第36组 张斌梅 曲春钊 郑思则

青岛科技大学第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛青岛科技大学第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛设计说明书组员：曲春钊张斌梅郑思则2009年12月3日第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛目录叙述部分 (4)工艺计算数据及相关符号 (5)设计部分 (9)1.设计条件 (9)1.1设计任务 (9)1.2设计依据 (9)1.3填料数据 (9)1.4任务数据处理 (9)2.工艺流程图 (11)3.板式塔的工艺计算 (12)3.1塔的物料衡算和操作回流比的确定 (12)3.1.1精馏塔的全塔物料衡算 (12)3.1.2最小回流比 (12)3.1.3实际回流比的确定 (13)3.2总版效率的确定 (15)3.3实际塔板数的确定 (15)3.4板式塔空塔气速的估算 (16)3.4.1精馏段与提馏段中各流量的计算 (16)青岛科技大学3.4.1.1液体平均质量流量 (16)3.4.1.2蒸汽平均质量流量 (17)3.4.2空塔气速的估算 (18)3.5塔径的计算 (18)3.6板式塔塔高的确定 (19)4.填料塔的工艺设计 (20)4.1蒸汽速度和塔径 (20)4.1.1液泛时蒸汽极限空塔速度 (20)4.1.2填料塔的塔径 (21)4.1.3塔中蒸汽的实际操作速度 (22)4.2填料层高度和塔高 (22)4.2.1精馏段及提馏段填料层高度的估算 (22)4.2.2填料层总高度H’的估算 (22)4.2.3精馏塔总高度H z的确定235.换热器的设计 (23)5.1塔顶冷凝器的设计 (23)5.1.1冷凝水消耗量 (23)5.1.2换热面积 (24)5.1.3管子根数 (25)5.1.4管长 (25)5.1.5换热器的选择 (25)5.2塔釜再沸器的设计 (25)5.2.1蒸汽消耗量 (26)5.2.2换热面积 (26)第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛5.2.3管子根数 (26)5.2.4管长 (27)5.2.5换热器的选择 (27)5.3预热器的设计 (27)5.3.1蒸汽消耗量 (27)5.3.2换热面积 (28)5.3.3管子根数 (28)5.3.4管长 (28)5.3.5换热器的选择 (28)5.4换热器设计图 (29)6.泵的设计 (29)6.1压头与流量的确定 (29)6.2泵的选择 (29)设计参考资料 (31)思考题 (32)青岛科技大学叙述部分本设计说明书针对处理量为20吨每小时的乙醇－异丁醇物系的分离精馏塔进行了各方面的工艺计算，主要涉及了塔型的选择（板式塔和填料塔），塔径的计算，塔高的计算，冷凝器的选型，再沸器的选型，预热器的选型和泵的选型，并附有带控制点的工艺流程图。

第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛工艺计算数据及相关符号F1型浮阀阀孔直径/mm 39阀片直径/mm 48阀片厚度/mm 2最大开度/mm 8.5静止开度/mm 2.5阀片质量/mm 32~42板式塔进料摩尔流率F/(kmol/h) 281.02 塔顶摩尔流率D/(kmol/h) 154.75 塔釜摩尔流率W/(kmol/h) 126.27 最小回流比R min 1.35实际回流比R 2.16理论塔板数N理12实际塔板数N实28 进料板位置N F16进料板高度/m 9.19塔径d/mm 2100 精馏段蒸汽极限速度u f,J/(m/s) 2.36 提馏段蒸汽极限速度u f,T/(m/s) 1.77 塔高H z/mm 18525青岛科技大学填料填料名称拉西环公称直径mm 50 尺寸(外径×高×厚)mm 50×50×1.0 材质及堆积方式钢制乱堆比表面积σ/(m2/m3) 110空隙率ε/(m3/m3) 0.92每m3填料个数7000堆积密度ρp kg/m3430干填料因子ф/m-1141填料塔精馏段液体平均质量流量L J/(kg/h) 17571.24 提馏段液体平均质量流量L T/(kg/h) 40027.31 精馏段气体平均质量流量V J/(kg/h) 24837.77 提馏段气体平均质量流量V T/(kg/h) 30944.15 精馏段蒸汽极限速度u f,J/(m/s) 2.44 提馏段蒸汽极限速度u f,T/(m/s) 1.87 塔径d/mm 2000 精馏段填料层节数 2提馏段填料层节数 1塔高H z/mm 15400第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛塔顶冷凝器热负荷kW -1565.33 公称直径mm 600公称压力kPa 1600传热面积S/m252.8 管程数 2管数n 232管长l/mm 3000管子规格mm Ф25×2.5管心距mm 32/(kg/s) 37.46 冷凝水耗量W水塔釜再沸器热负荷kW 1795.31 公称直径mm 273公称压力kPa 2500传热面积S/m214.7 管程数 2管数n 56管长l/mm 4500管子规格mm Ф19×2.0管心距mm 25蒸汽耗量W/(m3/s) 0.318蒸汽青岛科技大学预热器热负荷kW 920.99公称直径mm 400公称压力kPa 2500传热面积S/m214 管程数 2管数n 94管长l/mm 2000管子规格mm Ф25×2.5管心距mm 32’kg/s 4.18热水耗量W热水泵型号IS80-65-125 转速n/(r/min) 2900流量m3/h 30扬程H/m 22.5效率η/%64轴功率kW 2.87电机功率kW 5.5必须汽蚀余量m 3.0第三届“隆腾杯”大学生化工原理实验技能大赛设计部分1.设计条件1.1.设计任务设计一精馏塔，用以完成乙醇－异丁醇混合液的分离任务。

