分離乙醇和水的混合物課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　概述……………………………………………………………………… 3</p><p>　　塔設備的類型……………………………………………………………………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 塔設備的選型……………………………………………………………4</p><p>　　第二章 設計任務……………………………………………………………………5</p><p>　　2.1 設計摘要………………………………………………………………… 5</p

3、><p>　　2.2 設計任務及條件………………………………………………………… 6</p><p>　　2.3 設計任務書……………………………………………………………… 6</p><p>　　第三章 設計方案簡介………………………………………………………………8</p><p>　　3.1 設計方案的確定……………………………………

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 塔板數的確定 ……………………………………………………… 14</p><p>　　4.2 精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算…………………………………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、>　　工藝設計計算結果與主要符號說明……………………………………………… 44</p><p>　　主要參考文獻……………………………………………………………………… 46</p><p>　　課程設計心得……………………………………………………………………… 46</p><p><b>　　第一章 概述</b></p>

15、<p>　　1.1 塔設備的類型</p><p>　　塔設備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產過程中廣泛采用的傳質設備。根據塔內氣液接觸構件的結構形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。</p><p>　　板式塔內設置一定數量的塔板，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)上評價塔設備的性能指標主要有以下幾個方面：生產能力；分離效率；塔壓降；操作彈性；結構、制造及造價等。現就板式塔與填料塔的性能比較如下：</p><p><b>　　生產能力</b></p><p>　　板式塔與填料塔的液體流動和傳質機理不同。板式塔的傳質是通過上升氣體穿過板上的液層來實現的，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。填料塔內件的開孔率通常在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性很大，故填料塔的操作彈性取決于塔內件的設計，特別是液體分布器的設計，因而可根據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>　　結構、制造及造價等</b></p><p>　　一般來說，填料塔的結構較板式塔簡單，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。板式塔容易實現側線進料和出料，

22、而填料塔對側線進料和出料等復雜情況不太適合。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塔設備的選型</p><p>　　工業(yè)上，塔設備主要用于蒸餾和吸收傳質單元操作過程。傳統(tǒng)的設計中，蒸餾過程多選用板式塔，而吸收過程多選用填料塔。近年來，隨著塔設備設計水平的提高及新型塔構件的出現，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用范例，尤其是填料塔在精餾過程中的應用已非常普遍。</p><p>　　對于一個具體的分離過程，設計中選擇何種塔型，應根據生產能力、分離效率、塔壓降、操作彈性等要求，并結合制造、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、　（2）對于有側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>　　（4）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>　?。?）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 設計任務</b></p><p><b>　　2.1 設計摘要</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、為質量分數）。且精餾塔頂壓力為4KPa（表壓），單板壓降≤0.7KPa。</p><p>　　本設計任務為分離乙醇和水的混合物。對于二元混合物的分離，應采用常壓下的連續(xù)精餾裝置。本設計采用泡點進料，將原料液通過預熱器（再沸器）加熱至泡點后送入精餾塔內。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，其余部分經產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，釜底產品經冷卻后送至儲罐。</p><p>　　2.2 設計任務和條件</p><p>　?。?) 原料液含乙醇40％（質量分數，下同），其余為水。</p><p>　?。?）產品乙醇含量不低于94％。</p><p>　?。?）殘液中乙醇含量小于3％。</p><p>　　（4）生產能力為

28、年產3000t的乙醇產品。</p><p><b>　　（5）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) 設備型式為浮閥塔（F1型）。</p><p>　?。?）廠址位于鹽城地區(qū)。</p><p>　　（8）設備工作日為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）鹽城當地大氣壓為101.4kPa。</p><p>　　2.3 設計任務書</p><p>　　鹽城師范學院化工原理課程設計任務</p><p>　　第三章 設計方案簡介</p><p>　　3.1 設計方案的

