精餾塔設(shè)計說明書

西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院食品工程原理課程設(shè)計闡明書任務(wù)名稱：塔板式精餾塔設(shè)計設(shè)計人：XXXXXX專業(yè)：食品科學(xué)與工程班級組別：食品工程12（1班）-塔板式精餾塔設(shè)計設(shè)計時間：.1.12-.1.16成績:中國陜西楊陵

乙醇—水精餾塔設(shè)計任務(wù)書（板式塔）一．設(shè)計題目乙醇—水持續(xù)精餾塔設(shè)計。二．設(shè)計原始數(shù)據(jù)及操作條件及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1.進精餾塔料液含乙醇30％(質(zhì)量)。2.產(chǎn)品乙醇含量不得低于98％(質(zhì)量)。3.殘液中乙醇含量不得高于0.2％(質(zhì)量)。4.生產(chǎn)能力為日產(chǎn)(24小時)

24噸98％(質(zhì)量)乙醇產(chǎn)品。5.操作條件①進料熱狀態(tài)

q取1.2。②回流比自選。6.基礎(chǔ)數(shù)據(jù):=1\*GB3①常壓下乙醇—水系統(tǒng)x—y數(shù)據(jù):相對揮發(fā)度α取2.0=2\*GB3②ET取56%=3\*GB3③HT取0.3m=4\*GB3④空塔氣速取1.0m/s三．設(shè)備型式設(shè)備型式為板式塔．四．設(shè)計任務(wù)1.設(shè)計方案確實定及闡明。2.塔工藝計算。3.塔高、塔徑尺寸及某些輔助件尺寸確實定。4.設(shè)計成果概要或設(shè)計一覽表。5.精餾塔工作圖。6.對本設(shè)計評述或有關(guān)問題分析討論。目錄（一）設(shè)計方案簡介 -4-（二）工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計計算 -4-1．精餾流程確實定 -4-2．塔物料恒算 -4-2.1料液及塔頂、塔底產(chǎn)品摩爾分?jǐn)?shù) -5-2.2料液及塔頂、塔底產(chǎn)品平均摩爾質(zhì)量 -5-2.3物料恒算 -5-3．塔板數(shù)確實定 -5-3.1理論塔板數(shù)求取 -5-3.1.1繪制相平衡圖 -5-3.1.2求最小回流比、操作回流比 -5-3.1.3求理論塔板數(shù) -6-3.2全塔效率 -8-3.3實際塔板數(shù) -8-4．塔工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算[2] -8-4.1操作壓力 -8-4.2溫度[1] -8-4.3平均摩爾質(zhì)量 -8-4.4平均密度 -9-4.5液體表面張力 -10-4.6液體黏度 -11-5．氣液負荷計算[2] -11-6．塔和塔板重要工藝尺寸計算[3]，[4] -12-6.1塔徑 -12-6.2溢流裝置 -12-6.2.1溢流堰長度 -12-6.2.2出口堰高度 -12-6.2.3弓形降液管寬度Wd和截面積Af -13-6.2.4降液管底隙高度h -14-6.3塔板布置 -14-6.4篩孔數(shù)與開孔率 -14-6.5塔有效高度(精餾段) -15-6.6塔高計算 -15-7.篩板流體力學(xué)驗算[5] -15-7.1塔板壓降 -15-7.2液面落差 -17-7.3.液沫夾帶 -17-7.4漏液 -17-7.5液泛 -17-8.塔板負荷性能圖[6] -18-8.1漏液線 -18-8.2液沫夾帶線 -18-8.3液相負荷下限線 -19-8.4液相負荷上限線 -19-8.5液泛線 -19-篩板重要成果匯總表 -20-9.附圖 -22-10.本設(shè)計評價或有關(guān)問題分析討論 -23-附：參照文獻 -24-符號闡明 25（一）設(shè)計方案簡介精餾是分離液體混合物最常用一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量計驅(qū)動下，使氣，液兩相多次直接接觸和分離，運用液相混合物中各相分揮發(fā)度不一樣，使揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。實現(xiàn)原料混合物中各構(gòu)成分離該過程是同步進行傳質(zhì)傳熱過程。本課程設(shè)計重要內(nèi)容是過程物料衡算，熱量衡算，工藝計算，構(gòu)造設(shè)計和繪精餾塔構(gòu)造圖。（二）工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計計算1．精餾流程確實定本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇—水混合物。