板式精餾塔課程設計

1、<p>　　摘 要</p><p>　　本設計采用板式精餾塔（浮閥塔）乙醇-水溶液，先找出乙醇-水溶液的平衡數據，然后利用AutoCAD作圖，求出最小回流比為2.2406，再建立總費用與回流比之間的函數關系，利用C語言編程求出最優(yōu)回流比為2.2476，利用塔板效率求出理論塔板數，然后對塔和塔板的工藝尺寸進行計算，計算圓整得塔徑DT=1.0m，塔高47.1m。進而對塔的流體力學性能進行驗算

2、，利用塔設備的強度求塔體厚度，最后對塔的穩(wěn)定性進行驗算，使之符合設計要求。</p><p>　　關鍵詞：浮閥塔 精餾塔 最優(yōu)回流比 尺寸計算 強度驗算</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design use the float valve tower distilling and

3、 seperating the ethanol-water solution.At first ,we find some necessary data and then use “AutoCAD” to make a drawing and obtain our minimum reflux ratio.Next ,we establish the pattern between the reflux ratio and the t

4、otal cost by economic calculation,and then we make a program of C language to select our optional reflux ratio.The theoretical plate number of our tower is 55,and the optional reflux ratio is 2.2476.We also have calculat

5、ed the si</p><p>　　Key words:float valves optional reflux ratio liquid mechanic calculation ethanol-water solution</p><p><b>　　1、概述 </b></p><p>　　精餾是通過氣液兩相的直接接觸，

6、利用組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相傳遞，難揮發(fā)組分由氣相向液相傳遞，來達到分離液體混合物的一種常用操作。精餾過程按操作壓強可分為常壓精餾、加壓精餾和減壓精餾。</p><p>　　一般說來，當總壓強增大時，平衡時氣相濃度與液相濃度接近，對分離不利，但對在常壓下為氣態(tài)的混合物，可采用加壓精餾；沸點高又是熱敏性的混合液，可采用減壓精餾。精餾是分離過程中的重要單元操作之一，精餾過程所用的設備及其相互聯系，

7、總稱為精餾裝置，所用設備主要包括精餾塔及再沸器和冷凝器,其核心是精餾塔。常用的精餾塔又有板式塔和填料塔兩大類，通稱塔設備。 精餾塔 精餾塔是一圓形筒體，塔內裝有多層塔板或填料，塔中部適宜位置設有進料板。兩相在塔板上相互接觸時，液相被加熱，液相中易揮發(fā)組分向氣相中轉移；氣相被部分冷凝，氣相中難揮發(fā)組分向液相中轉移，從而使混合物中的組分得到高程 度的分離。簡單精餾中，只有一股進料，進料位置將塔分為精餾段和提餾段，而在塔頂和塔底分別引出一股產

8、品。精餾塔內，氣、液兩相的溫度和壓力自上而下逐漸增加，塔頂最低，塔底最高。 </p><p>　　分離乙醇—水溶液用的是板式塔精餾塔，板式塔大致可分兩類，一類是有降液管的塔板，如泡罩、浮閥、篩板、導向篩板、新型垂直板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一類是無降液管塔板，如穿流式篩板（柵板）、穿流式波紋板等。工業(yè)應用較多的是有降液管的浮閥、篩板和泡罩塔板等。 </p><p><b>

9、;　?。ㄒ唬┡菡炙?</b></p><p>　　泡罩塔是應用最早的氣液傳質設備之一，其主要構件是泡罩、升氣管及降液管。泡罩的種類很多，國內應用較多的是圓形泡罩。 </p><p>　　泡罩塔的主要優(yōu)點是操作彈性較大，液氣比范圍大，適用于多種介質，操作穩(wěn)定可靠；但其結構復雜、造價高，氣體流經曲折，塔板壓降大，生產能力及板效率較低?，F雖已被其他新型塔板取代，但鑒于其某些優(yōu)點，仍有

10、沿用。</p><p><b>　?。ǘ┖Y板塔</b></p><p>　　篩板是在塔板上有均勻的篩孔，操作時，液體橫向流過塔板，靠溢流堰，使板上能維持一定厚度的液層，上升氣流通過篩孔分散成細小的流股，在板上液層中鼓泡而出，氣液間密切接觸而進行傳質，在正常操作氣速下，通過篩孔上升的氣流，應能阻止液體經篩孔向下泄露。</p><p>　　篩板的