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、原料預熱器，蒸餾釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷卻器和產品冷卻器等設備。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)蒸餾具有生產能力大，產品質量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產中以連續(xù)蒸餾為主。間歇蒸餾具有操作靈活、適應性強等優(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的多次部分氣化與多次部分冷凝實現分離，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時應考慮余熱的利用。譬如，用原料作為塔頂產品（或釜液產品）冷卻器的冷卻介質，既可將原料預熱，又可節(jié)約冷卻介質。</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實現分離要求，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，料液產生聚合或結焦，則應采用氣態(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，并省掉間接加熱設備。但由于直接蒸

37、汽的加入，對釜內溶液氣一定稀釋作用，在進料條件和產品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應較低，故需要在提留段增加塔板以達到生產要求。</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備費和操作費用之和最低。設計時，應根據實際需要選定回流比，也可參考同類生產的經驗值選定。必要時可選用若干個R值，利用吉列蘭圖（簡捷法）求出

38、對應理論板數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，國內應用較多的是圓形泡罩。泡罩尺寸分為80mm、100mm、150mm三種，可根據塔徑的大小選擇。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。其缺點是結構復雜，造價高；板上液層厚，塔板壓降大，生產能力及板效率較低。近年來，泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔版所取代。在設計中除特殊需要（如分離粘度大、易結焦等物系）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，結構特點為塔板上開有許多均勻的小孔。根據孔徑的大

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、易結焦的物系）。</p><p>　　篩板的優(yōu)點是結構簡單，造價低；板上頁面落差小，氣體壓降低，生產能力較大；氣體分散均勻，傳質效率較高。其缺點是篩孔易堵塞，不宜處理易結焦、粘度大的物料。</p><p>　　應予指出，盡管篩板傳質效率高，但

42、若設計和操作不當，易產生漏液，使得操作彈性減小，傳質效率下降，故過去工業(yè)上應用較為謹慎。近年來，由于設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，故應用日趨廣泛。在確保精確設計和采用先進控制手段的前提下，設計中可大膽選用。</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上發(fā)展起來的，它吸

43、收了兩種塔板的優(yōu)點。</p><p>　　其結構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，浮閥可根據氣流流量的大小而上下浮動，自行調節(jié)。浮閥的類型很多，國內常用的有F1型、V-4型及T型等，其中以F1型浮閥應用最為普遍。</p><p>　　浮閥塔板的優(yōu)點是結構簡單、制造方便、造價低；塔板開孔率大，生產能力大；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。其缺點是處理易結焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現象，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。但應指出，在工業(yè)應用中，目前還多采用F1型浮閥已有系列化標準，各種設計數據完善，便于設計和對比。而采用新型浮閥，設計數據不夠完善，給設計帶來一定的困難，但

46、隨著新型浮閥性能數據的不斷發(fā)表及工業(yè)應用的增加，其設計數據會逐步完善，在有較完善的數據下，設計中可選用新型浮閥。</p><p>　　第四章 浮閥塔精餾工藝設計</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、塔底產品的摩爾分數如下。<

47、/p><p>　　乙醇的摩爾質量MA=46kg/kmol,水的摩爾質量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——塔頂產品（鎦出液）流量，kmol/h；</p><p>　　W——塔底產品（釜殘液）流量，kmol/h；</p><p>　　——原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分數；</p><p>　　——鎦出液中易揮發(fā)組分的摩爾分數；</p><p>　　—

49、—釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分數。</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、的平衡數據</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</p><p>　　采用直角階梯法求理論板層數，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</p><p><b>　　求解結果為：</b></p><p>　　總理論板層數 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 N精=14 </p><p>　　提餾

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

55、 </p><p><b>　　塔板總效率估算 </b></p><p><b>　　（1）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)數據</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，所以假設成立。</p><p>　　七.實際塔板層數的確定</p><p><b>　　取塔板總效率，則</b></p><p>　　精餾段實際板層數 </p><p><b>　　提餾段實際板層數 </b></p><p>　　總實際板