對于二元混合物分離，應(yīng)采用持續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用q=1.2進料，將原料液通過預(yù)熱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，冷凝液一部分回流至塔內(nèi)，其他部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬于易分離物系，回流比取最小回流比1.5倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。2．塔物料恒算2.1料液及塔頂、塔底產(chǎn)品摩爾分?jǐn)?shù)乙醇摩爾質(zhì)量MA=46.07kg/kmol水摩爾質(zhì)量MB=18.02kg/kmol料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分?jǐn)?shù)xF=xD=xw=2.2料液及塔頂、塔底產(chǎn)品平均摩爾質(zhì)量MF=0.144×46.07＋（1－0.144）×18.02=22.06㎏/molMD=0.95×46.07＋（1－0.95）×18.02=44.67㎏/molMW=0.0008×46.07＋（1－0.0008）×18.02=18.04㎏/mol2.3物料恒算乙醇產(chǎn)量 D’=1000kg/hD=總物料橫算D+W=F易揮發(fā)組分物料橫算0.144F=0.950D＋0.0008W聯(lián)立解得W=F=3．塔板數(shù)確實定3.1理論塔板數(shù)求取3.1.1繪制相平衡圖由氣液平衡方程α=2.0得 可在兩組分溶液x—y圖上畫出氣液平衡線3.1.2求最小回流比、操作回流比由于q=1.2,根據(jù)即q線方程 y=6x-0.72與平衡線交于q點，可算出q點對應(yīng)x、y值，=0.287,=0.168;

故最小回流比為Rmin=5.58取操作回流比為R=1.5Rmin=1.5×5.58=8.373.1.3求理論塔板數(shù)乙醇-水屬理想物系，可采用逐板計算法或圖解法求理論板層數(shù)。本設(shè)計采用逐板計算法精餾段操作線方程：精餾段液相質(zhì)量流量：精餾段氣相質(zhì)量流量：精餾段操作方程：提餾段液相質(zhì)量流程：提段氣相質(zhì)量流程：提餾段操作線方程：.由以上精餾段操作方程和提餾段操作線方程可得：兩操作線交點橫坐標(biāo)為精餾段塔板數(shù)氣相液相1234567890.950.90890.84490.75420.64160.52280.41700.33620.28150.90480.83300.73150.60540.47230.35390.26340.0.1638提餾段塔板數(shù)氣相液相進料板11121314151617181920212223242526272829300.24730.21550.18440.15500.12810.10430.08380.06650.05220.04060.03130.02390.01810.01350.01000.00730.00530.00370.00250.00160.00080.14110.12080.10160.08400.06840.05500.04370.03440.02680.02070.01590.01210.00910.00680.00500.00370.00270.00190.00130.00080.0004③精餾段理論板數(shù)為9層，提餾段理論板數(shù)為20層，第10層為加料板。3.2全塔效率 ET=56%3.3實際塔板數(shù)總理論板層數(shù)NT=29進料板位置NF=10精餾段實際板層數(shù)N精=9÷0.56=16.07≈17層提餾段實際板層數(shù)N提=20÷0.56=35.7≈38層4．塔工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算[2]4.1操作壓力塔頂操作壓力PD=101.3kPa每層塔板壓降取△P=0.7kPa進料板壓力PF=101.3＋0.7×17=113.2kPa精餾段平均壓力Pm（精）==107.3KPa 塔底壓力PW=101.3＋0.7×53=138.4kPa提餾段平均壓力Pm（提）==125.8KPa4.2溫度[1]根據(jù)操作壓力，試差法計算出操作溫度。