11、優(yōu)點是結構簡單，制造維修方便，造價低，相同條件下生產能力高于浮閥塔，塔板效率接近浮閥塔。其缺點是穩(wěn)定操作狀態(tài)范圍窄，小孔徑篩板易堵塞不適宜處理粘性大的，易結焦的和帶固體粒子的物料，但設計良好的篩板塔仍具有足夠的操作彈性，對易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板，故近年我國對篩板的應用日益增多。</p><p><b>　　（三）浮閥塔 </b></p><p>　　浮閥塔廣

12、泛應用于精餾、吸收和解吸等過程。操作時，從閥孔上升的氣流，經過閥片與塔板間的間隙與板上橫流的液體接觸。浮閥開度隨氣體負荷而變。在低氣量時，開度較小，氣體仍能以足夠的氣速縫隙，避免過多的漏液；在高氣量時，閥片自動浮起，開度增大，使氣速不至過大。 </p><p>　　浮閥塔的優(yōu)點是在塔板的開孔上裝有可浮動的浮閥，氣流從浮閥周邊以穩(wěn)定的速度水平地進入塔板上液層進行兩相接觸。浮閥可根據氣流量的大小而上下浮動，自行調節(jié)。

13、盤式浮閥塔的主要優(yōu)點是生產能力大，操作彈性較大，分離效率較高，浮閥塔的結構比泡罩塔簡單。 </p><p>　　板式精餾塔中溶液經過一塊塔板即相當于一次相平衡，塔板的數目越多則分離效果越明顯，但同時塔板費用也越高，故需要根據實際的費用及操作要求來確定塔板的數目。</p><p><b>　　2、設計方案的確定</b></p><p><b

14、>　　2.1塔型的選擇</b></p><p>　　板式塔主要有篩板塔，浮閥塔，泡罩塔等，各有優(yōu)點，應根據實際情況來選擇，根據生產任務，每年工作300天，每天工作24小時，本次設計采用浮閥塔，因為浮閥塔有如下優(yōu)點：</p><p>　?、?、生產能力大，比泡罩塔約提高20~40%，與篩板相近。</p><p>　?、颉⒉僮鲝椥源?，在較寬的氣速變化范圍

15、內板效率變化較小，其彈性范圍比篩板及泡罩塔大得多。</p><p>　?、?、由于氣液接觸狀態(tài)良好，以及氣體從水平方向吹出，霧沫夾帶量小，因此效率高。</p><p>　?、簟⑺迳蠜]有復雜的障礙物，因而液面梯度小，蒸汽的分配均勻。此外，塔板壓降比泡罩塔小。</p><p>　?、酢⑺宓慕Y構簡單，安裝容易制造費用較少。</p><p>　　2

16、.2 工藝流程的確定</p><p>　　一套完整的精餾設備應該包括精餾塔、再沸器、冷凝器（本設計采用全凝器），由于本設計采用的是泡點進料，所以在進料之前料液還要經過預熱器進行預熱。釜底餾出液和塔頂餾出液由于溫度較高，必須設置冷凝器，另外必要的地方要設置儲槽，以穩(wěn)定流體的流速，儲存產品。</p><p>　　2.3操作壓強的選擇</p><p>　　乙醇—水兩相體系

17、在常壓下還是比較容易分離的，只要分離要求不很高（乙醇質量含量≤95%），為降低塔的操作費用，操作壓強選用常壓。</p><p>　　2.4進料熱狀況的選擇</p><p>　　不同的進料熱狀態(tài)對精餾塔操作及分離效果有比較大的影響，進料狀態(tài)的不同直接影響塔內蒸汽速度，在精餾操作中選擇合適的進料狀態(tài)很重要。為了使塔的操作穩(wěn)定，免受季節(jié)氣溫的影響，本設計采用泡點進料。</p>&l

18、t;p>　　2.5 加熱方式的選擇</p><p>　　工程上對再沸器的基本要求是操作穩(wěn)定、調節(jié)方便、結構簡單、加工制造容易、安裝檢修方便、使用周期長、運轉安全可靠，同時也應考慮其占地面積和安裝空間高度等。塔底再沸器的加熱方式有間接加熱和直接加熱兩種，我們采用的是間接加熱，其相對于直接加熱有以下優(yōu)點： </p><p>　?。?）在XF,q,XD,R 相同的情況下，若保持XW 亦相同

