分离乙醇水课程设计

工业高等专科学校

课程设计说明书

题目名称：分离乙醇—水混合液的筛板精馏塔设计

系 部： 专业班级：

学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 1

工业高等专科学校

课程设计评定意见

设计题目： 分离乙醇-水混合液的筛板精馏塔设计 学生姓名： 张冲 评定意见：

指导教师（签名）：

评定成绩：

年 月 日

2

工业高等专科学校

课程设计任务书

2 学年 2学期 2011 年 6 月 28 日 专业 设计题目 石油化工生产技班级 石化09-4（1）班 课程名称 术 筛板精馏塔的设计 周数 1 指导教师 精馏塔设计 蔡香丽 起止时间 2011-6—26-2010-7-3 设计地点 校内 设计目的： 1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。 2积极引导学生去思考，培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力，以及查阅资料、处理数据的能力。 设计任务或主要技术指标： 含乙醇含量为0.25（质量分率，以下同）的水溶液，拟经一精馏塔进行分离，塔顶得到乙醇纯度为0.925，釜残液中含乙醇不得高于0.01。年处理原料能力为25000吨。设计该精馏塔。 假定恒摩尔流成立，塔顶采用全凝器，塔顶压强为4kpa（表压），进料热状况自定，回流自定，单板压降不大于0.8kpa，加热蒸汽为低压蒸汽。 设计进度与要求： 1拟订题目和课程设计指导书（包括课程设计目的、内容、要求、进度、成绩评定等），制定具体考核形式（一般应采用平常情况和答辩相结合方式）并于课程设计开始时向学生公布。 2完整的课程设计应由设计草稿书和任务书组成。草稿书不上交系里，是备指导老师检查之用，以督促学生按时完成设计及防止学生间抄袭。任务书应上交按照指定格式编排好的电子版及打印版。7月3日前上交系里。 主要参考书及参考资料： [1]张立新，王宏主编 传质分离技术：北京化学工业出版社，2009 [2]祁存谦，丁楠等主编化工原理：北京化学工业出版社，2008 [3]华南理工大学化工原理教研组，化工过程及设备设计：华南理工大学出版社，1990 [4]柴诚敬等.化工原理课程设计：天津科学技术出版社，2000

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目录

1、摘要 ................................................................................................................................................. 6 2、板式精馏塔设计任务 ................................................................................................................ 7 2.1设计题目 .............................................................................................................. 7 2.2设计任务及操作条件 .......................................................................................... 7 2.2.1进精馏塔的料液含乙醇0.25（质量），其余为水。.................................. 7 2.2.2塔顶产品的乙醇含量0.925（质量）.......................................................... 7 2.2.3塔底产品的乙醇含量0.01（质量）............................................................ 7 2.2.4混合液处理量为25000t ............................................................................... 7 2.2.5操作条件........................................................................................................ 7 2.3设备形式 .............................................................................................................. 7 2.4设计内容 .............................................................................................................. 7 2.4.1设计方案的确定及流程说明。.................................................................... 7 2.4.2塔的工艺计算。............................................................................................ 7 2.4.3塔和塔板主要工艺尺寸的设计。................................................................ 7 2.4.4.设计结果概要货设计一览表。.................................................................... 7 2.4.5塔板结构俯视图和塔板安装图。................................................................ 7 2.4.6对本设计的评述或有关问题的分析讨论。................................................ 7 3、乙醇—水分离过程筛板精馏塔设计 ..................................................................... 7 3.1设计方案的确定 ................................................................................................. 7 3.1.1设计流程的说明：...................................................................................... 8 3.1.2操作方案的说明：...................................................................................... 8 3.1.3本设计中符号的说明.................................................................................... 9 4、精馏塔的物料衡算 ............................................................................................... 11 4.1原料及塔顶产品的摩尔分率 ........................................................................... 11 4.2原料液及塔顶产品的平均摩尔质量 ............................................................... 11 4.3塔板数的确定（另附图以说明） .................................................................... 11 4.4理论板数NT的求取 .......................................................................................... 11 4.4.1相对挥发度的求取...................................................................................... 11 4.4.2最小回流比的求取...................................................................................... 11 4.4.4操作线方程.................................................................................................. 12 4.4.5实际板层数的求取.................................................................................... 12 5、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 ....................................................... 12 5.1 操作压力的计算 .............................................................................................. 12 5.2 操作温度的计算 ............................................................................................... 12 5.3平均摩尔质量的计算 ........................................................................................ 12 5.4 平均密度的计算 ............................................................................................... 13 5.5液相密度的计算 ................................................................................................ 13 5.6 液相平均表面张力的计算 ............................................................................... 13

