課程設計---年產(chǎn)5.6萬噸乙醇精餾塔的設計

1、 化工原理與化工設備基礎聯(lián)合課程設計說明書 設計題目 年產(chǎn)5.6萬噸乙醇精餾塔的設計 二級學院 化學與化工學院 專 業(yè) 應用化工技術 學生姓名 * 學 號 10070* 年 級 2010級 指導老師 張 燕 徐 慎 穎 完成時間 2012年6月10日 化學與化工學院2012年06月10日 宜賓學院課程設計誠信聲明書本人鄭重聲明：本人所提交的課程設計說明書是本人在指導教師指導下獨立進行研究、寫作的成果，課程設計說明書中所引用其它個人或集體的無論以何種方式發(fā)表或撰寫過的研究成果，均在課程設計說明書中加以說明；有關教師、同學和其它人員對本文的寫作、修訂提出過并為我在課程設計說明書中加以采納的意見、建

2、議，均已在我的致謝辭中加以說明并深致謝意。本論文絕無抄襲、剽竊等現(xiàn)象。本人愿意無條件地接受社會和學校的監(jiān)督。 作者： * （簽字） 時間：2012 年05月 31日附：普通高等學校學生管理規(guī)定（中華人民共和國教育部令第21號）第五十四條  學生有下列情形之一，學?？梢越o予開除學籍處分： （五）剽竊、抄襲他人研究成果，情節(jié)嚴重的； （六）違反學校規(guī)定，嚴重影響學校教育教學秩序、生活秩序以及公共場所管理秩序，侵害其他個人、組織合法權益，造成嚴重后果的。 化工原理課程設計任務書一、 設計任務1） 乙醇精餾塔的設計2） 任務：試設計一生產(chǎn)酒精的板式精餾塔，來自原料工段的乙醇水溶液的處理量、組

3、成及溫度如下表所示：2400028000320003600040000440004800052000560006000031學號129103411203721304031原料液溫度：6班30，7班40 ；建廠地點：四川宜賓一人一題，每個同學根據(jù)自己在在班里的學號順序早找到對應的處理量和含量。3） 要求：塔頂產(chǎn)品的乙醇含量不少于93（質量分率） 塔底殘液的乙醇含量不大于0.5（質量分率）二、 設計項目1） 設計方案的確定：包括塔型選擇及操作條件的確定等；2） 畫出帶控制點的生產(chǎn)工藝流程圖；3） 有關工藝計算：（1） 最小回流比及操作回流比的確定（2） 計算產(chǎn)品量、釜殘液量及其組成（3） 計算冷凝

4、介質和加熱介質的消耗量（4） 計算選用輸送冷凝介質的離心泵型號、管道口徑（5） 計算所需理論板層數(shù)及實際板層數(shù)4） 有關設備結構選型與計算：（1） 塔體、封頭及各零部件的選型及材料選擇（2） 塔體和封頭殼體的壁厚計算及壓力試驗校核（3） 塔體總體尺寸設計（4） 法蘭設計與選型（材料、密封面的形式、墊片設計，螺栓螺母設計選型）；各焊接形式的確定（5） 各接管、人孔設計（6） 開孔補強設計（7） 塔體支座的選擇（要求在總裝配圖中畫出支座形式）5）畫出塔的裝配圖（A1號圖） 目錄前言 4第1章 概述5第2章 設計方案的確定與說明6第3章 設計計算與論證8第4章 板式塔的主要尺寸的計算18第5章 塔板

5、的流體力學的計算26第6章 塔板的負荷性能圖30第7章 板式精餾塔設備設計35第8章 精餾塔的主要附屬設備43第9章 心得體會46第10章 參考文獻46后記及其他 48 前言化工原理課程設計是理論系實際的橋梁，是讓學生體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設計，要求我們能夠綜合運用化工原理上下冊的基本理論知識，進行融匯貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的設計任務，從而得到以化工單元操作為主的化工設計的初步訓練。通過課程設計，我們了解到工程設計的基本內(nèi)容，掌握典型單元操作設計的主要程序和方法，培養(yǎng)了分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使我們樹立正確的設計思想，

6、培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度負責的工作作風。塔設備是化工石油化工生物化工制藥等生產(chǎn)過程中廣泛應用的氣液傳質設備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構件的結構形式，可以分為板式塔和填料塔。本設計的目的是設計符合設計任務的乙醇-水溶液的板式精餾塔以及附屬設備。通過設計工藝流程草圖板式塔主體設備計算及選型、輔助設備的計算及選型等階段，最終完成各項參數(shù)的設計、驗算，認為設計符合設計任務要求。并作出相關裝配圖和工藝流程圖。第一章 概 述1.1 設計任務1.1.1 設計項目1）設計方案的確定：包括塔型選擇及操作條件的確定等；2） 畫出帶控制點的生產(chǎn)工藝流程圖；3） 有關工藝計算：（1） 最小回流比及操作回流比的確定；（2）

