實際塔板層數(shù)的確定</p><p><b>　　取塔板總效率，則</b></p><p>　　精餾段實際板層數(shù) </p><p><b>　　提餾段實際板層數(shù) </b></p><p>　　總實際板

61、層數(shù) </p><p>　　4.2 精餾塔的操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 </p><p>　　4.2.1 操作壓力</p><p>　　塔頂操作壓力 </p><p>　　每層塔板壓降 </p><p>　　進料板壓降 </p><p>　　

62、塔底操作壓降 </p><p>　　精餾段平均壓降 </p><p>　　提餾段平均壓降 </p><p>　　4.2.2 操作溫度</p><p><b>　　由圖（3）得</b></p><p>　　塔頂溫度 </p><

63、p>　　進料板溫度 </p><p>　　塔底溫度 </p><p>　　精餾段平均溫度 </p><p>　　提餾段平均溫度 </p><p>　　4.2.3 平均摩爾質(zhì)量</p><p>　　一.塔頂混合物平均摩爾質(zhì)量計算</p><p

64、>　　由，查平衡曲線（見圖1）的。</p><p>　　二.進料板混合物平均摩爾質(zhì)量計算</p><p>　　由圖解理論板（見圖2）得</p><p>　　查平衡曲線（見圖1）得</p><p>　　三.塔底混合物平均摩爾質(zhì)量計算</p><p>　　由,由圖解理論板（見圖2）得</p><p

65、>　　精餾段混合物平均摩爾質(zhì)量</p><p>　　提餾段混合物平均摩爾質(zhì)量</p><p><b>　　4.2.4平均密度</b></p><p><b>　　一.氣相平均密度</b></p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程計算，即</p><p>　　精餾段

66、 </p><p>　　提鎦段 </p><p><b>　　二.液相平均密度</b></p><p>　　液相平均密度依據(jù)下式計算，即</p><p>　?。?）塔頂液相平均密度</p><p><b>　　由，查手冊得，。</b></p>

67、<p>　?。?）進料板液相平均密度</p><p><b>　　由，查手冊得， 。</b></p><p>　　進料板液相的質(zhì)量分數(shù)</p><p>　　（3）塔底液相平均密度</p><p>　　由，查手冊得，。 </p><p><b>　?。?）

68、液相平均密度</b></p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p>　　4.2.5液體平均表面張力計算</p><p>　　一.塔頂液相平均表面張力的計算</p><p>　　當乙醇

69、的質(zhì)量分數(shù)為94％時，查表得，且乙醇的臨界溫度為243℃，水的臨界溫度為374.2℃，，則混合液體的臨界溫度為：</p><p>　　將混合液體的臨界溫度代入</p><p>　　解得 </p><p>　　二.進料板液相平均表面張力的計算</p><p>　　當乙醇的質(zhì)量分數(shù)為40％時，查表得，且乙醇的臨界溫度為2

70、43℃，水的臨界溫度為374.2℃，，則混合液體的臨界溫度為：</p><p>　　將混合液體的臨界溫度代入</p><p>　　解得 </p><p>　　三.塔底液相平均表面張力的計算</p><p>　　當乙醇的質(zhì)量分數(shù)為3％時，查表得，且乙醇的臨界溫度為243℃，水的臨界溫度為374.2℃，則混合液體的臨界溫度為：<

71、;/p><p>　　將混合液體的臨界溫度代入</p><p>　　解得 </p><p>　　四.平均表面張力 </p><p>　　精餾段 、</p><p><b>　　提餾段 </b></p><p>　　表3 物

72、性數(shù)據(jù)表 </p><p>　　4.3 精餾塔的塔體工藝尺寸計算</p><p>　　4.3.1塔徑的計算</p><p>　　一.精餾段的氣、液相體積流率為</p><p>　　由[式中C由]計算，其中的由圖（4）查取，圖的橫坐標為</p><p>　　圖（4） 史密斯關(guān)聯(lián)圖</p><p>