塔頂溫度tD=78.0℃進料板溫度tF=98.9℃塔底溫度tW=97.4℃精餾段平均溫度t精==88.45℃提餾段平均溫度t提==98.15℃4.3平均摩爾質(zhì)量 塔頂平均摩爾質(zhì)量計算由xD=y1=0.95,查平衡曲線得x1=0.9048MVDm=0.95×46.07＋(1－0.95)×18.02=44.67kg/kmol氣態(tài)MLDm=0.9048×46.07＋(1－0.9048)×18.02=43.40kg/kmol回流液態(tài)進料板平均摩爾質(zhì)量計算由yF=0.2473查平衡曲線得xF=0.1411MVFm=0.2473×46.07＋（1－0.2473）×18.02=24.96kg/kmol 氣態(tài)MLFm=0.1411×46.07＋（1－0.1411）×18.02=21.98kg/kmol 回流液態(tài)塔底平均摩爾質(zhì)量計算由yW=0.0008,查平衡曲線得xW=0.0004MVWm=0.0008×46.07＋(1－0.0008)×18.02=18.042kg/kmol氣態(tài)MLWm=0.0004×46.07＋(1－0.0004)×18.02=18.031kg/kmol回流液態(tài)精餾段平均摩爾質(zhì)量MVm==34.82kg/kmolMLm==32.69kg/kmol提餾段平均摩爾質(zhì)量MVm==21.50kg/kmolMLm==20.01kg/kmol4.4平均密度（1）氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，即==1.243㎏/m3==0.876㎏/m3（2）液相平均密度計算1/ρlm=∑αi/ρi塔頂液相平均密度計算由TD=78.0℃,查手冊得ρa=739㎏/m3ρb=973㎏/m3ρLDm=進料板液相平均密度計算由TF=98.9℃,查手冊得ρa=716㎏/m3ρb=958㎏/m3進料板液相質(zhì)量分率aAF==0.296ρLFm==870.87㎏/m3提餾段液塔頂液相平均密度計算由Tw=97.4℃,查手冊得ρa=718㎏/m3ρb=959㎏/m3aAw==0.0010ρLWm=相平均密度為ρLm（精）=㎏/m3ρLm（提）=㎏/m34.5液體表面張力液相平均表面張力計算σLm=∑xiσi塔頂液相平均表面張力計算由tD=78.0℃,查手冊得σA=17.4mN/mσB=63mN/mσLDm=0.9048×17.4＋（1-0.9048）×63=21.74mN/m進料板液相平均表面張力計算由tF=98.9℃,查手冊得σA=15.2mN/mσB=58.8mN/mσLFm=0.1411×15.2＋（1-0.1411）×58.8=52.65mN/m塔底液相平均表面張力計算由tw=97.4℃,查手冊得σA=15.4mN/mσB=59.3mN/mσLWm=0.0004×15.4＋（1-0.0004）×59.3=59.28mN/m精餾段液相平均表面張力為σLm（精）=mN/m提餾段液相平均表面張力為σLm（提）=mN/m4.6液體黏度已知：乙醇A=686.64B=300.88塔頂水黏度進料板水黏度則精餾段平均液相黏度為5．氣液負荷計算[2]精餾段氣液負荷計算L=RD=8.37×22.39=187.40kmol/hV=（R＋1）D=9.37×22.39=209.79kmol/h Lh=7.56m3/h提餾段氣液負荷計算=V+0.2F=239.47kmol/h===1.63=+q=365.49kmol/h===0.0022=7.926．塔和塔板重要工藝尺寸計算[3]，[4]6.1塔徑D精餾段：由已知條件得U=1.0m/s提餾段：===1.44按原則取提餾段和精餾段塔徑大,故取D=1.44m塔截面積=6.2溢流裝置6.2.1溢流堰長度因塔徑D=1.44m可選用單溢流弓形降液管，采用平形受液盤。堰長lw=（0.6~0.8）D，取堰長為0.6D，即lw=0.6D=0.6×1.44=0.864m6.2.2出口堰高度hw=hL-how由=0.6,=10.9查下圖，近似取E=1.03，選用平直堰，堰上液層高度how=則 how=取板上清液層高度為hL=0.06m故hw=0.06－0.0124=0.0476m6.2.3弓形降液管寬度Wd和截面積Af由=0.6查圖得=0.053=0.1 故Af=0.053×∏D2/4=0.08639㎡Wd=0.1×1.44=0.144m驗算液體在降液管中停留時間，即τ==12.34s>5s故降液管設(shè)計合理6.2.4降液管底隙高度h。取u′=0.10m/s h。==0.0243m hw－h(huán)。=0.0476-0.0243=0.0233m＞0.006m故降液管底隙高度設(shè)計合理。6.3塔板布置①塔板分塊因D=1440mm≥800mm，故塔板采用分塊式。查表得，塔板分為4塊。塔/mm800-12001400-16001800-2200-2400塊數(shù)3466②邊緣區(qū)寬度確定取Ws=0.08m，Wc=0.04m，Wd=0.1D=0.144開孔區(qū)面積r=-Wc=0.68m x=-Ws-Wd=0.496mAa=1.22m2以上各參數(shù)參見設(shè)計指導(dǎo)冊圖4-8，此處塔板布置圖從略。