7、 計算產(chǎn)品量、釜殘液量及其組成；（3） 計算冷凝介質和加熱介質的消耗量；（4） 計算選用輸送冷凝介質的離心泵型號、管道口徑；（5） 計算所需理論板層數(shù)及實際板層數(shù)；4） 有關設備結構選型與計算：（1） 塔體、封頭及各零部件的選型及材料選擇；（2） 塔體和封頭殼體的壁厚計算及壓力試驗校核；（3） 塔體總體尺寸設計；（4） 法蘭設計與選型（材料、密封面的形式、墊片設計，螺栓螺母設計選型），各焊接形式的確定；（5） 各接管、人孔設計；（6） 開孔補強設計；（7） 塔體支座的選擇（要求在總裝配圖中畫出支座形式）；5） 畫出塔的裝配圖（A1號圖）；1.1.2 設計要求及操作條件（1）原料：乙醇水溶液，含

8、乙醇31%（質量分數(shù)）；溫度為30；（2）產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品的乙醇含量不少于93%（質量分率）；塔底殘液的乙醇含量不大于0.5%（質量分率）；（3）生產(chǎn)能力：原料液處理量56000噸年；（4）熱源要求：加熱蒸汽為過飽和蒸汽；（5）廠址選擇：四川省宜賓市，當?shù)乩鋮s水進水溫是25；出口水溫度70；操作壓力是常壓101.325 kPa；1.1.3 精餾塔設備的主要要求（1）生產(chǎn)能力大；（2）傳熱、傳質效率高；（3）氣流的摩擦阻力小；（4）操作穩(wěn)定，適應性強，操作彈性大；（5）結構簡單，材料耗用量少；（6）制造安裝容易，操作維修方便。此外，還要求不易堵塞、耐腐蝕等。1.1.4 應交的文件（1）設計計算

9、說明書一份；（2）精餾塔的總裝配圖一張（A1號圖）；第二章 設計方案的確定與說明2.1 精餾操作對塔設備的要求 精餾所進行的是氣（汽）、液兩相之間的傳質，而作為氣(汽)、液兩相傳質所用的塔設備，首先必須要能使氣（汽）、液兩相得到充分的接觸，以達到較高的傳質效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設備還得具備下列各種基本要求： 氣（汽）、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 2.2 板式塔的類型氣液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。板式塔為逐級接觸型氣液傳質設備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分

10、為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。2.2.1 篩板塔篩板塔也是傳質過程常用的塔設備，它的主要優(yōu)點有：（1）結構比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。（2）處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。（3）塔板效率高，比泡罩塔高15左右。（4）壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。篩板塔的缺點是：（1）塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。（2）操作彈性較小(約23)。（3）小孔篩板容易堵塞。2.2.2 浮閥塔浮閥塔是在泡罩塔的基礎上發(fā)展起來的，它主要的改進是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設有浮動的浮閥，浮閥可根

11、據(jù)氣體流量上下浮動，自行調節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因為它具有下列特點：（1） 生產(chǎn)能力比泡罩塔約大2040；（2） 氣體兩個極限負荷比為56，操作彈性大；（3） 板效率比泡罩塔高1015；霧沫夾帶少，液面梯度??；（4） 結構難于泡罩塔與篩板塔之間；（5） 對物料的適應性較好等，通量大、放大效應小，常用于初濃段的重水生產(chǎn)過程。2.2.3 板式塔的選型篩板塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為38mm，篩孔在塔板上作正三角形排布。篩板塔的結構簡單，造價低廉，氣壓降小，板上液面落差也較小，生產(chǎn)能力及板效率較高，氣流分布均勻，傳質系數(shù)高，操作彈性較大，乙醇和水黏度小

12、，易分離。所以本次工藝設計我們選擇篩板塔；2.3 操作條件的確定確定設計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設備的結構型式和某些操作指標。例如組分的分離順序、塔設備的型式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調節(jié)機構和測量控制儀表的設置等。2.3.1 操作壓力精餾操作可在常壓、加壓、減壓的條件下進行。操作壓力取決于冷凝的溫度。凡是通過常壓蒸餾不難實現(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將溜出物冷凝下來的系統(tǒng)，都應采用常壓蒸餾；對于熱敏性的物料或是混合液沸點過高的系統(tǒng)宜采用減壓操作；對于沸點較低的物系，則應該在加壓條件下進行。2.3.2 進料狀態(tài)根據(jù)q值大小將進料分為五種情

13、況。進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量以及塔的熱負荷都有密切的關系。采用泡點或接近泡點進料時，板式塔的操作比較容易控制，且不受季節(jié)的影響。在原料液預熱時，我們應該考慮熱能的綜合利用，塔頂蒸汽和塔底殘液都有余熱可以利用。2.3.3 加熱方式塔釜一般采用間接蒸汽加熱,但對塔底產(chǎn)物基本是水,且在低濃度時的相對揮發(fā)度較大的體系,也可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是:可利用壓力較低的蒸汽加熱,塔釜只須安裝鼓泡管,一般可節(jié)省設備費用和操作費用。 2.3.4 冷卻劑與出口溫度冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟的。2.3.5