73、　　取板間距，板上液層高度，則</p><p><b>　　查圖（4）得，則</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為</p><p>　　按標準塔徑圓整后為 </p><p>　　依表3，經(jīng)驗算后選取的板間距不適合，應(yīng)重新計算。</p><p>　　表4 塔板間

74、距與塔徑的關(guān)系</p><p>　　取板間距為,板上液層高度，則</p><p><b>　　查圖（4）得，則</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為</p><p>　　按標準塔徑圓整后為 </p><p>　　由依表3，經(jīng)驗算后選取的板間距適合。因此塔徑。<

75、;/p><p>　　二. 提餾段的氣、液相體積流率為</p><p>　　由[式中C由]計算，其中的由圖（4）查取，圖的橫坐標為</p><p><b>　　查圖（4）得，則</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為</p><p>　　按標準塔徑圓整后為 </p&

76、gt;<p>　　由依表3，經(jīng)驗算后選取的板間距適合。因此塔徑。</p><p>　　又因為精餾段，提餾段塔徑相同，因此取</p><p>　　塔的截面積為 </p><p>　　實際空塔氣速為 </p><p><b>　　精餾段 </b></p><p>

77、;<b>　　提餾段 </b></p><p>　　4.3.2精餾塔有效高度的計算</p><p><b>　　精餾段有效高度為</b></p><p><b>　　提餾段有效高度為</b></p><p>　　在進料板上方開1個人孔，在精餾段設(shè)3個人孔，其高度均為0

78、.8m。故精餾塔的有效高度為</p><p>　　4.3.3塔高的計算</p><p><b>　　塔高H</b></p><p>　　其中，為塔頂與第一塊板之間的距離且一般取1—1.5m，N為實際塔板數(shù)，S為人孔數(shù)且5～7塊板設(shè)一人孔，為板間距（m），為人孔處的板間距且一般取0.6m， 為進料板處的板間距且一般取二倍的板間距（m），為塔釜與最

79、下一塊板的距離且一般取1—1.5m，為裙座高度且一般為1.5—2m。</p><p>　　注：1．在塔高計算時確定的人孔數(shù)不包括塔頂和塔釜所設(shè)的人孔。 2．此處計算的塔高是塔總高，即從塔的底座至塔頂封頭處的高度。</p><p>　　根據(jù)上式計算塔高H：</p><p><b>　　板式塔塔高示意圖 </b></p>

80、<p><b>　　再沸器示意圖</b></p><p>　　4.4塔板主要工藝尺寸的計算</p><p>　　4.4.1溢流裝置計算</p><p>　　因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹型受液盤。各項計算如下。</p><p>　　圖（5）塔板溢流形式</p><p>　?。?/p>

81、a）U型流 （b）單溢流 （c）雙溢流</p><p><b>　　一.堰長</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　二.溢流堰高度</b></p><p>　　由。選用平直堰，堰上液層高度依下式計算，即</p><

82、p><b>　　近似取E=1，則</b></p><p>　　精餾段 提餾段 </p><p><b>　　取板上液層高度，故</b></p><p>　　精餾段 </p><p>　　提餾

83、段 </p><p>　　三.弓形降液管寬度Wd和截面積Af 由查圖（6），得</p><p><b>　　， </b></p><p>　　圖（6）弓形降液管的寬度與面積</p><p>　　故 </p><p>　　依式驗算液體在降液管中停

84、留時間</p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p><b>　　故降液管設(shè)計合理。</b></p><p><b>　　四.降液管底隙高度</b></p><p

85、>　　圖（7）降液管示意圖</p><p><b>　　取，則</b></p><p>　　精餾段 </p><p>　　提餾段 </p><p>　　故降液管底隙高度設(shè)計合理。</p><p>　　4.4.2塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 </p>

86、<p>　　取閥孔動能因數(shù)，用式求孔速，即</p><p>　　精餾段 </p><p>　　提餾段 </p><p>　　依式求每層塔板上的浮閥數(shù)（其中閥孔直徑），即</p><p>　　精餾段 </p><p>　　提餾段 </p>&

