課程設計
課程名稱： 化工原理
題目名稱： 分離乙醇—水板式精餾塔設計
學生學院： 輕工化工學院
專業班級
學生學號
學生姓名
指導教師
2010 年 6 月 20 日
符號說明：
英文本母
aa---- 塔板的開孔區面積，m2
af---- 降液管的截面積, m2
ao---- 篩孔區面積, m2
at----塔的截面積 m2 △pp----氣體通過每層篩板的壓降
c----負荷因子無因次 t----篩孔的中心距
c20----表面張力為20mn/m的負荷因子
do----篩孔直徑 u』o----液體通過降液管底隙的速度
d----塔徑 m wc----邊緣無效區寬度
ev----液沫夾帶量 kg液/kg氣 wd----弓形降液管的寬度
et----總板效率 ws----破沫區寬度
r----回流比
rmin----最小回流比
m----平均摩爾質量 kg/kmol
tm----平均溫度 ℃
g----重力加速度 9.81m/s2 z----板式塔的有效高度
fo----篩孔氣相動能因子 kg1/2/(s.m1/2)
hl----進口堰與降液管間的水平距離 m θ----液體在降液管內停留時間
hc----與乾板壓降相當的液柱高度 m υ----粘度
hd----與液體流過降液管的壓降相當的液注高度 m ρ----密度
hf----塔板上鼓層高度 m σ----表面張力
hl----板上清液層高度 m ψ----液體密度校正係數
h1----與板上液層阻力相當的液注高度 m 下標
ho----降液管的義底隙高度 m max----最大的
how----堰上液層高度 m min----最小的
hw----出口堰高度 m l----液相的
h』w----進口堰高度 m v----氣相的
hσ----與克服表面張力的壓降相當的液注高度 m
h----板式塔高度 m
hb----塔底空間高度 m
hd----降液管內清液層高度 m
hd----塔頂空間高度 m
hf----進料板處塔板間距 m
hp----人孔處塔板間距 m
ht----塔板間距 m
h1----封頭高度 m
h2----裙座高度 m
k----穩定係數
lw----堰長 m
lh----液體體積流量 m3/h
ls----液體體積流量 m3/s
n----篩孔數目
p----操作壓力 kpa
△p---壓力降 kpa
△pp---氣體通過每層篩的壓降 kpa
t----理論板層數
u----空塔氣速 m/s
u0,min----漏夜點氣速 m/s
uo』 ----液體通過降液管底隙的速度 m/s
vh----氣體體積流量 m3/h
vs----氣體體積流量 m3/s
wc----邊緣無效區寬度 m
wd----弓形降液管寬度 m
ws ----破沫區寬度 m
z ---- 板式塔的有效高度 m
希臘字母
δ----篩板的厚度 m
θ----液體在降液管內停留的時間 s
υ----粘度 mpa.s
ρ----密度 kg/m3
σ----表面張力n/m
φ----開孔率無因次
α----質量分率無因次
下標max---- 最大的
min ---- 最小的
l---- 液相的
v---- 氣相的
1.1題目：
分離乙醇—水板式塔精餾塔設計
1.2生產原始資料：
1） 原料：乙醇—水混合物，含乙醇35%（質量分數），溫度35℃；
2） 產品：餾出液含乙醇93%（質量分數），溫度38℃，殘液中含酒精濃度≤0.5%；
3） 生產能力：原料液處理量55000t／年，每年實際生產天數330t，一年中有乙個月檢修；
4） 熱源條件：加熱蒸汽為飽和蒸汽，其表壓為2.5kgf/cm2；
5） 當地冷卻水水溫25℃；
6） 操作壓力：常壓101.325kpa；
1.3設計任務及要求
1） 設計方案的選定，包括塔型的選擇及操作條件確定等；
2） 確定該精餾的流程，繪出帶控制點的生產工藝流程圖，標明所需的裝置、管線及其有關觀測或控制所必需的儀表和裝置；
3） 精餾塔的有關工藝計算
計算產品量、釜殘液量及其組成；
最小回流比及操作回流比的確定；
計算所需理論塔板層數及實際板層數；
確定進料板位置。
1.4塔主體尺寸的計算（塔徑）
1.5塔板結構尺寸的設計
1.6流體力學驗算
1.7畫出負荷效能圖
1.8輔助裝置的選型
1） 確定各接管尺寸的大小；
2） 計算儲罐容積，確定儲罐規格；