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5.7 液体平均粘度的计算 ....................................................................................... 13 6、 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 ............................................................................. 14 6.1塔径的计算 ....................................................................................................... 14 6.2精馏塔有效高度的计算 ................................................................................... 15 7、塔板主要工艺尺寸的计算 ................................................................................... 15 7.1溢流堰装置计算 ............................................................................................... 15 7.1.1 堰长lw........................................................................................................ 15 7.1.2 溢流堰高度hw ........................................................................................... 15 7.1.3 弓形降液管的宽度Wd和截面积Af ........................................................ 15 7.1.4降液管底隙高度ho ..................................................................................... 15 7.2塔板计算 ........................................................................................................... 15 7.2.1塔板的分块.................................................................................................. 16 7.2.2边缘区宽度确定.......................................................................................... 16 7.2.3开孔区面积计算.......................................................................................... 16 7.2.4 筛孔计算与排列......................................................................................... 16 8、塔板流体力学验算 ............................................................................................... 16 7.1 塔板的压降 ....................................................................................................... 16 8.2 液面落差 ........................................................................................................... 17 8.3液沫夹带 ............................................................................................................ 17 8.4 漏液 ................................................................................................................... 17 8.5液泛 .................................................................................................................... 17 9、塔板负荷性能图 ................................................................................................... 17 9.1漏液线 ................................................................................................................ 17 9.2 液沫夹带线 ...................................................................................................... 18 9.3 液相负荷下限线 ............................................................................................... 18 9.4 液相负荷上限线 .............................................................................................. 18 9.5 液泛线 ............................................................................................................... 18 10、筛板塔设计计算结果 ......................................................................................... 20 11、.参考文献 ............................................................................................................. 20 12、设计感言 ............................................................................................................. 22

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1、摘要

精馏是利用物质沸点的不同，多次的进行混合蒸气的部分冷凝和混合液的部分蒸发的过程，以达到分离的目的。

塔设备是炼油和化工生产的重要设备，其作用在于提供气液两相充分接触的场所，有效地实现气液两相间的传热、传质，以达到理想的分离效果，因此它在石油化工生产中得到广泛应用。

一个完整的板式塔主要是由圆柱形塔体、塔板、降液管、溢流堰、受液盘及气体和液体进、出口管等部件组成，同时考虑到安装和检修的需要，塔体上还要设置人孔和手孔。平台扶梯和吊柱等部件，整个塔体由塔裙座支撑，在塔内，根据生产公益要求，装有多层塔板，为气液亮相提供接触的场所，塔板性能的好坏直接影响传质效果，是塔板塔的核心部件

设计目的：

1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。

2积极引导学生去思考，培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力，以及查阅资料、处理数据的能力。

关键词：精馏塔、筛板、设计

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2、板式精馏塔设计任务

2.1设计题目

分离乙醇-乙醇混合液的筛板精馏塔

2.2设计任务及操作条件

2.2.1进精馏塔的料液含乙醇0.25（质量），其余为水。 2.2.2塔顶产品的乙醇含量0.925（质量） 2.2.3塔底产品的乙醇含量0.01（质量） 2.2.4混合液处理量为25000t 2.2.5操作条件

（A）精馏塔顶压强4kpa(表压) （B）进料

（C）回流比自定 （D）间接蒸汽加热

（E）单板压降不大于0.8Kpa。 （F) 全塔效率52%

2.3设备形式

设备形式为筛板塔。

2.4设计内容

2.4.1设计方案的确定及流程说明。

2.4.2塔的工艺计算。

2.4.3塔和塔板主要工艺尺寸的设计。 （1）塔高,塔径及塔板结构尺寸的确定。 （2）塔板的流体力学验算。 （3）塔板的负荷性能图。

2.4.4.设计结果概要货设计一览表。 2.4.5塔板结构俯视图和塔板安装图。

2.4.6对本设计的评述或有关问题的分析讨论。

3、乙醇—水分离过程筛板精馏塔设计

本设计对乙醇-水分离过程筛板精馏塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：1、对主要生产工艺流程和方案进行了选择和确定。2、对生产的主要设备—筛板塔进行了工艺计算设计,其中包括：①精馏塔的物料衡算；②塔板数的确定；③精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；④精馏塔的塔体工艺尺寸计算；⑤精馏塔塔板的主要工艺尺寸的计算。3、绘制了生产工艺流程图和精馏塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。本设计简明、合理，能满足初步生产工艺的需要，有一定的实践指导作用。 关键词：乙醇—水；分离过程；精馏塔