87、lt;p>　　取邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度。</p><p>　　依式計算塔板上的鼓泡區(qū)面積，即</p><p>　　=0.2877（m2）</p><p>　　浮閥排列方式采用等腰三角形叉排。取同一橫排的孔心距為：，則可按下式估算排間距t´,即</p><p>　　考慮到塔的直徑較小，必須采用分塊式塔板。而各分塊板的支撐與銜接也

88、要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距不宜采用98mm，而應(yīng)小于此值，故取t´=65mm。</p><p>　　按t=75mm,t´=65mm以正三角形叉排方式作圖，如圖（8）所示 ：</p><p><b>　　實際閥數(shù)為40。</b></p><p>　　按N=40重新核算孔速及閥孔動能因數(shù)：</p><

89、p>　　閥孔動能因數(shù)變化不大，仍在9~12范圍內(nèi)。</p><p><b>　　塔板開孔率=</b></p><p>　　4.5塔板流體力學驗算</p><p>　　4.5.1氣相通過浮閥塔板的壓降</p><p>　　可根據(jù)式計算塔板壓降</p><p><b>　　一.干板阻力

90、</b></p><p><b>　　由式 計算，即</b></p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p>　　因，則按式計算，即</p><p><b>

91、　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p>　　二.板上充氣液層阻力</p><p>　　本設(shè)備分離乙醇和水的混合液，即液相為水，可取充氣系數(shù)。依據(jù)式計算，即：</p><p>　　三.克服表面張力所造成的阻力</p><p>　　

92、因本設(shè)計采用浮閥塔，其很小，可忽略不計。因此，氣體流經(jīng)一層浮閥塔的壓降所相當?shù)囊褐叨葹?lt;/p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p><b>　　單板壓降 </b></p><p><b>　

93、　精餾段</b></p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　4.5.2淹塔</b></p><p>　　為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度?？捎孟率接嬎悖矗?lt;/p><p>　　一.與氣體通過塔板的壓降相當?shù)囊褐叨?lt;/p>

94、<p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段 </b></p><p>　　二.液體通過降液管的壓頭損失</p><p>　　因不設(shè)進口堰，故按下式計算，即</p><p><b>　　精餾段 </b></p>

95、<p><b>　　提餾段 </b></p><p><b>　　三.板上液層高度</b></p><p><b>　　取，則</b></p><p><b>　　精餾段 </b></p><p><b>　　提餾段

96、</b></p><p><b>　　取，，</b></p><p>　　精餾段 ，則</p><p>　　提餾段 ，則</p><p>　　可見，符合防止淹塔的要求。</p><p><b>　　4.5.3霧沫夾帶</b></p>

97、<p>　　按下式計算泛點率，即</p><p><b>　　（a）</b></p><p>　　或 (b)</p><p><b>　　板上液體流徑長度</b></p><p><b>　　板上液流面積</b>&

98、lt;/p><p>　　水和乙醇可按正常系統(tǒng)取物性系數(shù)K=1.0</p><p>　　圖（9）泛點負荷系數(shù)與密度的關(guān)系</p><p>　　又由圖（9）查得泛點負荷系數(shù)，將以上數(shù)值代入式（a）,得</p><p>　?。?） 精餾段 </p><p>　　又按式（b）計算泛點率，得</p&g

99、t;<p>　　（2）提餾段 </p><p>　　又按式（b）計算泛點率，得</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗，若泛點率控制在下列范圍內(nèi)，可保證物沫夾帶量滿足。</p><p>　　大塔 </p><p>　　直徑小于0.9m塔 </p><

100、;p>　　減壓塔 </p><p>　　因為計算出的泛點率都在70％以下，故可知霧沫夾帶量能夠滿足要求。</p><p>　　4.6塔板負荷性能圖（精餾段）</p><p>　　4.6.1霧沫夾帶線</p><p><b>　　按式 作出</b></p><p>