19、，直接加熱蒸汽的提餾段斜率比間接加熱的大，所需理論板數較少，但輕組分回收率降低，若保持輕組分回收率相等，則直接加熱蒸汽的提餾段斜率要與間接加熱的一致，但須延伸至X 軸， 且釜液組成比間接加熱時低，所需理論板數有所增加，理論板數的增加導致塔高增加，制造費用增加。 </p><p>　?。?）在XF,F,XD,XW 相同時，采用直接蒸汽加熱所得塔頂產品流率和輕組分回收率較間接加熱的低。 </p><

20、;p>　　所以綜合上述優(yōu)點我們采用間接水蒸汽加熱。</p><p>　　2.6 回流比的優(yōu)化 </p><p>　　對回流比的優(yōu)化就是要建立回流比與操作費用之間的函數關系，力求使設備的總操作費用最小，用編程求出最優(yōu)回流比。</p><p>　　3.板式精餾塔的工藝設計</p><p>　　3.1物性參數的計算</p>&l

21、t;p>　　年處理量：30000噸乙醇；料液乙醇質量含量：35%；殘液乙醇質量含量：0.04%,餾出液乙醇質量含量94.5%。</p><p>　　年工作300天，每天工作24小時。</p><p><b>　　最小回流比</b></p><p>　　原料液的平均摩爾質量</p><p><b>　　原料

22、液流量</b></p><p><b>　　餾出液流量</b></p><p><b>　　釜殘液流量</b></p><p><b>　　乙醇的回收率</b></p><p>　　3.2最小回流比的確定</p><p>　　根據乙醇-水的氣

23、液平衡數據利用CAD作圖如下：先作出氣液相平衡線，然后由（xd，xd）處作平衡線的切線，算出切線的斜率，進而算出最小回流比。</p><p><b>　　由圖可得：</b></p><p>　　3.3最優(yōu)回流比的確定</p><p>　　取最小回流比的1.1倍作為程序的起始回流比，建立回流比與總操作費用之間的函數關系，然后編程求出最優(yōu)回流比。&

24、lt;/p><p>　　以精餾塔系統(tǒng)（包括塔體、塔頂冷凝器和塔底再沸器）的年費用為目標函數,表示為:</p><p>　　J=J1+J2+J3</p><p>　　式中： J-----------精餾塔系統(tǒng)的總費用,元/年;</p><p>　　J1----------精餾塔塔體的折舊費及維修費用, 元/年;</p><p&

25、gt;　　J2----------冷凝器的折舊及維修費用, 元/年;</p><p>　　J3----------再沸器的折舊及維修費用, 元/年。</p><p>　　3.3.1 J1的數學模型</p><p>　　F1=塔體費用+塔板費用</p><p>　　即: F1=(Fc+0.06)(Ct+Ch)</p

26、><p><b>　　塔板費用Ct的計算</b></p><p>　　若塔的材料為碳鋼，在塔徑0.6-4.8m范圍內</p><p>　　Ct=2.78.38×Fl×Ft×Fn×exp(0.570 ) ×N/E</p><p>　　式中 ：Fl -----------美元對

27、人民幣的匯率，此處查的為6.825人民幣/美元；</p><p>　　Ft ----------塔板類型因子，其中浮閥塔Ft =1，篩板塔Ft=0.85，泡罩塔Ft=1.59；</p><p>　　Fn ----------板數因子，當實際塔板數 Ns>20時，Fn=1，Ns<20</p><p><b>　　時，Fn=</b>&l

28、t;/p><p>　　----------塔徑，m；</p><p>　　N ----------理論塔板數；</p><p>　　E ----------塔的總板效率。</p><p>　　通過計算知：當=1.0m時</p><p>　　Ct=7015.169N</p><p>　　塔體費用Ch的

29、計算：</p><p><b>　　+ ]</b></p><p>　　式中： </p><p>　　式中： Ws-----------塔體的質量，Kg；</p><p>　　H----------塔筒體長度加兩端封頭直邊部分長度，m；</p><

30、p>　　----------塔板間距，m；</p><p>　　----------塔頂空間高度，m一般取1.0-1.5m；</p><p>　　-----------塔底空間高度，m，可按塔釜料液儲量和塔徑計算，</p><p>　　對于塔底產量大的塔，有時僅取3-5min的儲量； </p><p>　　b--------

31、--塔壁厚；</p><p>　　ρ----------塔壁材料密度， ； </p><p>　　3.3.2 J2數學模型</p><p>　　塔頂冷凝器的年費J2由冷卻水的年費與設備的年折舊費組成，公式如下：</p><p>　　式中： -----------冷卻水價格，元/ Kg；</p><

