青岛科技大学化工课程设计设计题目：乙醇-正丙醇溶液连续板式精馏塔的设计指导教师：学生姓名：化工学院—化学工程与工艺专业135班日期:目录一设计任务书二塔板的工艺设计（一）设计方案的确定（二）精馏塔设计模拟（三）塔板工艺尺寸计算1）塔径2）溢流装置3)塔板分布、浮阀数目与排列（四）塔板的流体力学计算1）气相通过浮阀塔板的压强降2）淹塔3)雾沫夹带（五）塔板负荷性能图1）雾沫夹带线2）液泛线3）液相负荷上限4）漏液线5）液相负荷上限（六）塔工艺数据汇总表格三塔的附属设备的设计（一）换热器的选择1)预热器2)再沸器的换热器3)冷凝器的换热器（二）泵的选择四塔的内部工艺结构（一）塔顶（二）进口①塔顶回流进口②中段回流进口（三）人孔（四）塔底①塔底空间②塔底出口五带控制点工艺流程图六主体设备图七附件（一）带控制点工艺流程图（二）主体设备图八符号表九讨论十主要参考资料一设计任务书【设计任务】设计一板式精馏塔，用以完成乙醇-正丙醇溶液的分离任务【设计依据】如表一表一【设计内容】1）塔板的选择；2）流程的选择与叙述；3）精馏塔塔高、塔径与塔构件设计；4）预热器、再沸器热负荷及加热蒸汽消耗量，冷凝器热负荷及冷却水用量，泵的选择；5）带控制点工艺流程图及主体设备图。

二塔板的工艺设计（一）设计方案的确定本设计的任务是分离乙醇—正丙醇混合液，对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程，运用Aspen软件做出乙醇—正丙醇的T-x-y 相图，如图一：图一：乙醇—正丙醇的T-x-y相图由图一可得乙醇—正丙醇的质量分数比为0.5:0.5时，其泡点温度是84.40o C（二）精馏塔设计模拟1.初步模拟过程运用Aspen软件精馏塔Columns模块中DSTWU模型进行初步模拟，并不断进行调试，模拟过程及结果如下：图二：初步模拟模块图三：塔规格初步设计结果由此塔得到的组分如下：图四：塔规格初步设计所得到流股及其组成由上图看出重组分中乙醇的质量分数是 2.0%，其结果是并不符合分离要求，因此运用精馏塔Columns模块中RadFrac模型进行精确模拟设计，并不断进行调试，模拟过程及结果如下：图五：精确模拟模块图六：塔规格精确设计结果图七：塔规格精确设计所得到流股及其组成由图七看出在塔顶乙醇含量和塔底乙醇含量均达到分离要求，因此软件所得计算结果数据如表二：表二对表二数据简单的处理和从软件中可得到如下数据：表三（三）塔板工艺尺寸计算1）塔径空塔气速u=(安全系数)⨯max u ,安全系数=0.6-0.8，max u =1） 横坐标数值：0.50.50.0029734.067()()0.0481.28 1.644s L s V L V ρρ⨯=⨯= 取板间距：0.40T H m =，取板上液层高度：0.07L h m =， 则0.33T L H h m =-查图可知C 20=0.12 ,0.20.212017.52()0.12()0.1162020C C σ==⨯=（2）max 0.116 2.45u ==/m s取安全系数为0.6，则空塔气速为：max 0.60.6 2.45 1.47u u ==⨯=/m s塔径： 1.053D ===m 按标准塔径圆整为： 1.1D m =，则横截面积：222/40.785 1.10.95T A D m π==⨯=实际空塔气速：'1 1.281.350.95u ==/m s 2）溢流装置选用单溢流弓形降液管，不设进口堰。

各项计算如下： ① 堰长堰长0.660.66 1.10.726W l D m ==⨯= ② 出口堰高出口堰高W h :W L OW h h h =-（3）采用平直堰，堰上层高度：2/32.84(/)1000OW h W h E L l =⨯ 近似取E=1，由列线图查得OW h ，W l =0.726m ，30.0029360010.36/h L m h =⨯=，查图得0.02OW h m =,0.05W h m =③ 弓形降液管宽度d W 和截面积f A由0.66W l D =查得0.1937f TA A =，0.124d WD =则20.19370.950.1840.124 1.10.136f d A m W m=⨯==⨯=，验算液体降液管内停留时间，即0.0680.4528.60.0029f T SA H s L θ⨯===停留时间5s θ>，故降液管可使用 ④ 降液管底隙高度0h//003600h so w w L L h l u l u ==（4） 取降液管底隙的流速0u =0.13m/s 则100.00290.0310.7260.13o w Ls h m l u ===⨯（5） 取0.03o h m =3)塔板分布、浮阀数目与排列 取阀孔动能因子F0=10.则孔速007.8/u m s ===（6） 每层塔板上浮阀数目为2200 1.28137.4/440.0397.8S V N d u ππ===⨯⨯（7） 因此取每层塔板上浮阀数目为138个取边缘区宽度0.06Wc m =;破沫区宽度0.10S W m = 计算塔板上的鼓泡区面积，即22sin()180a x A R arc R π⎡⎤=⎢⎥⎣⎦（8） 其中 1.10.060.4922C D R W m =-=-=（9）1.1()(0.1360.10)0.31422d S D x W W m =-+=-+=（10）所以220.31420.3140.74sin()0.9981800.49a oA arc m π⎡⎤=⨯=⎢⎥⎣⎦浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距750.075t mm m ==,则排间距：0.9980.0961380.075s T A t m A '===⨯, 取100t mm '=（四）塔板的流体力学计算 1）气相通过浮阀塔板的压强降气体通过塔板时，需克服塔板本身的干板阻力、板上充气液层的阻力及液体表面张力造成的阻力，这些阻力即形成了塔板的压降。