⑤绘制塔板的负荷性能图。

3.1设计方案的确定

本设计任务为分离乙醇-乙乙醇溶液混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点送入精馏塔

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内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.1倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

3.1.1设计流程的说明：

精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器。釜液冷却器和产品冷

凝器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定流程装置时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响

塔顶冷凝装置根据生产状况以决定采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面，合理的兼顾设备，操作费用操作控制及安全因素。

冷凝器再沸器

连续精馏操作流程图

3.1.2操作方案的说明：

本设计任务为分离乙醇—乙乙醇混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，降原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡点下一部分回流到塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属于易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比去最小回流比的两倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品冷却送到储罐。

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设计操作流程图

3.1.3本设计中符号的说明 英文字母:

A0筛孔面积，㎡ h0降液管底高度，m Af降液管面积， ㎡ k筛板的稳定系数 AT 塔截面积，㎡ L塔内下降液体流量，kmol/h C计算时umax的负荷因数 lW溢流堰高度,m CO流量系数 LS下降液体流率，m3/s d0 筛孔直径，mm NP实际塔板数

E液流收缩系数 NT理论塔板数 ET 全塔效率 n筛孔数

ev 雾沫夹带量，kg液/kg气 P操作压强，pa或kpa F 进料流量, kmol/h △P压强降， pa或kpa Fa气相动能因数 q 进料热状态承参数 H 板间距，mm R回流比

hc 与干板压降相当液柱高度 ，m S直接蒸汽量，kmol/h h1 进口堰与降液管的水平距离，m t筛孔中心距，mm hl 与气流穿过液层的压降

Aa塔板开孔面积，㎡ hσ相克服表面张力压降所当高度，m

D塔径，m N 理论板数

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相当液柱高度m u空塔气速，m/s hf 板上鼓泡层高度，m u0 筛孔气速, m/s

hL 板上液曾高度，m u′0降液管底隙处液体流速,m/s hd,与液体流经降液管压降相当液柱高度，m DF 进料管直径, m Dl 回流管直径, m DW 釜液出口管直径, m DT 塔顶蒸汽管直径, m 下标： hp 与单板压降相当液层高度，m A易挥发组分 B难挥发组分 how 堰上液层高度，m D馏出液 hw 溢流堰长度， m L液相 W釜残液流量，kmol/h h 小时 WC 无效区块度，m i组分序号 Wd 弓形降液管高度，m m平均 ws安定区宽度，m F原料液 X液相中易挥发组分摩尔分率 min最小 Y气相中易挥发组分摩尔分率 max最大 Z塔的有效高度，m n塔板序号 vs塔内上升蒸汽流量，m3/s 希腊字母 ： α相对挥发度，无因次

β干筛孔流量系数的修正系数 ，无因次 σ液体表面张力， mN/m

δ筛板厚度，mm μ粘度， mPa.s

ψ液体密度校正系数 φ开孔率 t时间,s

ρL液相密度,kg/m3 ρ

V液相密度,kg/m

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4、精馏塔的物料衡算

4.1原料及塔顶产品的摩尔分率

乙醇的摩尔质量为：46kg/kmol 水的摩尔质量为： 18kg/kmol

xF=(0.25/46)/(0.25/46+0.75/18)=0.12 xD=(0.925/46)/(0.925/46+0.075/18)=0.83 xw=(0.01/46)/(0.01/46+0.99/18)=0.004

4.2原料液及塔顶产品的平均摩尔质量

MF=0.12×46+18×(1-0.12)=21.36kg/kmol MD=0.83×46+18×(1-0.83)=41.24kg/kmol Mw=0.004×46+18×(1-0.004)=18.11 kg/kmol 则可知：