14、熱能的利用精餾過程的熱效率很低，進入再沸器的能量的95%以上被塔頂冷凝器中冷卻介質帶走，僅約5%的能量被有效地利用。采用熱泵技術可使塔頂蒸氣溫度提高,提高了溫度的蒸氣再用于加熱釜液,使釜液蒸發(fā)的同時，塔頂蒸氣冷凝。該方法不僅可節(jié)省大量的加熱蒸汽，而且還節(jié)省了大量的冷卻介質。當然,塔頂蒸氣可用作低溫系統(tǒng)的熱源,或通入廢熱鍋爐產(chǎn)生低壓蒸汽,供別處使用。在考慮充分利用熱能的同時，還應考慮到所需增加設備的投資和由此給精餾操作帶來的影響。2.3.6 回流比的選擇影響精餾操作費用的主要因素是塔內(nèi)蒸氣量V。對于一定的生產(chǎn)能力,即餾出量D 一定時,V 的大小取決于回流比。實際回流比總是介于最小回流比和全回流兩

15、種極限之間。由于回流比的大小不僅影響到所需理論塔板數(shù),還影響到加熱蒸汽和冷卻水的消耗量,以及塔板、塔徑、蒸餾釜和冷凝器的結構尺寸的選擇,因此,適宜回流比的選擇是一個很重要的問題。適宜回流比應通過經(jīng)濟核算決定,即操作費用和設備折舊費之和為最低時的回流比為適宜回流比。但作為課程設計,要進行這種核算是困難的,通常根據(jù)下面3 種方法之一來確定回流比。 根據(jù)本設計的具體情況,參考生產(chǎn)上較可靠的回流比的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定。 先求出最小回流比R min=1.3033 ,根據(jù)經(jīng)驗取操作回流比為最小回流比的1.12.0 倍,即R=(1.12.0)R min; 在本次工藝設計，我們選R=1.5Rmin=1.95495

16、。 在一定的范圍內(nèi),選5 種以上不同的回流比,計算出對應的理論塔板數(shù),作出回流比與理論塔板數(shù)的曲線,如圖1-1 所示。當R= R min 時,塔板數(shù)為；R>R min 時，塔板數(shù)從無限多減至有限數(shù);R繼續(xù)增大,塔板數(shù)雖然可以減少,但減少速率變得緩慢。因此可在斜線部分區(qū)域選擇一適宜回流比。上述考慮的是一般原則,實際回流比還應視具體情況選定。因此，我們選擇第二種方法在確定題目中的最小回流比和操作回流比。第三章 設計計算與論證精餾塔的工藝設計計算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設計計算，塔板的布置，塔板流體力學性能的校核及繪出塔板的性能負荷圖。3.1 乙醇水板式精餾塔的物料衡算 3.1.1

17、原料液的計算 我們查閱化工工藝設計手冊得到：乙醇的摩爾質量，水的摩爾量，則乙醇的質量分數(shù)為：原料液的平均摩爾質量： 3.1.2 塔頂產(chǎn)品的計算塔頂產(chǎn)品的質量分數(shù)：塔頂產(chǎn)品的平均摩爾質量： 3.1.3 塔底的計算塔低產(chǎn)品的質量分數(shù)：塔底產(chǎn)品的平均摩爾質量： 3.1.4全塔物料衡算因為本題是飽和液體進料（q=1），根據(jù)恒摩爾流假定有：原料處理量： 總物料衡算：；乙醇物料衡算：聯(lián)解上面的表達式，得： ； 3.2 最小回流比和操作回流比的確定3.2.1 相對揮發(fā)度的確定乙醇水溶液的氣液平衡數(shù)據(jù)表溫度/K液相(x/%)氣相(y/%)373.1500 0.0000 0.0000 368.7000 0.01

18、90 0.1700 362.2000 0.0721 0.3891 359.9000 0.0966 0.4375 358.5000 0.1238 0.4704 357.3000 0.1661 0.5089 355.9000 0.2377 0.5445 355.4000 0.2608 0.5580 354.7000 0.3273 0.5826 353.9000 0.3965 0.6122 353.0000 0.5079 0.6564 352.9000 0.5198 0.6599 352.5000 0.5732 0.6841 351.9000 0.6763 0.7385 351.6000 0.747

19、2 0.7815 351.3000 0.8943 0.8943 由上圖可知： ；根據(jù)相平衡方程得：同理： ； ； ； ； ；根據(jù)芬斯克方程有 ： ；所以，全塔的平均相對揮發(fā)度為： ；3.2.1 最小回流比的確定由于，本次設計采用的是飽和泡點進料；即，所以，最小回流比為： ；3.2.2 操作回流比的計算根據(jù)操作回流比與最小回流比的關系：；我們?nèi)。凰裕?；3.3 操作線方程的確定（1） 、精餾段操作線方程的確定： ；（2） 、精餾段操作線方程的確定：由于是飽和泡點進料( ) ； ； ； ； ；3.4 平均分子量和平均密度的計算 3.4.1 平均分子量的計算1、塔頂平均摩爾質量的計算由理論板的計算