32、;p>　　-------------操作時間，h/a;</p><p>　　、-------冷卻水的進出口溫度，℃；</p><p>　　、-------冷凝器的壓力和材質校正系數；</p><p>　　-----------冷凝器的總傳熱系數，kW/ (˙℃)；</p><p>　　、--------冷凝器的回歸系數；</p&g

33、t;<p>　　-----------塔頂蒸汽的露點溫度，℃；</p><p>　　------------設備折舊率，；</p><p>　　由于后一項相對較小，對整體影響不大，故可省略計算，只計算前一項?？梢钥闯觯?lt;/p><p>　　3.3.3 J3的數學模型</p><p>　　采用間接蒸汽加熱，則塔底再沸器的年費用由加

34、熱蒸汽的年費用和設備的年折舊費用組成，公式如下：</p><p>　　式中： Cz0-----------飽和水蒸氣的價格系數，元/千克；</p><p>　　Cz1----------飽和水蒸氣的價格系數,元/千克/ ℃； </p><p>　　Ta-----------加熱飽和水蒸氣溫度，℃；</p><p>　　--------

35、----操作時間，h/a;</p><p>　　、-------再沸器的壓力和材質校正系數；</p><p>　　、--------再沸器的回歸系數；</p><p>　　-----------塔釜物料的汽化潛熱，kJ/kmol；</p><p>　　----------再沸器的總傳熱系數，kW/ (˙℃)；</p><p

36、>　　-------- -塔底釜液的泡點溫度，℃；</p><p>　　-------- -飽和蒸汽的溫度，133.3℃ </p><p>　　由于后一項相對較小，對整體影響不大，故可省略計算，只計算前一項。可以看出：</p><p>　　綜上：因為塔板數也只與R有關，所以總費用僅與R有關 ，</p><p>　　

37、即 J=J(R) </p><p>　　3.4塔的工藝條件及物性數據計算</p><p><b>　　3.4.1溫度</b></p><p>　　由拉格朗日插值法求進口、塔釜、塔底溫度：</p><p><b>　　: ℃</b></p><p&g

38、t;<b>　　： ℃</b></p><p><b>　　: ℃</b></p><p><b>　　精餾段平均溫度：℃</b></p><p><b>　　提餾段平均溫度：℃</b></p><p>　　塔釜與塔頂的平均溫度：℃</p&g

39、t;<p>　　3.4.2 密度及摩爾質量</p><p>　　混合液密度：（a為質量分率），混合氣密度：</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　平均溫度℃</b></p><p><b>　　液相組成 %</b><

40、/p><p>　　所以 液相的平均摩爾質量</p><p><b>　　氣相的平均摩爾質量</b></p><p>　　由拉格朗日插值法求乙醇和水的密度：</p><p>　　乙醇的密度 </p><p>　　水的密度 </p><p>　　所以

41、，精餾段的液相密度 </p><p><b>　　精餾段的氣相密度</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　平均溫度℃</b></p><p>　　液相組成 </p><p>&

42、lt;b>　　氣相組成 </b></p><p>　　所以 液相的平均摩爾質量</p><p><b>　　氣相的平均摩爾質量</b></p><p>　　由拉格朗日插值法求密度：</p><p><b>　　液相密度</b></p><p>&

43、lt;b>　　氣相密度：</b></p><p>　　3.4.3液體的表面張力</p><p>　　不同溫度下乙醇和水的表面張力可用下式計算。</p><p>　　公式： </p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　平均溫度℃，由內插法求表面

44、張力：</p><p>　　乙醇表面張力 </p><p>　　水的表面張力 </p><p>　　混合液體的表面張力： </p><p><b>　　提餾段：</b></

45、p><p>　　平均溫度℃，由內插法求表面張力：</p><p>　　乙醇表面張力 </p><p>　　水的表面張力 </p><p>　　所以混合液體的表面張力</p><p>　　3.4.4混合物的黏度：</p><p>　　進料中水的黏度，乙醇的黏度。</p>

46、;<p><b>　　液體的平均黏度</b></p><p>　　精餾段：平均溫度℃，查表得</p><p><b>　　精餾段黏度</b></p><p>　　提餾段：平均溫度℃，查表得</p><p><b>　　提餾段黏度</b></p>&l

47、t;p>　　3.4.5相對揮發(fā)度</p><p>　　精餾段相對揮發(fā)度：由精餾段組成及相對揮發(fā)度公式有</p><p><b>　　提餾段相對揮發(fā)度：</b></p><p>　　3.4.6 塔效率的計算</p><p><b>　　塔板效率</b></p><p>　