原料的处理量：F=25000000/(330×24×21.36)=147.78kmol/h 由总物料衡算：F= D+W

以及: xF×F= xD×D+W×xw 容易得出： D=21.39 kmol/h

W=126.39kmol/h

4.3塔板数的确定（另附图以说明） 4.4理论板数NT的求取

4.4.1相对挥发度的求取

乙醇-水的饱和蒸汽压数据如下表3-1。

表3-1

t/℃ P0B/Kpa 20.0 2.335 40.0 17. 7.377 60.0 46.80 19.92 80.0 108.2 47.38 100.0 223.6 101.3 P0B/Kpa 5.870

5.87017.46.80108.2223.6m2.3357.37719.9247.38101.32.36

5相平衡方程为：

y

xDyq2.36xyqxq11.36x

4.4.2最小回流比的求取

由于是饱和液体进料，有q=1，q线为一垂直线，故xqxF0.12，根据相平衡方程有

yq0.24

最小回流比为

11

RminxDyqyqxq0.830.244.92

0.240.12回流比为最小回流比的1.1倍，即

R1.1Rmin1.12.95.4

4.4.3精馏塔的气、液相负荷

LRD115.5Kmo/lh

V(1R)D136.8Kmo/hl

L'LqF115.5147.78263.3Kmol/h

V'V136.8Kmo/lh

4.4.4操作线方程

RxxnD0.84xn0.13 R1/R1LWxwyx提馏段操作线方程 m1L/mV/1.92xm0.004

精馏段操作线方程 yn1用作图法计算理论塔板数：作图如下

总理论板数为12(包括再沸器），精馏段理论板数为6，提馏段为6块，第7块板为进料板。

4.4.5实际板层数的求取

由于全塔效率是52%，则

精馏段塔板数：N精=,6/0.52=12块 提馏段塔板数：N提=6/0.52=12块 实际进料板在第12块板。

5、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

5.1 操作压力的计算

塔顶操作压力: PD=101.3+4=105.3Kpa

每层板压力: △P=0.8KPa

进料板压力： PW=105.3+12×0.8=114.9KPa 精馏段平均压力：Pm=(105.3+114.9）/2=110.1KPa

5.2 操作温度的计算

查常压乙醇-乙乙醇的气液平衡数据，由内插法计算得

塔顶温度 tD=73.4℃ 进料板温度 tF=79.3℃

精馏段平均温度 tm=(73.4+79.3)/2=76.35℃

5.3平均摩尔质量的计算

塔顶平均摩尔质量的计算

由相平衡方程计算过程可知，y1xD0.83,x10.83

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MV,Dm0.8346(10.83)1841.24Kg/Kmol ML,Dm0.6746(10.67)1836.76Kg/Kmol