20、過程可知， ； 液相的平均摩爾質量： 氣相的平均摩爾質量： 2、進料板平均摩爾質量的計算由理論板的計算過程可知， ； 氣相的摩爾質量： 液相的摩爾質量： 3、塔釜平均摩爾質量的計算由理論板的計算過程可知，0.002，0.0305 氣相的摩爾質量： 液相的摩爾質量： 4、精餾段的平均摩爾質量的計算氣相的平均摩爾質量： 液相的平均摩爾質量： 5、提餾段平均摩爾質量的計算 氣相的摩爾質量： 液相的摩爾質量： 3.4.2 平均密度的計算查閱化工工藝設計手冊，我們得到乙醇水溶液物系的密度表：溫度()液相（）（）78.3972.5744.396.0958.4720.699.0957.4718.21液相平均

21、密度：塔頂密度：進料密度： 塔釜密度： 精餾段液相平均密度： 提餾段液相平均密度： 全塔液相平均密度： 2氣相平均密度精餾段：提餾段：全塔氣相平均密度： 3.5 液體表面張力的計算根據(jù)塔頂、進料、塔底的溫度查出各個狀態(tài)下乙醇和水的表面張力，再根據(jù)計算乙醇混合溶液的表面張力。、塔頂液相平均表面張力的計算 由于塔頂溫度是=78.3，我們查閱化工工藝設計手冊得： 、進料液相平均表面張力的計算 由于進料板的溫度是，查化工工藝設計手冊得： 、塔釜液相平均表面張力的計算 由于塔斧的溫度是，我們查閱化工工藝設計手冊得： 、精餾段液相平均表面張力為：、提餾段液相平均表面張力為： 、全塔的平均張力為：3.6 氣

22、、液相體積流量的計算精餾段氣液體積流量為：提餾段的氣液體積流量為：3.7 能量計算下圖是常溫下乙醇水溶液的圖 由上圖，我們結合、的取值，可以讀出以下數(shù)據(jù)：塔頂溫度： ；進料溫度： ；塔底溫度： ；所以，精餾段的平均溫度是： ；提餾段的平均溫度是： ；全塔平均溫度： ；3.8 理論塔板數(shù)的計算3.8.1 全塔效率的確定：查化工工藝設計手冊得,在溫度為91.10下，乙醇粘度 ；水的粘度 ；所以，物系的平均粘度為： ；根據(jù)偶康內(nèi)爾公式全塔效率為： ；3.8.1 全塔理論塔板數(shù)的確定：根據(jù)相平衡方程：和計算理論塔板數(shù) ；第一板： ；第二板： ；第三板： ；第四板： ；因為， ；所以，第四塊板是進料板，

23、即為精餾段的理論塔板數(shù)。第五板： ；第六板： ；第七板： ； 第八板： ；第九板： ；第十板： ；第十一板： ；第十二板： ；因為， ；所以，總的理論塔板數(shù)為11塊。3.8.2 實際塔板數(shù)的確定：由，求出實總塔板層數(shù)； ；精餾段實際塔板數(shù)： ；提餾段實際塔板數(shù)： ；滿足 ；3.9 操作壓力的計算已知，塔頂溫度：=78.3； 進料板溫度：=96.0， 因為常壓下乙醇水是液態(tài)二相混合物，其沸點較低（小于100），所以，我們采用常壓精餾就可以成功分離。故塔頂壓強?。?取每層壓強降?。核讐簭姡哼M料板壓強：全塔平均操作壓強：精餾段平均操作壓強：提餾段平均操作壓強： 第四章 板式塔的主要尺寸的計算4.1

24、 塔體主要尺寸的計算4.1.1板間距和上清液層高度的確定工業(yè)上的吸收塔通常為圓柱形，故吸收塔的直徑可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式導出，即： 對于精餾過程，精餾段與提餾段的氣液負荷及物性是不相同的，故應分別計算出估算塔徑；但若兩者相差不大時，為制造方便，可取較大者作為兩段塔徑。計算步驟如下：我們查閱侯麗新編的板式精餾塔文獻得出：表4-1 塔板間距與塔徑的關系塔 徑/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距/HT，mm200300250350300450350600400600 另外，在塔體開有人孔處的塔板間距應有足夠的工作空間，其值常取700mm。板上清液層高度受很多

25、因素的影響，設計時，我們常選取經(jīng)驗數(shù)據(jù)。常壓塔：中型浮閥塔：減壓塔：由于塔徑還沒有計算出來，所以板間距與板上清液層高度都是選取初選值，還需要后面的計算和校核后才能確定。綜上所述，我們選取，本次設計是篩板塔（常壓塔），選取上清液液層高度為（在初估塔徑時，預先擬定塔板間距，一般當D'<1.5時，HT取0.2至0.4m；當>1.5時，HT取0.4至0.6）。4.1.2 空塔氣速的確定動能因素的計算：精餾段： 提餾段： 圖4 史密斯關聯(lián)圖查閱圖4史密斯關聯(lián)圖,由史密斯圖查得C20是表面張力為0.02時的蒸汽負荷因子，20dyn/cm時的經(jīng)驗系數(shù)，當表面張力為時需按式精餾段： 提餾段