6.4篩孔數(shù)與開孔率本例處理物系無腐蝕性，可選用δ=4㎜碳鋼板，取篩孔直徑=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔心距t=4=4×5.0=20.0㎜篩孔數(shù)目n=1.158=1.158×=3531.9=3532個開孔率φ==0.907=0.907=5.67%氣體通過閥孔氣速A0=φAa==0.069m2u。===23.65m/s 6.5塔有效高度精餾段有效高度：Z=(17-1)×0.3=4.8m提餾段有效高度：Z=10.5m在進料板上方開一人孔，人孔高度為0.8m則總高度Z=Z+Z+0.8=16.1m6.6塔高計算H=(Np-1)×HT=（53-1）×0.3=15.9≈16m7.篩板流體力學(xué)驗算[5]7.1塔板壓降①干板阻力hc計算由==1.25,查圖得，=0.78故hc=0.051=0.051=0.0072m②氣體通過液層阻力計算h=ua===1.057m/s查圖得，=0.63故h1=hL=（hw+how）=0.63（0.0476+0.0124）=0.0378m液柱③液體表面張力阻力hσ計算hσ===0.0038m氣體通過每層塔板液柱高度hp計算 hp=hc+hl+hσ=0.0072＋0.0378＋0.0038=0.0488m液柱氣體通過每層塔板壓降為Pp=hpρLg=0.0488×806.72×9.8=385.81pa＜0.7kpa（設(shè)計容許值）7.2液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本例塔徑和液流量均不大，故可忽視液面落差影響。7.3.液沫夾帶ev==0.0372kg液/kg氣<0.1kg液/kg氣故在本設(shè)計中液沫夾帶量ev在容許范圍內(nèi)。7.4漏液對篩板塔， =8.567m/s實際孔速u。=23.65>u。min=8.567穩(wěn)定系數(shù)為K===2.76>1.5故在本設(shè)計中無明顯漏液。7.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高Hd應(yīng)服從Hd≤φ(HT＋hw)取φ=0.5，則φ（HT＋hw）=0.5×（0.3＋0.0476）=0.1738m而Hd=hp+hL+hdhd=0.153u′。2=0.153×0.12=0.00153液注Hd=0.0488＋0.06＋0.00153=0.1241m液注Hd≤φ(HT＋hw)故在本設(shè)計中不會液泛現(xiàn)象。8.塔板負荷性能圖[6]8.1漏液線由hL=hw+howhow=得整頓得：Vs,min=0.2368在操作范圍內(nèi)，任取幾種Ls值，依上式計算出Vs值，計算成果列于表中Ls,m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s0.64020.71430.79940.8643由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1.8.2液沫夾帶線以ev=0.1kg液/kg氣為限，求Vs—Ls關(guān)系如下：由ev=ua===0.6478Vshf=2.5hL=2.5（hw+how）hw=0.0476how==0.765Ls?故hf=0.119+1.9125Ls?HT-hf=0.181-1.9125Ls?ev=取ev極限值0.1kg液/kg氣則0.1=1.53×10-4整頓得Vs=2.118-22.38Ls?在操作范圍內(nèi)，任取幾種Ls值，依上式計算出Vs值，計算成果列于表中Ls,m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s1.95881.82471.65251.5080由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2.8.3液相負荷下限線對于平直堰,取堰上液層高度how=0.0124m作為最小液體負荷原則。 how==0.0124取E=1.04，則Ls,min==0.00207m3/s據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)垂直液相負荷下限線8.4液相負荷上限線以θ=4s作為液體在降液管中停留時間下限，θ==4故Ls,min===0.00648m3/s 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)垂直液相負荷上限線4.8.5液泛線2/3=0.7648Ls2/3hp=hc+hl+hσhc=0.051=0.02713Vs2hL=hw+how=0.0476+hl=hL=0.02998+hp=0.02713Vs2+0.4818Ls2/3+0.03378hd=0.153=347.097Ls2整頓得Vs2=3.4058－12793.84Ls2－45.949Ls?