进料板平均摩尔质量的计算

由理论板的计算过程可知，y'F0.2，x'F0.1

MVFm0.246(10.2)1823.6Kg/Kmol MLFm0.146(10.1)1820.8Kg/Kmol

精馏段的平均摩尔质量为MVm(41.2423.6)/232.42Kg/Kmol

MLm(36.7620.8)/228.76Kg/Kmol

5.4 平均密度的计算

气相平均密度的计算 由理想气体状态方程得 ρVm=PmMvw/RTm

=(110.1×32.42)/[8.314×(76.35+273.15)] =1.2kg/m3

5.5液相密度的计算

查不同温度下的密度，可得tD=.3℃时

ρA＝754kg/m3 ρB=977.8kg/m3

ρLDm=1/(0.83/754+0.17/977.8)=784.5kg/m3

进料板液相密度

当tF=79.3℃时 ρA＝742.3kg/m3 ρB=971.8kg/m3 ρLFm=1/(0.22/742.3+0.78/971.8)=909.9kg/m3

精馏段液相平均密度为

ρLm=(784.5+909.9)/2=847.2kg/m3

5.6 液相平均表面张力的计算

液相平均表面张力依下式计算 即： σLm=∑xiσi

a. 塔顶液相平均表面张力的计算

由tD=73.4℃查手册得 σA=18.9mN/m σB=.3mN/m

σLDm=0.83×18.9+0.17×.3=26.62 mN/m

b. 进料板液相平均表面张力的计算 由tF=79.3℃查手册得

σA=18.5mN/m σB=62.2N/m

σLFm=0.1×18.5+0.9×62.2=57.83 mN/m

精馏段液相平均表面张力

ΣLm=(26.62+57.83)/2=42.32 m N/m

5.7 液体平均粘度的计算

液相平均粘度依下式计算 即：

lgμLm=xi∑lgμi 塔顶液相平均粘度的计算 由tD=73.4℃查手册得

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μA=0.548mPa.s μB=0.4061mPa.s lgμLDm=0.83lg(0.548)+0.17g(0.4061) 解得μLDm=0.52mPa.s 进料板平均粘度的计算 由tF=79.3℃查手册得 μA=0.495mPa.s μB=0.3565mPa.s lgμLFm=0.1lg(0.495)+0.9lg(0.3565) 解得μLFm=0.368mPa.s 精馏段平均粘度 μLm=(0.52+0.368)/2=0.444mPa.s

6、 精馏塔的塔体工艺尺寸计算

6.1塔径的计算

精馏段的气、液相体积流率为

VS=VMVm/3600ρVm=(136.8×32.42/(3600×1.2)=1.0m3/s LS=LMLm/3600ρLm=(115.5×28.76)/(3600×847.2)=0.0011m3/s

0.2V)由史密斯关联图查得C20再求 由umaxCL式中，负荷因子CC20(0.02V图的横坐标为 Flv=L/V×(ρl/ρv)0.5=0.0292

取板间距，HT=0.3m,板上清液层高度取hL=0.06m，则HT-hL=0.24m

史密斯关联图

由上面史密斯关联图，得知 C20=0.053 气体负荷因子 C= C20×(σ/20)0.2=0.0616 Umax=1.6356m/s

取安全系数为0.7，则空塔气速为U=0.7 Umax=0.7×1.6356=1.1449m/s

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4Vs=1.05m 3.14u按标准塔径圆整后为D=1m

D2塔截面积为AT==3.14×12/4=0.785m2

4实际空塔气速为U实际=1.0/0.785=1.27m/s D/6.2精馏塔有效高度的计算

精馏段有效高度为 Z精=（N精-1）HT=11×0.30=3.3m 提馏段有效高度为 Z提=（N提-1）HT=（12-1）×0.30=3.3m 在进料板上方开一个人孔，其高度为0.8 m

故精馏塔有效高度为Z=Z精+Z提+0.8=3.3+3.3+0.8=7.3m

7、塔板主要工艺尺寸的计算

7.1溢流堰装置计算

因塔径 D=2.0m，所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。( 此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用。)各项计算如下： 7.1.1 堰长lw

可取lw=0..66D=0.66m 7.1.2 溢流堰高度hw

由hw=hL－how选用平直堰， 堰上层液高度how由下列公式计算，即有

how=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3) 可取用E= 1.0 ，则 how=0.009m

取板上清液层高度hL=0.06m 故 hw=0.051m

7.1.3 弓形降液管的宽度Wd和截面积Af

由lw/D=0.6m 查图可求得 Af/AT=0.0722 Wd/D=0.124 Af=0.0722×0.785=0.0567m2 Wd=0.124×1=0.124 m

并依据下式验算液体在降液管中的停留时间，即 θ=3600 Af×HT/Lh= 3600 ×0.0567×0.4/ (3600×0.0011)=20.62s＞5s 其中HT即为板间距0.50m，Lh即为每小时的体积流量 验证结果为降液管设计符合要求。

7.1.4降液管底隙高度ho

ho= Lh/（3600×lw×u0'） 取uo'=0.08m/s 则ho=0.0011×3600/(3600×0.66×0.08)