26、： 4.1.3 求空塔氣速的計算適宜的空塔速度通常取最大允許空塔速度的倍，即其中 本次設計中安全系數(shù)暫取0.75精餾段：則提餾段：則4.1.4 塔徑的計算精餾段：提餾段：根據(jù)設計要求，我們?nèi)≥^大者為精餾塔塔徑，即D=1.2153m，圓整到1.200m(初估的塔徑要加以圓整，當塔徑小于1時，間隔按0.1進行圓整；當塔徑大于1時，間隔按0.2進行圓整)。由此，塔的截面積：4.1.4 實際空塔氣速 由此可知，精餾段和提餾段的安全系數(shù)滿足0.6-0.8范圍，所以，在本此設計中塔徑和板間距的選取均合理。4.1.5 板式塔有效高度的計算對于板式精餾塔，通過塔板效率將理論塔板層數(shù)換算為實際塔板層數(shù)，再選擇板

27、間距，由實際塔板層數(shù)和板間距可計算板式精餾塔的有效高度，即： 式中： 板式塔的有效高度， ； 實際板層數(shù) ； 板間距， ；因為，通過上面計算已經(jīng)得出塔徑，所以根據(jù)表4-1 ，我們可以確定 ；已知實際塔板數(shù) ；由于料液比較清潔，無需經(jīng)常清洗，我們根據(jù)經(jīng)驗可取每隔8塊板設置一個人孔，則人孔的數(shù)目為： 則在該范圍下全塔塔高為： ；另外，在塔體開有人孔處的塔板間距應有足夠的空間，其值常取 ，則此時全塔塔高為： ；4.2 塔板結構尺寸的確定4.2.1 板式塔主要參數(shù)的確定由于塔徑在800mm以上，或液流量小會造成液封，或需測線抽出液體時，常用凹形受液盤。所以本次設計采用單溢流型分塊式塔板。查閱侯麗新編板

28、式精餾塔得，、進口安定區(qū)寬度可取 ；、出口安定區(qū)寬度可取 ；、邊緣區(qū)寬度與塔徑有關，一般可取 ；因此，我們?nèi)∵吘墔^(qū)寬度，進出口安定區(qū)寬度，查侯麗新編板式精餾塔得：單流型： 雙流型兩側： 由于，上面給出塔徑 ；所以， ；查侯麗新編板式精餾塔的附錄八： 弓形溢流管寬度 ；弓形降液管面積 ；降液管面積與塔截面積之比 ；堰長與塔徑之比為保證溢流液中的泡沫有足夠的時間在降液管中得到分離，防止液泛現(xiàn)象，即液體在降液管中停留時間一般應大于或等于5s。即： 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間： 符合要求液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間： 符合要求4.2.2 弓形降液管根據(jù)堰長與塔徑之比,查閱侯麗新編板式精餾塔的附錄

29、八弓形溢流管寬度 ；弓形降液管面積 ；圖 10 弓形降液管示意圖選用平直堰，取，堰上液層高度為：堰高： 0.1000.014420.035580.0500.01442驗算是成立的。4.3 板式塔塔板的布置塔板板面根據(jù)所起的作用不同分、溢流區(qū)、泡沫區(qū)和無效邊緣區(qū)四個區(qū)域。4.3.1 開孔面積已度，根據(jù)6取無效邊緣區(qū)寬度， 泡沫區(qū)寬度設計中塔板選型為作單流型，有效開孔面積為： 帶人數(shù)據(jù)得到開孔面積為：4.3.2 篩板的篩孔和開孔率 乙醇-水溶液沒有腐蝕性，可選用碳鋼板。一般工業(yè)上的篩板孔徑為3至8mm，常用為46mm，孔徑太小加工制造困難，而且易堵塞，所以取篩孔d0為5mm?？字行木鄑一般為2.5

30、5d0，易使氣流互相干擾，過大則鼓泡不均勻，都影響傳質效率，故取。篩孔按正三角排列，取中心距篩孔數(shù)目為開孔率為 （在5-15%范圍內(nèi)） 氣體通過篩孔的氣速為 則： 精餾段 提餾段 第五章 塔板的流體力學計算5.1 氣體通過塔板的壓力降m液柱氣體通過塔板的壓力降(單板壓降)： ；氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨龋琺液柱氣體通過篩板的干板壓降，m液柱氣體通過板上液層的阻力，m液柱克服液體表面張力的阻力，m液柱5.1.1 干板壓力降干板壓降 =篩孔氣速，m/s孔流系數(shù)分別為氣液相密度，Kg/m3 根據(jù)d2/=5/3=1.670 查閱化工工藝設計手冊干篩孔的流量系數(shù)圖C0 =0.78 ；精餾段 液柱