48、　3.4.7 氣液負荷的計算</p><p>　　由氣液平衡相圖可得最小回流比</p><p><b>　　最優(yōu)回流比</b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　質量流量：</b></p><p><b>

49、;　　體積流量：</b></p><p>　　提餾段：因本設計為飽和進料，所以。</p><p><b>　　質量流量</b></p><p><b>　　體積流量</b></p><p>　　3.5塔和塔板主要工藝尺寸的計算</p><p>　　3.5.1塔板數

50、的計算</p><p>　　由程序計算得理論塔板數N=55（不含塔釜),精餾段塔板數 N1=50，提餾段N2=5，塔徑DT=1.063040。</p><p>　　實際的精餾段塔板數,提餾段塔板數，實際總塔板數</p><p>　　進料口應該在第108塊板上。</p><p>　　3.5.2塔徑的初步選擇及校驗</p><

51、;p>　　取塔徑DT=1.1m,板間距。</p><p>　　由,式中C可由史密斯關聯圖查出：</p><p><b>　　對精餾段進行校驗：</b></p><p>　　橫坐標數值：，查表可知， </p><p><b>　　所以，</b></p><p>&l

52、t;b>　　取</b></p><p>　　橫截面積：，空塔氣速：</p><p><b>　　對精餾段進行校驗：</b></p><p>　　橫坐標數值：,查表得,</p><p><b>　　所以，</b></p><p><b>　　取<

53、;/b></p><p>　　結合精餾段、提餾段及理論塔內徑，圓整得出塔內徑</p><p>　　DT=1.0m，橫截面積</p><p>　　3.6溢流裝置的設計</p><p>　　本次設計采用單溢流，弓形降液管，凹形受液盤，設有出口堰（平直堰）的溢流裝置。下面計算溢流裝置的各種參數：</p><p><

54、;b>　　3.6.1堰長:</b></p><p>　　堰長一般根據經驗公式確定，對常用的單溢流弓形降液管：</p><p><b>　　取</b></p><p>　　出口堰高：對于平直堰，堰上液層高度可用Francis公式計算，即</p><p>　　式中E為液流收縮系數，根據設計經驗，取E=1時所

55、引起的誤差能滿足工程設計要求，所以本設計取E=1。</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　3.6.2弓形降液管的寬度和橫截面積</p><p>　　堰長與塔徑之比，查表得，算得</p><p>　　驗算

56、降液管內停留時間：</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　停留時間，故降液管可使用。</p><p>　　3.6.3降液管底隙高度</p><p>　　降液管底隙高度是指降液管底邊與塔板間的距離。確定的

57、原則是：保證液體夾帶的懸浮固體在通過底隙時不致沉降下來堵塞通道，同時又要有良好的液封，防止氣體通過降液管造成短路。</p><p><b>　　一般按下式計算</b></p><p>　　，式中為液體通過底隙時的流速，根據經驗，一般取=0.07~0.25</p><p>　　本次設計取=0.08</p><p><

58、b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　上述兩值都大于20mm，故符合設計要求。</p><p><b>　　3.6.4 受液盤</b></p><p>　　塔板上接受上一層流下的液體的部位稱為受液盤，受液盤有兩種形式：平受液盤和

59、凹形受液盤；本次設計采用凹形受液盤。因為凹形受液盤不需設置進口堰，節(jié)省板面，它在低液量時</p><p>　　形成良好的液封，且有改變液體流向的緩沖作用，并便于液體從側線抽出。</p><p><b>　　3.7 塔板布置 </b></p><p><b>　　3.7.1塔徑分布</b></p><p&

60、gt;　　本設計塔徑，安定區(qū)寬度無效區(qū)寬度，采用分塊式塔板，這樣便于通過人孔拆裝塔板。</p><p>　　3.7.2浮閥類型數目與排列</p><p>　　本設計采用F1型浮閥，其特點是結構簡單，制作方便，節(jié)省材料。</p><p>　　一般在正常負荷情況下希望浮閥是在剛全開時操作，試驗結果表明一般閥此時的閥孔動能因數為,可以按此確定所需閥數。下面分精餾段和提餾段

61、來計算：</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　取閥孔動能因子，則孔速</p><p>　　則每層塔板上浮閥數目為：</p><p>　　計算塔板上鼓泡區(qū)面積，即： </p><p><b>　　其中，</b></p><p&