1.2.设计依据表1表2填料名称尺寸(直径×高×厚)mm材质及堆积方式比表面积σm2/m3空隙率εm3/m3每m3填料个数堆积密度ρpkg/m3填料因子Фm-1拉西环50×50×1.0 钢制乱堆110 0.92 7000 430 141 1.4.任务数据处理将任务中各数据的单位进行换算，以利于计算。

查的相关数据如下，条件为20℃，常压下：表3表42.工艺流程图3.板式塔的工艺计算3.1.塔的物料衡算和操作回流比的确定3.1.1.精馏塔的全塔物料衡算由总物料衡算和乙醇物料衡算可得以下方程：其中F为281.020kmol/h，x F为0.5683，x D为0.9683，x W为0.0781。

解得D 为154.75kmol/h，W为126.27kmol/h。

3.1.2.最小回流比物料泡点进料。

求得101.3kPa下以上组成物料的泡点为85.45℃。

绘出101.3kPa下物料的T-x-y图（用PRO/II以理想物系构建），查得泡点温度下与原混合溶液呈平衡的乙醇气相进料浓度y F*为0.73846。

Composition, Mole Fraction E THAN OL, (P = 101.30 kPa)0.20.40.60.81.0T e m p e r a t u r e , K350.00355.00360.00365.00370.00375.00T-X-Y Plot for ETHANOL and SBUTANOLB Bubble Point B BBBBBBBBBBBBBB BBBB B B DDew Point D DDDDDDDDDDDDDDDDD D DD图1根据公式：求得R min 为1.351。

3.1.3. 实际回流比的确定令R/R min =β，为回流比系数。

根据不同的回流比系数求得对应的实际回流比和塔板数，列表如下：表5图2由图可知最小乘积N(R+1)对应的回流比为R=2.16，此时β=1.60。

求得此时完成精馏任务所需的理论塔板数为N=12，进料位置为N F=7，如图3。

图33.2.总板效率的确定根据公式：其中α为塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；μL为塔顶与塔底平均温度下的液相黏度，mPa·s。

求得E T为0.405。

3.3.实际塔板数的确定根据公式：其中N T为理论塔板数，N P为实际塔板数。

因此求得精馏段实际塔板数为15块，提馏段实际塔板数为13块（不包括再沸器），总塔板数为28块，进料位置为第16块塔板。

3.4.板式塔空塔气速的估算3.4.1.精馏段与提馏段中各种流量的计算3.4.1.1.液体平均质量流量馏出液的摩尔质量可以视为等于乙醇的摩尔质量，则精馏段的液体平均摩尔组成为：=0.77。

解得x醇,J则精馏段的液体摩尔质量=52.57kg/kmol。

解得M液,J则精馏段的液体平均质量流量解得L J=17571.238kg/h。

同理，提馏段的液体平均摩尔组成为=0.32。

解得x醇,T则精馏段的液体摩尔质量解得M=65.06kg/kmol。

液,T则精馏段的液体平均质量流量解得L T=40027.31kg/h。

3.4.1.2.蒸汽平均质量流量由精馏段操作线方程求得y F=0.694889。

则精馏段中蒸汽平均摩尔组成=0.83。

其中y D=x D。

得y醇,J精馏段的蒸汽摩尔质量解得M=50.79kg/kmol。

汽,J则精馏段的气体平均质量流量解得V J=24837.77/h。

同理，提馏段的汽体平均摩尔组成为解得y=0.39。

其中y W=x W。

醇,T则精馏段的液体摩尔质量解得M=63.28kg/kmol。

汽,T则精馏段的汽体平均质量流量解得V T=30944.15kg/h。

3.4.2.空塔气速的估算利用史密斯关联图计算空塔气速。

横坐标公式为：其中V h，L h分别为塔内气、液两相的体积流量，m3/h；ρV，ρL分别为塔内气、液两相的密度，kg/m3。

规定H T-h L=0.45m，其中H T为塔板间距，m；h L为板上液层高度，m。

求得精馏段史密斯图横坐标为C20J=0.12，提馏段史密斯图横坐标为C20T=0.1。

根据纵坐标公式求得u maxJ=2.36m/s，u maxT=1.77m/s。

规定安全系数为0.7，根据公式u=(0.6~0.8)u max求得适宜的空塔气速u，则u J=1.66m/s，u T=1.24m/s。

3.5.塔径的计算根据公式其中V s为塔内气体流量，m3/s；u为空塔气速，m/s。

由此求得精馏段塔径为1.75m，提馏段塔径为2.01m。

采用统一塔径，则塔径为2.1m。

3.6.板式塔塔高的确定选用F1型浮阀，相关尺寸如下：表6表7表8塔径d，mm Z J，mm Z T，mm400～1000 600 15001200～2200 1000 2000≥24001400 2500 再根据一下公式，其中n－填料节数，节；H T－相邻塔板间的距离，m，取H T=0.575m；Z J－填料上方分离空间的高度，m，参考表8选定；Z T－填料与塔底间的距离，m，亦参考表8选定。