31、提餾段 液柱5.1.2 板上充氣液層阻力板上液層阻力用下面的公式計算： 板上清液層高度，m反映板上液層充氣程度的因數(shù)，可稱為充氣因數(shù)降液管橫截面積，塔橫截面積= ；精餾段 動能因子 查侯麗新編板式精餾塔得，充氣系數(shù)與Fa的關聯(lián)圖可得 =0.40 則 提餾段 動能因子 Fa= 同理，查充氣系數(shù)與Fa的關聯(lián)圖可得 =0.50則： 5.1.3 由表面張力引起的阻力 液體表面張力的阻力 精餾段 提餾段 綜上可得：精餾段：壓力降提餾段：壓力降：5.2 液面落差 對于篩板塔，液面落差很小，且本設計的塔徑和流量均不大，故可忽略液面落差的影響5.3 液沫夾帶板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象，為保證板式塔

32、能維持正常的操作效果，Kg。液沫夾帶可以由以下公式計算： 精餾段提餾段 故在本次課程設計中，液沫夾帶常量在允許范圍內(nèi)。因此，不會發(fā)生過量液沫夾帶。5.4 漏液 漏液點氣速可由以下公式計算：穩(wěn)定系數(shù)：K=>1.5-2.0 篩孔氣速， ； 漏液點氣速， ；精餾段：實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為 提餾段穩(wěn)定系數(shù)為故在本次課程設計中沒有明顯漏液現(xiàn)象。5.5 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應服從的關系： 乙醇-水組分為不易發(fā)泡體系 故取 ；溢流管內(nèi)的清液層高度 ；所以，可見，故在本次設計中不會產(chǎn)生液泛現(xiàn)象。 第六章 塔板負荷性能圖6.1精餾段塔板負荷性能圖6.1.1 漏液線由，得：據(jù)此可以做出與流體

33、流量無關的水平漏液線1 ；6.1.2 液沫夾帶線以液/kg氣為限，求Vs-Ls關系如下： ， ;則0.08895+1.988LS2/3 0.45-0.08895-1.988LS2/3=0.361-1.988LS2/3 解得Ls/(m3/s)0.0020.0040.0060.008Vs/(m3/s)2.752.602.482.37據(jù)此，可作出液沫夾帶線2.6.1.3 液相負荷下限線對于平直堰， ，取堰上液層高度作最小液體負荷標準，由 據(jù)此，可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限3.6.1.4 液相負荷上限線以 作為液體在降液管中停留時間的下限據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上線4。6.1.

34、5 液泛線液泛線方程為： 其中 列表計算如下Ls/(m3/s)0.0040.0060.0080.010Vs/(m3/s)3.8343.6733.5073.233由此表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔的負荷性能圖如下：由圖可讀得，該塔的操作上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。由圖可讀得： 故操作彈性為6.2 提餾段負荷能圖6.2.1 漏液線由漏液線公式： 據(jù)此可以做出與流體流量無關的水平漏液線1 (2)液沫夾帶線以液/kg氣為限，求Vs-Ls關系如下： ， ；則0.08895+1.988LS2/3 0.45-0.08895-1.988LS2/3=0.361-1.988LS2/

35、3 解得Ls/(m3/s)0.0020.0040.0060.008/(m3/s)2.852.692.552.44可作出液沫夾帶線2(3)液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度作最小液體負荷標準，由 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限3.(4)液相負荷上限線以 作為液體在降液管中停留時間的下限據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上線4。(5) 液泛線液泛線方程為 其中 列表計算如下Ls/(m3/s)0.0040.0060.0080.010Vs/(m3/s)4.474.243.953.58由此表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔的負荷性能圖如下：由圖可讀得，該塔的操作

36、上限為霧沫夾帶控制，下限為漏液控制。由圖可讀得： 故操作彈性為第七章 板式精餾塔設備設計7.1 精餾塔塔體材料、內(nèi)徑、壁厚和強度校核（1）精餾塔塔體材料的選擇 精餾塔塔體材料：選擇依據(jù)：所要分離的物質是乙醇和水，對材料的腐蝕性不大，在滿足條件的材料中的價格相對便宜，所以選擇。（2）精餾塔的內(nèi)徑 （3）壁厚的計算 查閱化工工藝設計手冊，當在616mm的范圍內(nèi)時，操作壓力，設計壓力為：， 選取雙面焊無損檢測的比例為全部，所以 。計算壁厚：取=0.6 ，=2所以圓整后取（因為選用材料的設備最小的壁厚為6mm，即 （4） 強度校核本次設計，應求出水壓試驗下的壓力：因為得屈服極限，所以， 又因為為中較大

37、者，計算比較得： ；代入得： ，水壓試驗滿足要求。7.2 封頭的選型依據(jù)，材料及尺寸規(guī)格（1） 封頭的選型依據(jù) 封頭的選型：標準的橢圓型封頭 選型依據(jù)：從工藝操作 考慮，對封頭形狀無特殊要求。球冠形封頭、平板封頭都存在較大的邊緣應力，且采用平板封頭厚度較大，故不宜采用。理論上應對各種凸形封頭進行計算、比較后，再確定封頭形狀。但由定性分析可知：半球形封頭受力最好，壁厚最薄，但深度大，制造較難，中、低壓小設備不宜采用；碟形封頭的深度可通過過渡半徑r加以調節(jié)，但由于碟形封頭母線曲率不連續(xù)，存在局部應力，故受力不如橢圓形封頭；標準橢圓形封頭制造比較容易，受力狀況比碟形封頭好，故可采用標準橢圓形封頭。（