62、gt;<b>　　故</b></p><p>　　浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，國內浮閥塔盤系列（JB1206--71)中推薦一排中的閥孔中心距為75mm;</p><p><b>　　排間距</b></p><p>　　考慮到選擇的是分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡面積，因此排間距應該小一些，故排間距

63、取。以等邊三角形叉排方式作圖，排得閥數91個。</p><p>　　按N=91重新核算孔速及閥孔動能因數。</p><p>　　,仍在8~13之間，符合要求。</p><p>　　塔板開孔率，在15%左右，符合要求。</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>

64、　　取閥孔動能因子則</b></p><p>　　每層塔板上浮閥數目為：塊</p><p>　　排間距，除去各分塊的支撐與銜接所占的面積，取，以等邊三角形叉排方式作圖，排得閥數79塊。</p><p>　　按N=95塊重新核算孔速及閥孔動能因數。</p><p><b>　　，符合設計要求。</b></

65、p><p>　　塔板開孔率，浮閥排列如下圖所示：</p><p>　?。ňs段的排列情況一樣，只是浮閥數目不同，圖略）</p><p>　　3.8塔板流體力學計算</p><p>　　塔板流體力學驗算的目的在于檢驗初步設計的塔板能否在較高的效率下正常操作，它的內容有以下幾項：塔板壓力降、液泛、液沫夾帶、漏液、液相負荷上下限、液面落差等。</

66、p><p>　　塔板壓降 氣相通過一塊塔板的壓降為</p><p><b>　　精餾段</b></p><p><b>　　干板阻力：</b></p><p><b>　　，故：</b></p><p>　　板上充氣液層阻力： 取，</p>

67、<p>　　由液體表面張力所造成的阻力可以忽略不計，因此與氣體流經塔板的壓降相當的高度為：</p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　干板阻力：</b></p><p><b>　　，故：</b></p><p>　　由液體表面張力所

68、造成的阻力可以忽略不計，因此單板的壓降相當與液柱的高度為：</p><p><b>　?。?）液泛（淹塔）</b></p><p>　　為了防止淹塔現象，要求控制降液管中清液高度：</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　精餾段</b></p

69、><p>　　液體通過液體降液管的壓頭損失：</p><p>　　取相對泡沫密度，則>，故不會淹塔。</p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　取，則>,故不會發(fā)生淹塔現象。</p><p><b>　?。?）液沫夾帶</b></p>

70、<p>　　液沫夾帶指氣流穿過板上液層時夾帶液滴進入上層塔板的現象，它影響塔板分離效率，為保持塔板一定效率，應控制液沫夾帶量。</p><p>　　式中為塔板上鼓泡層高度，可按泡沫層相對密度為0.4考慮，即=0.15m，</p><p><b>　　精餾段</b></p><p>　　<0.1，故不會發(fā)生嚴重的液沫夾帶。&l

71、t;/p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　<0.1，故不會發(fā)生嚴重的液沫夾帶。</p><p>　　3.9塔板負荷性能圖</p><p><b>　　精餾段</b></p><p><b>　　a、氣相負荷下限線</b><

72、/p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　b、氣相負荷上限線</b></p><p><b>　　泛點率</b></p><p><b>　　板上液體流經長度：</b></p><p><b>　　板上

73、液流面積：</b></p><p>　　K=1,查泛點負荷因數圖得</p><p><b>　　整理得</b></p><p><b>　　c、液相負荷上限線</b></p><p>　　液體的最大流量應保證降液管中停留時間不低于3~5s。以5s作為液體在降液管內停留時間的下限，則：&l

74、t;/p><p><b>　　d、液相負荷下限線</b></p><p>　　取堰上液層高度作為液相負荷下限條件作出液相負荷：</p><p><b>　　，取E=1.0，</b></p><p><b>　　整理得</b></p><p><b>

75、;　　e、液泛線</b></p><p>　　由此確定液泛線，忽略式中</p><p>　　式中,代入數據并整理得：</p><p><b>　　負荷圖如下圖所示：</b></p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　a、氣相

76、負荷下限線</b></p><p><b>　　b、氣相負荷上限線</b></p><p>　　c、液相負荷上限線 同精餾段</p><p>　　d、液相負荷下限線 同精餾段</p><p>　　e、液泛線 同理可得： </p><p><b>　　負荷圖如下圖所示

77、：</b></p><p>　　4．塔的結構與輔助設備設計</p><p>　　4.1塔高塔徑的確定 </p><p>　　由程序的理論板數N=55(不含塔釜) </p><p>　　N1=50 , ?N2= 5 ? </p><p><b>　　則實際板數為： </b></p&