在操作范圍內(nèi)，任取幾種Ls值，依上式計算出Vs值，計算成果列于表中Ls,m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s3.07432.77492.33491.8943由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5.根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔負荷性能圖，如圖（2）所示在負荷性能圖上，作出操作點P，連接OP，即做出操作線。由圖可看出，該篩板操作上限為液沫夾帶控制，操作下限為漏液控制。由圖（2）查得Vs,max=1.754m3/sVs,min=0.75m3/s故操作彈性為Vs,max/Vs,min=1.754/0.75=2.339計篩板重要成果匯總表。項目符號單位計算數(shù)據(jù)精餾段提餾段各段平均壓強107.3125.8各段平均溫度℃88.4598.15平均流量氣相1.6321.63平均流量液相0.00210.0022實際塔板數(shù)層1736板間距0.30.3塔有效高度4.810.5塔徑1.441.44空塔氣速1.01.0塔板液流形式單流型溢流裝置溢流管形式弓形堰長0.864堰高0.0476溢流堰寬度0.144降液管底隙高度0.0243板上清液層高度0.06孔徑5孔間距20孔數(shù)n個3532開孔面積0.069篩孔氣速23.65塔板壓強降0.7液體在降液管中停留時間12.349.附圖圖1水-乙醇精餾塔設(shè)計圖注：圖1中塔板數(shù)并非真實，由于塔板距影響，導(dǎo)致不能完全將塔板數(shù)畫全，故而精餾段塔板數(shù)和提餾段塔板數(shù)按比例畫。圖2精餾段負荷性能圖10.本設(shè)計評價或有關(guān)問題分析討論本次課程設(shè)計從計算過程中愈加深刻認(rèn)識到精餾塔構(gòu)成，也認(rèn)識到了專業(yè)課程和實踐結(jié)合重要性，同步愈加認(rèn)識到了計算艱苦。本次設(shè)計，我們結(jié)合了老師ppt，資料室以及學(xué)姐們給資料來進行設(shè)計，首先問題是計算，由于計算粗心，導(dǎo)致后邊諸多數(shù)值都受到影響，經(jīng)多次計算才到達規(guī)定，另一方面，在繪圖時因比例不合適及標(biāo)注等問題也是經(jīng)多次修改才感覺有所滿意。而通過多次計算與構(gòu)造理解，認(rèn)識到精餾塔重要作用，根據(jù)操作方式又可分為持續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸氣由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中易揮發(fā)(低沸點)組分乙醇不停地向蒸氣中轉(zhuǎn)移，蒸氣中難揮發(fā)(高沸點)組分水不停地向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸氣愈靠近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈靠近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，到達組分分離目。由塔頂上升蒸氣進入冷凝器，冷凝液體一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其他部分則作為餾出液取出。塔底流出液體，其中一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜殘液取出。因影響塔效率原因多且復(fù)雜，設(shè)計中采用是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。設(shè)計中許多數(shù)據(jù)選擇是在相對圖表中粗測定出，因而誤差較大，且對后續(xù)設(shè)計計算也有影響。尚有某些經(jīng)驗公式是上網(wǎng)查,如試差法求溫度時,安托尼方程三個常數(shù),我們把參照網(wǎng)址放在了參照文獻里,最終試差成果很理想，誤差分別為0.6%和0.1%，都不超過1%.黏度之類數(shù)據(jù)查閱了有關(guān)熱力學(xué)手冊和書本附錄。設(shè)計及計算大體流程培養(yǎng)工程觀念：理論→小試→放大。精餾