38、2） 封頭材料的選擇 封頭材料：（3）封頭的高即：所以其中精餾塔的內(nèi)徑封頭的高直邊高度為：（查JB/T4337-95可知）（4）封頭的壁厚計算壁厚：對于標準橢圓封頭，K=1取封頭是由整塊鋼板沖壓而成，所以圓整后取 (5) 強度校核校核筒體與封頭水壓試驗強度，根據(jù)式式中，滿足條件。且，,所以>滿足條件。7.3 精餾塔的塔板類型選擇 塔板類型：篩板塔依據(jù)：篩板塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為38mm，篩孔在塔板上作正三角形排布。篩板塔的優(yōu)點是：結構簡單，造價低廉，氣壓降小，板上液面落差也較小，生產(chǎn)能力及板效率較高，氣流分布均勻，傳質系數(shù)高；缺點：操作彈性小，篩孔小易發(fā)生堵塞，不利于黏度較

39、大的體系分離。本設計中，根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日330天，每天開動設備24小時計算，原料液流量為48000噸年，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，因此即使篩孔小也不易堵塞，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率。7.4 降液管的形式 采用弓形降液管 依據(jù)：因為弓形降液管具有較大的降液面積 ，氣液分離效果好，降液能力大。7.5 受液盤的設計 采用凹形受液盤依據(jù)：因為它可保證液體采出側線滿液，即使在高蒸汽流速和低液體流量下仍能保證液封，對流出降液管的液體有緩沖作用，減少對塔盤入口區(qū)的沖擊力。7.6 塔體各部分高度設計 精餾段有效高度的計算：提餾段有效高度的計算：由于料液較清潔

40、，無需經(jīng)常清洗，可取每隔8塊板設一個人孔，則人孔的數(shù)目為： 塔頂間距，塔底空間高度：，進料板處板間距：板式精餾塔塔高的計算：7.7 塔體各開孔補強設計 7.7.1 開孔補強設計方法 等面積補強法(1) 適用的開孔范圍圓筒當內(nèi)徑時，開孔最大直徑。凸形封頭的開孔最大直徑(2) 內(nèi)壓容器開孔所需補強的面積 殼體開孔所需補強面積內(nèi)壓容器的圓筒、橢圓形封頭開孔夠所需的補強面積為 式中開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍壁厚附加量，mm殼體開孔處的計算厚度，接管有效厚度強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值，當該比值大于1.0時，取殼體開孔處的計算壁厚按以下公式計算 （a）圓筒： （b

41、）橢圓形封頭：所以圓筒所需的補強面積為：7.7.2 開孔補強結構設計(1) 補強形式 外加強接管 依據(jù)：外加強接管結構簡單，加工方便，又能滿足補強要求，特別適用于中低壓容器的開孔補強。(2) 補強結構 采用整段件補強依據(jù)：這種結構是將接管與殼體連同加強部分作成整體鍛件，然后與殼體焊在一起。其優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應力最大部分，應力集中現(xiàn)象得到大大緩和。7.8 塔體各接管設計 接管長度h（mm）公稱直徑DN不保溫設備接管長保溫設備接管長使用公稱壓力（MPa）<1580130<42050100150<1.670350150200<1.670500<1.0(1) 進料

42、管查的96.0時， 則 進料體積流量：取適宜的輸送速度，進料管管徑：經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格： 實際管內(nèi)流速：設保溫層，所以查表知接管長度：(2) 釜殘液出料管釜液質量流率：出料溫度，在此溫度下 則 體積流率： 取適宜速度：則釜液出口管管徑：經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格：實際管內(nèi)流速：不設保溫層，所以查表知接管長度：(3) 回流液管回流液質量流率：回流溫度，在此溫度下 則 Kg/m3體積流率：取適宜速度則塔頂出口管管徑：經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格： 實際管內(nèi)流速：不設保溫層，所以查表知接管長度：7.9 塔體各接管補強允許無

43、補強的最大直徑：由于設計壁厚一般均超過實際需要，且剛才還要有一定塑性儲備，故在筒體、錐形及凸形封頭（其封頭中央80%內(nèi)徑范圍允許開孔）開孔，并滿足下列條件允許不另行補強：殼體名義厚度>12mm，；殼體名義厚度，；兩個相鄰開孔中心矩不小于兩孔直徑的兩倍。所以，進料管和塔釜不用補強。回流管： 按JB1207-73，c管用，補強尺寸為內(nèi)徑，厚度塔頂釜料管：查得，補強尺寸為內(nèi)徑，厚度同理得過飽和蒸汽管。7.10 塔體手孔及人孔的設計 人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。根據(jù)精餾塔是在常溫最高工作壓力為0.131的條件下工作，人孔標準應按公稱壓力為常壓的等級選取。從人孔類型系列標準可知，該人孔標