78、gt;<p>　　精餾塔的有效高度41.3m</p><p><b>　　計算公式：</b></p><p>　　H: 塔高（不包括裙座），m； </p><p>　　HD: 塔頂空間，m 取1m； </p><p>　　HT: 塔板間距，m 為0.35m； </p><p>　　H

79、T′: 開由人孔的塔板間距，m 取0.6m；</p><p>　　，計算時取H=48m </p><p><b>　　4.2 管徑的選擇</b></p><p>　　4.2.1 進料管 </p><p>　　進料管的結構類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T 型進料管。本設計采用 </p><p>

80、;　　直管進料管。管徑計算如下： </p><p><b>　　已知原料液流量</b></p><p>　　原料液的平均摩爾質量</p><p>　　所以V=182.1733*22.872=4166.67kg/h</p><p>　　已求得平均密度 </p><p>　　所以Vs

81、=4166.67/929.13=4.48449m3/h </p><p>　　取uf = 1.0m/?56416 . (料液由離心泵輸送) </p><p>　　則進料管直徑 0.04m </p><p><b>　　安裝時取型無縫鋼管</b></p><p><b>　　4.2.2 回流管</

82、b></p><p>　　采用直管強制回流管，取uR=2.0m/s, 則 </p><p>　　dr= =0.028m</p><p>　　查表?。骇?8×3.5 型無縫鋼管</p><p>　　4.2.3 塔頂蒸汽管 </p><p>　　選取直管出氣，取出口氣速為 u=15m/s </p>

83、;<p>　　dp ==0.33m</p><p><b>　　安裝時取型無縫鋼管</b></p><p>　　4.2.4 塔釜出料管 </p><p><b>　　取u=0.5m/s</b></p><p><b>　　釜殘液流量</b></p>

84、<p>　　=145.7622×18.8115/929.13=2.951m3/h</p><p>　　則釜液出口管徑dw ==0.046m</p><p><b>　　安裝時用型無縫鋼管</b></p><p>　　4.2.5 加熱蒸汽管 </p><p><b>　　取u=20m/s &l

85、t;/b></p><p>　　蒸汽流率：z=1153.337kg/h, </p><p>　　加熱蒸汽壓為0.2MPa，則可查得其密度為1.6501kg/m3 </p><p>　　加熱蒸汽的體積流率 VH=</p><p>　　加熱管直徑：dH= </p><p><b>　　安裝時用型無縫鋼管&l

86、t;/b></p><p>　　4.2.6 離心泵的選擇 </p><p>　　先要算其揚程：H=0.45*9+3+3=10.4m（裙座、塔底空間、提餾段的高度之和） </p><p>　　qv=3.8398m3/h </p><p>　　qe=Hqvρg=10.4*3645.813*9.81/3600 =103.3222w </

87、p><p>　　則查取資料，選擇離心泵型號：IS50-32-200 </p><p>　　4.2.7 冷凝器的選擇 </p><p>　　有機物蒸汽冷凝器設計選用的總傳熱系數范圍：350～700 kcal/m3 .h ℃ </p><p>　　則可選取K=600 kcal/（m3 .h ℃）=2510.46 kJ/（m3 .h ℃） </p

88、><p>　　tD=78.17 ℃ 冷卻水的溫度：t1=20℃，t2=50℃ </p><p>　　采用逆流傳熱 Δt1=58.17℃, Δt2=28.17℃ Δtm = (Δt1 ?Δt2)/ ln (Δt1 /Δt2) = (58.17 ?28.17)/ ln (58.17 /28.17) = 41.25℃ </p><p>　　A=Q/(K*Δtm)=36.411

89、1*38540.8*4.109210/(2510.46*41.25)=27.6937m3</p><p>　　則可采用列管式固定板換熱器 :G500 IV-19-35 </p><p>　　4.2.8 再沸器的選擇 </p><p>　　133.3℃飽和水蒸氣：K=2510.46kJ/（m3 .h ℃） </p><p>　　料液溫度：99.