101、;　　對于一定的物系及一定的塔板結(jié)構(gòu)，式中，，，，及均為已知值，相應(yīng)于的泛點率上限值亦可確定，將各已知數(shù)代入上式，便得出，可作出負荷性能圖中的霧沫夾帶線。</p><p>　　按泛點率=70％計算，如下</p><p>　　整理得 （c）</p><p>　　或 </p><p>　　霧沫

102、夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個值，依式（c）算出相應(yīng)的值列于表5中。</p><p>　　表5 霧沫夾帶線數(shù)據(jù) </p><p><b>　　4.6.2液泛線</b></p><p>　　由確定液泛線。忽略式中，得</p><p>　　因物系一定，塔板結(jié)構(gòu)尺寸一定，則，，，，，，及等均為定值，而與又有如下關(guān)系

103、，即</p><p>　　式中閥孔數(shù)N與孔徑亦為定值。因此，可將上式簡化得</p><p><b>　?。╠）</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)任取若干個值，依式(d)算出相應(yīng)的值列于表6中。</p><p><b>　　表6 液泛線數(shù)據(jù)</b></p><p>　

104、　4.6.3液相負荷上限線</p><p>　　液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時間不低于。計算如下：</p><p>　　液體在降液管中停留時間 </p><p>　　求出上限液體流量值（常數(shù)），在 -圖上，液相負荷上限線為與氣體流量無關(guān)的豎直線。</p><p>　　以θ=5s作為液體在降液管中停留時間的下限，則</p

105、><p><b>　?。╡）</b></p><p><b>　　4.6.4漏液線</b></p><p>　　對于F1型重閥，依計算，則。又知，即</p><p>　　式中，，均為已知數(shù)，故可由此式求出氣相負荷的下限值，據(jù)此作出與液相流量無關(guān)的水平漏液線。</p><p>　　

106、以作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則</p><p><b>　　(f)</b></p><p>　　4.6.5液相負荷下限線</p><p>　　取堰上液層高度，作為液相負荷下限條件，依下列的計算式</p><p>　　計算出的下限值，依次作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關(guān)的豎直直線。</p><

107、p><b>　　取E=1，則</b></p><p><b>　　(g)</b></p><p>　　根據(jù)表5，表6及式(e)~(g)可分別作出塔板負荷性能圖上的①~⑤共五條線，見圖（10）。</p><p>　　由塔板負荷性能圖可以看出：</p><p>　　在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下的操作點A

108、（設(shè)計點），處在適宜操作區(qū)域內(nèi)的適中位置。</p><p>　　塔板的氣相負荷上限完全由霧沫夾帶控制。</p><p>　　按照固定的液氣比，由圖（10）查出塔板的氣相負荷上限,氣相負荷下限，所以：</p><p><b>　　操作彈性=</b></p><p>　　4.6´塔板負荷性能圖（提餾段）</p

109、><p>　　4.6.1´霧沫夾帶線</p><p><b>　　按式 作出</b></p><p>　　對于一定的物系及一定的塔板結(jié)構(gòu)，式中，，，，及均為已知值，相應(yīng)于的泛點率上限值亦可確定，將各已知數(shù)代入上式，便得出，可作出負荷性能圖中的霧沫夾帶線。</p><p>　　按泛點率=70％計算，如下</p&

110、gt;<p>　　整理得 （c´）</p><p>　　或 </p><p>　　霧沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個值，依式（c´）算出相應(yīng)的值列于表5´中。</p><p>　　表5´ 霧沫夾帶線數(shù)據(jù) </p><p>&

111、lt;b>　　4.6.2´液泛線</b></p><p>　　由確定液泛線。忽略式中，得</p><p>　　因物系一定，塔板結(jié)構(gòu)尺寸一定，則，，，，，，及等均為定值，而與又有如下關(guān)系，即</p><p>　　式中閥孔數(shù)N與孔徑亦為定值。因 此，可將上式簡化得</p><p><b>　?。╠´