气体通过塔板的压降p c l h h h h σ=++（11）式中：c h ——与气体通过塔板的干板压降相当的液柱高度，m液柱；l h ——与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度，m 液柱； h σ——与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度，m 液柱。

（1）干板阻力08/c u m s ===（12）因0u <0c u 故0.175019.90.038c Lu h m ρ=⨯=液柱（13）（2）板上充气液层阻力取ε0=0.500.50.070.035l L h h m ε==⨯=液柱（14）（3）液体表面张力所造成的阻力：此阻力很小，可忽略不计。

因此，与气体流经塔板的压降相当的液柱高度为0.0380.0350.073p h m =+=液柱（15）则单板压降0.073734.0679.81525p p L p h g Pa ρ∆==⨯⨯=（16）2）淹塔为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液高度V ρd p l d H h h h =++（17）(1)单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度：0.073p h m =（18）(2)液体通过液体降液管的压头损失2200.00290.153()0.153()0.00610.7260.02S d W L h m L h ==⨯='⨯（19）(3)板上液层高度0.07L h m =则0.0730.070.00610.1497d H m =++=（20）取0.5φ=，已选定0.40T H m =0.05W h m = 则()0.5(0.400.05)0.25W T h H m φ+=⨯+=（21）可见()d T W H H h φ≤+所以符合防止淹塔的要求。

3)雾沫夹带100%F b=泛点率（22）及100%F T=泛点率（23）板上液体流经长度：2 1.120.1360.828L d Z D W m =-=-⨯=板上液流面积：220.9520.0680.814b T f A A A m =-=-⨯=取物性系数 1.0K =，泛点负荷系数图0.126F C =65%==泛点率对于小塔，为了避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，雾沫夹带能够满足0.1(/)V e kg kg <液气的要求。

（五）塔板负荷性能图 1）雾沫夹带线100%F b=泛点率（24）据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算：0.80=整理得：0.0820.047 1.126S S V L =+ 即 1.74523.957S S V L =- (26)由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个s L 值算出相应的两个S V 列于表四中，据此可作出雾沫夹带线表四2）液泛线()T W p L d c l L d H h h h h h h h h h σφ+=++=++++ (27)由此确定液泛线，忽略式中h σ()()2230036002.840.153121054030.v s s w L w w T w H u L L h E g l h l h ρερφ⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥+⨯+++ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣=⎦+⨯(28)因物系一定。

塔板结构尺寸一定，则T H ，W h ，0h ，w l ，V ρ，L ρ，ε0及φ等均为定值，而0u 与s V 有关系，0204s V u d Nπ=(29)整理得：22230.0220.15725 1.24sssV L L =--(30)在操作线范围内若干个s L 值，由上式求出若干个对应的s V 值，如表五，据此表格画出液泛线表五3）液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3~5s ，液体降液管内停留时间为：3~5f T sA H s L θ== (31)以5s θ=作为液体在降液管内停留时间的下限， 则3min 0.1840.40()0.0147/55f T S A H L m s ⨯=== (32)4）漏液线对于1F 型重阀，依05F u ==计算，则0u =。

又知2004s V d Nu π=(33)则得204s V d Nπ= (34)以05F =作为规定气体最小负荷的标准，则2200023min ()0.0391380.643/444s d Nu V m s d Nπππ==⨯==⨯(35) 5）液相负荷上限取堰上液层高度0.006OW h m =作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。

()23min 36002.840.0061000s wL E l ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦(36) 取1E =则3/23min 0.00610000.226()()0.00062/2.8413600s L m s ⨯==⨯ (37)根据表四、表五及式（26）（30）（32）（35）和（37）可作出塔板负荷性能图如图八所示由塔板负荷性能图可看出：（1）在任务规定的气液负荷下的操作点p （设计点）处在适宜的操作区内的适中位置；（2）塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由露液控制;（3）按固定气液比，由图可查出塔板的气相负荷上限3max () 1.45/S V m s =， 气相负荷下限3min ()0.643/S V m s =。