44、記為：HG21515-95 人孔FS（A.G）450-常壓 公稱直徑DN=450mm人孔數(shù)：每隔8層塔板開一人孔，人孔高度為0.5m，人孔數(shù)：7.11 人孔補強已知，補強圈的為內(nèi)徑，人孔補強采用補強圈補強。7.12 塔體支座的選擇選型：對于高大的塔設備，常用的支座選擇圓筒型裙座。在精餾裝置的工藝設計中，為了給精餾過程提供所需的熱量(熱源)，需要把塔底的再沸器產(chǎn)生的蒸汽送回精餾塔內(nèi)，按其輸送的方式，可分為熱虹吸式循環(huán)(自然循環(huán))和強制循環(huán)(機械循環(huán))兩種其中依靠流體的密度差的熱虹吸式循環(huán)方式在設計中應用的最為廣泛，他不僅能夠省去循環(huán)泵，降投資，而且具有再沸器傳熱系數(shù)大，加熱段滯留時間短，結構緊湊

45、等特點。但此時，如果塔底裙座高度設計不正確，會使精餾操作不能正常進行。為此，在精餾裝置的設計中，裙座高度的計算就得十分重要。根據(jù)塔高和熱負荷，按經(jīng)驗值取精餾塔塔底裙座高度為。焊接形式采用與塔體對接焊。7.13 除沫器的設計 采用絲網(wǎng)除沫器 依據(jù)：絲網(wǎng)除沫器具有比表面積大，重量輕，空隙率大以及使用方便等優(yōu)點。特別是它具有除沫效率高，壓力降小的特點，因而是應用最廣泛的除沫裝置。合理的氣速食除沫器取的較高的除沫效率的重要因素。實際使用中常用的設計氣速取13m/s。絲網(wǎng)層的厚度按工藝條件由試驗確定。當金屬絲直徑為0.0760.4mm，網(wǎng)層重度為4805300，在上述適宜氣速下，絲網(wǎng)層的畜液厚度為255

46、0mm，此時取絲網(wǎng)厚度為100150mm，可獲得較好的沫效果。法蘭設計與選型（材料、密封面的形式、墊片設計，螺栓螺母設計選型）以及各焊接形式的確定7.14 法蘭的設計與選型 根據(jù)操作溫度（最大99.5 ），設計壓力最大（0.12MPa）和所用材料可知，所選法蘭應按公稱壓力PN為0.25MPa來選擇其尺寸，由于操作壓力不高，直徑也不大，為此法蘭可供選擇的有甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭，綜合各種因素和制造成本的低廉時。本設計采用甲型平焊法蘭，法蘭的材料科選擇為16MnR，同塔設備其他材料相同可以減少因材料分子間在力的作用下產(chǎn)生的排斥力。墊片材料選用石棉膠板，寬度20mm(化工設備設計基

47、礎，天津大學出版社，譚蔚，附表8 )。連接螺栓材料為Q235B，M20(化工制圖 )密封面的形式： 常用的法蘭密封形式有平面形壓緊面、凹凸形壓緊面、榫槽形壓緊面、錐形壓緊面、梯形壓緊面，本設計中由于公稱直徑為1600mm、公稱壓力最大0.12MPa，這種情況下，為了保證除有足夠的壓緊面外，也要注重密封性能的最佳，更要考慮結構制造上的簡單性，操作至少要簡便，最終采用凹凸形壓緊面的形式。墊片設計： 墊片是構成密封的重要原件，適當?shù)膲|片變形和回彈能力是形成 密封的必要條件。最常用的墊片可分為非金屬、金屬以及非金屬與金屬混合制的墊片。本設計中采用非金屬墊片材料，它所具有的有點是柔軟和耐腐蝕性，設計中所

48、用的為橡膠石棉板，寬度20mm。焊接形式的確定：焊縫是容器或受壓原件中比較薄弱的環(huán)節(jié)，雖然在確定焊接材料時，往往使得焊縫金屬的強度等于甚至超過母材金屬的強度，但由于施焊過程中焊接熱的影響，而造成焊接應力、焊縫金屬晶粒度粗大以及氣孔、未焊透等缺陷，降低了焊縫及附近區(qū)域的強度。本設計由于操作壓力不高、直徑不大，因此法蘭的選擇采用平焊的方式進行。第八章 精餾塔的主要附屬設備8.1 各種附屬設備參數(shù)的確定 8.8.1 全凝器熱負荷及冷卻水消耗量 冷卻器一個：將產(chǎn)品冷卻到要求的溫度后排出。取水進口溫度為25，水的出口溫度為，塔頂出口氣體的溫度為78.3，塔頂乙醇質量分數(shù)為93時，查得乙醇的汽化熱為38.80kJ/mol，在此溫度下。 取安全系數(shù)0.75，取冷卻