=0.021m

Hw-ho=0.051-0.021=0.03m＞0.006 m 故降液管底隙高度设计合理

选用凹形受液盘，深度h’w=50mm。

7.2塔板计算

15

7.2.1塔板的分块

因为D≥ 800mm，所以选择采用分块式，查表可得，塔板可分为3块。

7.2.2边缘区宽度确定

取Ws=W’s= 65mm , Wc=35mm

7.2.3开孔区面积计算

开孔区面积Aa按下面式子计算，则有

r21x22Aa=2xrx180sinr

其中 x=D/2－(Wd＋Ws)=0.715m r= D/2－W

由上面推出 Aa=0.532m2

7.2.4 筛孔计算与排列

本实验研究的物系基本上没有腐蚀性，可选用δ= 3mm碳钢板，取筛孔直径do=5mm

筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 t=3do=15mm 筛孔的数目n为

n=1.155Ao/t2=2731个

开孔率为φ=0.907（do/t）2=10.1% 气体通过阀孔的气速为 uo=Vs/Ao=1.0/（Aa×φ）=18.6m/s

8、塔板流体力学验算

8.1 塔板的压降

a 干板的阻力hc计算

干板的阻力hc计算由公式 hc=0.051(uo/co)2×（ρv/ρl）

并取do/δ= 5/3=1.67 ,可查史密斯关联图得，co=0.772 所以hc=0.051(18.6/0.772) 2×(1.2/847.2)=0.04液柱 b 气体通过液层的阻力hl的计算 气体通过液层的阻力hl由公式 hl=βhL

ua=Vs/（AT－Af）=1.0/(0.785-0.0567)=1.37m/s

气相动能因子Fo=u00.51.52(1.2)1/2=1.66kg1/2/(s m1/2) 可查图确立充气系数得β=0.60 所以hl=βhL=0.60×（0.051＋0.023）=0.044m液柱 c 液体表面张力的阻力h计算

液体表面张力的阻力h由公式h=4σL/（ρl×g×do）计算,则有

h=(4×42.32×10-3)/(847.2×9.81×0.005)=0.0041m液柱

气体通过每层塔板的液柱高度hP，可按下面公式计算 hP=hc+hl+h=0.04+0.044+0.0041=0.088m液柱

气体通过每层塔板的压降为 △ Pp= hP×ρl×g =0.088×847.2×9.81=731.2Pa＜0.8KPa（设计允许值）

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8.2 液面落差

对于筛板塔，液面落差很小，由于塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。

8.3液沫夹带

液沫夹带量，采用公式

ev

ev5.7106L3.2u0HThf



由hf=2.5hL=2.5×0.044=0.11m 所以：

5.7102.321033.21.370.30.110.074Kg液/Kg气0.1Kg液/Kg气

可知液沫夹带量在设计范围之内。

8.4 漏液

对于筛板塔，漏液点气速uo,min可由公式

u0,min4.4C00.00560.13h0hL/V7.67

实际孔速为u0=18.6m/s＞u0,min

稳定系数为 Ｋ=u0/u0,min=18.6/7.67=2.43＞1.5 故在本设计中无明显漏液。

8.5液泛

为防止塔内发生液泛，降液管内液高度Hd应服从式子 Hd≤(HT＋hw)

乙醇与水属于一般物系，取= 0.6，则 (HT＋hw)=0.6（0.3+0.051）=0.211m 而Hd=hp+hL+hd

板上不设进口堰，则有 hd=0.153(uo’)2=0.153×(0.08)2=0.001m液柱 Hd=hp+hL+hd=0.088+0.044+0.001=0.133m液柱 则有： Hd≤(HT＋hw)

于是可知本设计不会发生液泛

9、塔板负荷性能图

精馏段

9.1漏液线

u0,min4.4C00.00560.13h0hL/V

u0,min=Vs, min/Ao hL= h w +hOW

hOW =2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

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Vs, min 4.40C A0232.84Lh230.00560.13hWl1000wEL(V) -h/

4.850.0120S.12L

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表

0.0015 0.565 0.0030 0.584 0.0045 0.599 Ls m3/s 0.0006 3Vs m/s 0.550 根据上表数据做出漏液线 9.2 液沫夹带线

ev =0.1kg液/kg气为限，求Vs—Ls关系如下：

u05.7106ev()3.2

LHThfua=Vs/(AT-Af)=1.373 Vs hf=2.5hL=2.5(hw+ how) hw=0.051 how=0.881Ls2/3

hf=0.128+2.2 Ls2/3 HT－hf=0.172-2.2Ls2/3

3.261.373V5.710sv 42.321030.1722.2L2/3s e0.1整理得 Vs=0.988-12.Ls2/3

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表 Ls m3/s Vs m3/s 0.0006 0.90 0.0015 0.82 0.0030 0.73 0.0045 0. 根据上表数据做出液沫夹带线 9.3 液相负荷下限线