112、）</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)任取若干個值，依式(d´)算出相應(yīng)的值列于表6´中。</p><p>　　表6´ 液泛線數(shù)據(jù)</p><p>　　4.6.3´液相負荷上限線</p><p>　　液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時間不低于。計算如下：</p>&l

113、t;p>　　液體在降液管中停留時間 </p><p>　　求出上限液體流量值（常數(shù)），在 -圖上，液相負荷上限線為與氣體流量無關(guān)的豎直線。</p><p>　　以θ=5s作為液體在降液管中停留時間的下限，則</p><p><b>　?。╡´）</b></p><p><b>　　4

114、.6.4´漏液線</b></p><p>　　對于F1型重閥，依計算，則。又知，即</p><p>　　式中，，均為已知數(shù)，故可由此式求出氣相負荷的下限值，據(jù)此作出與液相流量無關(guān)的水平漏液線。</p><p>　　以作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則</p><p><b>　　(f´)</b>

115、;</p><p>　　4.6.5´液相負荷下限線</p><p>　　取堰上液層高度，作為液相負荷下限條件，依下列的計算式</p><p>　　計算出的下限值，依次作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關(guān)的豎直直線。</p><p><b>　　取E=1，則</b></p><p>&

116、lt;b>　　(g´)</b></p><p>　　根據(jù)表4´，表5´及式(e´)~(g´)可分別作出塔板負荷性能圖上的①~⑤共五條線，見圖（10´）。</p><p>　　由塔板負荷性能圖可以看出：</p><p>　　在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下的操作點A´（設(shè)計點），處在適宜操作

117、區(qū)域內(nèi)的適中位置。</p><p>　　塔板的氣相負荷上限完全由霧沫夾帶控制。</p><p>　　按照固定的液氣比，由圖（10´）查出塔板的氣相負荷上限,氣相負荷下限，所以：</p><p><b>　　操作彈性=</b></p><p>　　表7 浮閥塔板工藝設(shè)計結(jié)果</p><p&g

118、t;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王國勝.化工原理課程設(shè)計.大連：大連理工大學出版社，2006.8</p><p>　　[2]申迎華、郝曉剛.化工原理課程設(shè)計.北京：化學工業(yè)出版社，2009.5</p><p>　　[3]賈紹義，柴誠敬等.化工原理課程設(shè)計.天津：天津大學出版社，2002.8</p>&l

119、t;p>　　[4]付家新、王為國、肖穩(wěn)發(fā).化工原理課程設(shè)計（典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計）.北京：化學工業(yè)出版社，2010.10</p><p>　　[5]任曉光.化工原理課程設(shè)計指導.北京：化學工業(yè)出版社，2009.1</p><p>　　[6]濮存恬.精細化工過程及設(shè)備.北京：化學工業(yè)出版社，1996</p><p>　　[7]夏清、陳常貴.化工原理（上冊）.

120、天津：天津大學出版社，2005.1</p><p>　　[8]夏清、陳常貴.化工原理（下冊）.天津：天津大學出版社，2005.1 </p><p><b>　　課程設(shè)計心得</b></p><p>　　課程設(shè)計是繁瑣的，但收獲是豐富的。這次我設(shè)計了常壓下，乙醇-水的精餾塔——浮閥塔。通過計算主要鞏固了物料衡算、熱量衡算、塔板數(shù)計算、塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計

121、計算等化工原理所學過的知識。</p><p>　　作為一名應(yīng)用化學專業(yè)大三的學生，我覺得能做這樣的課程設(shè)計是十分必要的。在過去的大學生活里我們學到了很多知識。今天終于派上用場了，但僅僅這些是遠遠不夠的，在查閱大量的書籍的同時我也學到了很多課堂上沒見過的知識，讓我在以后的學習生活中知識面寬了。</p><p>　　在這個過程中，我學到了很多知識如excel作圖、查閱文獻資料、word排版、C