61、層數 </p><p>　　4.2 精餾塔的操作工藝條件及相關物性數據的計算 </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 平均摩爾質量</p><p>　　一.塔頂混合物平均摩爾質量計算</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量</p><p>　　提餾段混合物平均摩爾質量</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>　　液相平均密度依據下式計算，即</p><p>　　（1）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>　　進料板液相的質量分數</p><p>　?。?）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、的質量分數為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>　　當乙醇的質量分數為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>　　當乙醇的質量分數為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、性數據表 </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，經驗算后選取的板間距不適合，應重新計算。</p><p>　　表4 塔板間

74、距與塔徑的關系</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，S為人孔數且5～7塊板設一人孔，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不包括塔頂和塔釜所設的人孔。 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>　　（

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計合理。</p><p>　　4.4.2塔板布置及浮閥數目與排列 </p>

86、<p>　　取閥孔動能因數，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（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>　　實際閥數為40。</b></p><p>　　按N=40重新核算孔速及閥孔動能因數：</p><

89、p>　　閥孔動能因數變化不大，仍在9~12范圍內。</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>　　本設備分離乙醇和水的混合液，即液相為水，可取充氣系數。依據式計算，即：</p><p>　　三.克服表面張力所造成的阻力</p><p>　　

92、因本設計采用浮閥塔，其很小，可忽略不計。因此，氣體流經一層浮閥塔的壓降所相當的液柱高度為</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>　　為了防止淹塔現象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度?？捎孟率接嬎?，即：</p><p>　　一.與氣體通過塔板的壓降相當的液柱高度</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>　?。╝）</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K=1.0</p><p>　　圖（9）泛點負荷系數與密度的關系</p><p>　　又由圖（9）查得泛點負荷系數，將以上數值代入式（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>　　根據經驗，若泛點率控制在下列范圍內，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構，式中，，，，及均為已知值，相應于的泛點率上限值亦可確定，將各已知數代入上式，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，則在操作范圍內任取兩個值，依式（c）算出相應的值列于表5中。</p><p>　　表5 霧沫夾帶線數據 </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，塔板結構尺寸一定，則，，，，，，及等均為定值，而與又有如下關系

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

104、　4.6.3液相負荷上限線</p><p>　　液體的最大流量應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），在 -圖上，液相負荷上限線為與氣體流量無關的豎直線。</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>　　（e）</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，故可由此式求出氣相負荷的下限值，據此作出與液相流量無關的水平漏液線。</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的豎直直線。</p><

107、p><b>　　取E=1，則</b></p><p><b>　　(g)</b></p><p>　　根據表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>　　在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點A

108、（設計點），處在適宜操作區(qū)域內的適中位置。</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構，式中，，，，及均為已知值，相應于的泛點率上限值亦可確定，將各已知數代入上式，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，則在操作范圍內任取兩個值，依式（c´）算出相應的值列于表5´中。</p><p>　　表5´ 霧沫夾帶線數據 </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，塔板結構尺寸一定，則，，，，，，及等均為定值，而與又有如下關系，即</p><p>　　式中閥孔數N與孔徑亦為定值。因 此，可將上式簡化得</p><p><b>　　（d´

112、）</b></p><p>　　在操作范圍內任取若干個值，依式(d´)算出相應的值列于表6´中。</p><p>　　表6´ 液泛線數據</p><p>　　4.6.3´液相負荷上限線</p><p>　　液體的最大流量應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），在 -圖上，液相負荷上限線為與氣體流量無關的豎直線。</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，故可由此式求出氣相負荷的下限值，據此作出與液相流量無關的水平漏液線。</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的豎直直線。</p><p><b>　　取E=1，則</b></p><p>&

116、lt;b>　　(g´)</b></p><p>　　根據表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>　　在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點A´（設計點），處在適宜操作

117、區(qū)域內的適中位置。</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 浮閥塔板工藝設計結果</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).化工原理課程設計（典型化工單元操作設備設計）.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>　　課程設計心得</b></p><p>　　課程設計是繁瑣的，但收獲是豐富的。這次我設計了常壓下，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、塔板數計算、塔板結構設計

121、計算等化工原理所學過的知識。</p><p>　　作為一名應用化學專業(yè)大三的學生，我覺得能做這樣的課程設計是十分必要的。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