对于平流堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准，由式 how=2.84/1000×E×

LS2/3lw 0.006 其中E=1，lw=2.84， 则：

Ls,min=0.00056/s

据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线

9.4 液相负荷上限线

以θ=4s作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式

θ=（Af×HT）/Ls=4 故Ls,max=（Af×HT）/4=（0.0567×0.3）/4=0.00425 m3/s 据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限④

9.5 液泛线

令Hd=(HT＋hw) Hd=hp+hL+hd hP=hc+hl+h

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hL=βhL hL= h w +hOW

联立得  HT＋(-β-1)hw=(β+1) hOW+ hc + hd +h

忽略hσ，将hOW与Ls、hd和Ls、hc与Vs的关系代入上式，得 a' V2s=b'-c'Ls2-d' Ls2/3 式中 a'=[0.051/(Aoco)2]×（ρv/ρl） b'=HT＋(-β-1)hw

c'=0.153/(lwhO)2

d'=2.84×10-3×E×( 1+β)(3600/lw)(2/3) 将有关数据代入,得 a'=[0.051/(0.101×0.532×0.772)2]×（1.2/847.2）=0.042 '

b=0.6×0.3＋(0.6-0.6-1)×0.051=0.129

c'=0.153/(0.66×0.021)2=343.00 d'=2.84×10-3×1×( 1+0.6)(3600/0.66)(2/3)=1.408故

2/3VS2=3.07-8166L2S-33.52LS

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs的值，计算结果如下表

Ls m3/s 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 3Vs m/s 3.08 3.05 2.99 2.90 根据上述数据画出液泛线⑤

在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图二可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏控制。由图查得

Vs,max= 3.1m3/s Vs,min=0.9m3/s

故操作弹性为 Vs,max/ Vs,min=3.1/0.9=3.44

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10、筛板塔设计计算结果

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 46 项目 平均温度 tm ℃ 平均压力 Pm kPa 气相流量 Vs m3/s 液相流量 Ls m3/s 实际塔板数 有效段高度 Z m 精馏塔塔径 m 板间距 m 溢流形式 降液管形式 堰长 m 堰高 m 板上液层高度 m 堰上液层高度 m 降液管底隙高度 m 安定区宽度 m 边缘区宽度 m 开孔区面积 m2 筛孔直径 m 筛孔数目 孔中心距 m 开孔率％ 空塔气速 m/s 筛孔气速 m/s 稳定系数 每层塔板压降 kPa 负荷上限 负荷下限 液液沫夹带 ev (0.1kg液/kg气) 气相负荷上限m3/s 气相负荷下限 m3/s 操作弹性 数值 76.35 110.1 1.0 0.0011 12 7.3 0.9 0.3 单溢流 弓形 0.66 0.009 0.051 0.014 0.021 0.065 0.035 0.532 0.005 2731 0.015 10.1％ 0.723 18.6 2.43 731.2 液泛控制 漏液控制 0.074 3.1 0.9 3.44

、

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11、.参考文献

[ 1 ]、汪恺主编，《机械设计标准应用手册》，第1版， 机械工业出版社，1997

[ 2 ]、夏清、陈常贵主编，《化工原理》（修订版），天津大学出版社，2005

[ 3 ]、《化工原理课程设计》，化工原理教研室

[ 4 ]、姚玉英主编，《化工原理》（上册），新版.天津：天津大学出版社，1999.8

[ 5 ]、《化工设计设计基础》，上海科学技术出版社

[ 6 ]、《化工设备设计基础》，编写组编，1987年6月版

[ 7 ]、《塔设备》，工设备设计全书编辑委员会，上海科学技术出版社化，1988年

4月版 [ 8 ]、《材料与零部件》（上），上海人民出版社

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12、设计感言

本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套乙醇－乙乙醇物系的分离的塔板式连续精馏塔设备。通过一周的努力，反复计算和优化，终于设计出一套较为完善的塔板式连续精馏塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。 课程设计需要我把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，更让我们体会到了理论知识对实践工作的重要的指导意义。课程设计要求我完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切都由教材和老师安排。因此，课程设计给我们提供了更大的发挥空间，让我们发挥主观能动性地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我的认识问题、分析问题、解决问题的能力。总之，这次课程设计既是对我们课程知识的考核，又是对我们思考问题、解决问题能力的考核，课程设计让我们学到了很多东西。

最后感谢老师在这次课程设计的精心指导！

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