3） 熱量衡算，計算全塔裝置所用蒸汽量和冷卻水用量，確定每個換熱器的傳熱面積並進行選型；
4） 根據伯努利方程，計算揚程，確定幫浦的規格型別；
5） 壁厚，法蘭，封頭，吊柱等的選定。
1.9設計結果彙總
附圖1為帶控制點的工藝流程圖。
流程概要；
乙醇－水混合原料經預熱器加熱到泡點後，送進精餾塔，塔頂上公升的蒸汽採用全凝器冷凝後，一部分採用回流，其餘為塔頂產物，塔釜採用間接蒸汽加熱供熱，塔底產物冷卻後送人貯槽。
篩板塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為3~8mm，篩孔在塔板上作正三角形排布。篩板塔的優點是：結構簡單，造價低廉，氣壓降小，板上液面落差也較小，生產能力及板效率較高，氣流分布均勻，傳質係數高；缺點：
操作彈性小，篩孔小易發生堵塞，不利於黏度較大的體系分離。
本設計中，根據生產任務，若按年工作日330天，每天開動裝置24小時計算，原料液流量為55000t／年，由於產品粘度較小，流量較大，因此即使篩孔小也不易堵塞，為減少造價，降低生產過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產效率。
因此，本設計最終選用篩板塔。
精餾可在常壓、加壓和減壓下進行，確定操作壓力主要是根據處理物料的性質、技術上的可行性和經濟上的合理性考慮的。
《化工原理》修訂版下冊，夏清編
一般來說，常壓蒸餾最為簡單經濟，若物料無特殊要求，應盡量在常壓下操作。對於乙醇－水體系，在常壓下已經是液態，且乙醇－水不是熱敏性材料，在常壓下也可成功分離，所以選用常壓精餾。因為高壓或者真空操作會引起操作上的其他問題以及裝置費用的增加，尤其是真空操作不僅需要增加真空裝置的投資和操作費用，而且由於真空下氣體體積增大，需要的塔徑增加，因此塔裝置費用增加。
因此，本設計選擇常壓操作條件。
進料狀態有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中。這樣一來，進料溫度就不受季節、氣溫變化和前道工序波動的影響，塔的操作就比較容易控制。此外，泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，設計製造均比較方便。
因此，本設計選擇泡點進料。
精餾段通常設定再沸器，採用間接蒸汽加熱，以提供足夠的熱量。若待分離的物係為某種組分和水的混合物，往往可以採用直接蒸汽加熱的方式。但當在塔頂輕組分**率一定時，由於蒸汽冷凝水的稀釋作用，可使得釜殘液中的輕組分濃度降低，所需的理論塔板數略有增加，且物係在操作溫度下黏度不大有利於間接蒸汽加熱。
因此，本設計選用間接蒸汽加熱的方式提供熱量。
精餾的原理是多次進行部分汽化和冷凝，因此，熱效率很低，通常進入再沸器的能量僅有5%被有效的利用。塔頂蒸氣冷凝放出
《常用化工單元裝置設計》第二版，李功樣編
大量的熱量，但其位能低，不可能直接用來作塔釜的熱源。但可作低溫熱源，或通入廢熱鍋爐產生低壓蒸氣，供別處使用。或可採用熱幫浦技術，提高溫度再用於加熱釜液。
採用釜液產品去預熱原料，可以充分利用釜液產品的餘熱，節約能源。因此本設計利用釜殘液的餘熱預熱原料液至泡點。
泡點回流易於控制，設計和控制時比較方便，而且可以節約能源。但由於實驗中的設計需要，所需的全凝器容積較大須安裝在地面，因此回流至塔頂的回流液溫度稍有降低，在本設計中為設計和計算方便，暫時忽略其溫度的波動。
因此，本設計選用泡點回流。
1) 本精餾裝置利用高溫的釜液與進料液作熱交換，同時完成進料液的預熱和釜液的冷卻，經過熱量與物料衡算，設想合理。釜液完全可以把進料液加熱到泡點，且低溫的釜液直接排放也不會造成熱汙染。
2) 原料液經預熱器加熱後先通過離心幫浦送往高位槽，再通過閥門和轉子流量計控制流量使其滿足工藝要求。
3) 本流程採用間接蒸汽加熱，使用25℃水作為冷卻劑，通入全凝器和冷卻器對塔頂蒸汽進行冷凝和冷卻。從預熱器、全凝器、冷卻器出來的液體溫度分別在50-60℃、40℃和35℃左右，可以用於民用熱澡水系統或輸往鍋爐製備熱蒸汽的重複利用。
4) 本設計的多數接管管徑取大，為了能使塔有一定操作彈性，允許氣體液體流量增大，所以採取大於工藝尺寸所需的管徑。
分離乙醇 水板式精餾塔設計設計說明書
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