90、98℃，33.3℃ </p><p>　　所以應采用立式熱虹吸式再沸器：GCH1000-6-60</p><p>　　5蒸餾塔(浮閥塔)機械設計</p><p><b>　　5.1材料選擇</b></p><p>　　設計壓力，屬于低壓分離設備，一類容器；介質腐蝕性小，設計溫度在100℃左右，可以考慮用Q235-A號鋼板

91、。</p><p>　　5.2筒體、封頭壁厚確定</p><p>　　先按內壓容器設計厚度，然后按自重、液重等引起的正應力及風載荷引起的彎曲應力及風載荷引起的彎度應力進行強度校驗。</p><p><b>　　筒體厚度計算</b></p><p><b>　　=2.422mm</b></p&g

92、t;<p>　　式中 P__筒內壓強，0.1013MPa</p><p>　　__筒體直徑，1000mm</p><p>　　— 35-A在100℃時的許用應力,查得為113Mpa;</p><p>　　—塔體焊接接頭系數，采用雙面對接焊，局部無損檢測，查得=0.85</p><p>　　C—腐蝕裕量，2mm</p&g

93、t;<p>　　按剛度要求，筒體所需最小厚度</p><p><b>　　δmin==</b></p><p>　　故按剛度條件，取整,筒體厚度需3mm</p><p>　　考慮到此塔較高，風載荷較大，而塔的內徑不太大，故應適當增加厚度，現假設塔體厚度=20mm,則假設的塔體有效厚度為：</p><p>&

94、lt;b>　　封頭壁厚</b></p><p>　　為了便于焊接，取封頭與筒體等厚，即</p><p><b>　　5.3質量載荷計算</b></p><p><b>　　殼體和裙座質量：</b></p><p>　　人孔、法蘭、接管等附件的質量：</p><p

95、><b>　　內構件質量：</b></p><p>　　保溫層材料質量：4834.92kg</p><p>　　扶梯、平臺質量（扶梯單位質量為40kg/m，操作平臺共六層，平臺寬1.2m，單位質量150kg/）：6539.3625kg</p><p>　　操作時塔內物料質量：</p><p><b>　　

96、充水質量：</b></p><p><b>　　塔器的操作質量：</b></p><p><b>　　塔器的最大質量:</b></p><p><b>　　塔器的最小質量：</b></p><p>　　5.3風載荷和風彎矩</p><p>　

97、　5.3.1 風載荷 </p><p>　　將塔沿高度分層五段，P=K1K2iq0filiDei</p><p>　　K1=0.7，塔高=48m，Di=1.0m，K2=1.7，q0=30×10-5MPa，Do=1.040m</p><p><b>　　對于： </b></p><p>　　0—10m:

98、 l1=10-0=10m f1=0.80</p><p>　　10—20m: l2=20-10=10m f2=1.15</p><p>　　20—30m: l3=30-20=10m f3=1.33</p><p>　　30—40m: l4=40-30=10m f4=1.48</p>&l

99、t;p>　　40—48m: l5=48-40=8m f5=1.58</p><p>　　扶梯的附加寬度：K3=200mm（斜梯）</p><p>　　操作平臺的附加量：K4 = 600mm</p><p><b>　　塔體有效直徑:</b></p><p>　　0—10m: P1′= K1K2iq

100、0fil1′Dei = 0.7×1.7×300×0.80×10×2.04=5826.24N </p><p>　　10—20m: P2= K1K22q0filiDei =0.7×1.7×300×1.15×10×2.04=8375.22N </p><p&

101、gt;　　20—30m: P3= K1K23q0filiDei = 0.7×1.7×300×1.33×10×2.04=9686.124N</p><p>　　30—40m: P4= K1K24q0filiDei = 0.7×1.7×300×1.48×10×2.04=10778.544N</p>

102、<p>　　40—48m: P5= K1K25q0filiDei = 0.7×1.7×300×1.58×8×2.04=9205.46N </p><p>　　5.3.2 風彎矩 </p><p>　　截面劃分：0-0截面為裙座基底截面,1—1截面為裙座人孔處截面，2—2截面為裙座與塔體焊縫處截面。</p>&l

103、t;p><b>　　計算公式： </b></p><p>　　由上式計算和2—2截面彎矩：</p><p>　　1-1 截面與0-0 截面計算同上，結果如下： </p><p>　　5.4 地震載荷計算</p><p>　　5.4.1 塔的自振周期計算 </p><p><b>　

104、　H—塔的總高度</b></p><p>　　E—塔殼體材料在設計溫度下的彈性模量，MPa</p><p>　　Se—塔殼的有效壁厚</p><p><b>　　Di—塔殼內徑</b></p><p>　　5.4.2 地震載荷計算 </p><p>　　查得=0.23（設計地震烈度7級

105、）</p><p>　　Tg=0.3（Ⅱ類場地上，近震）</p><p><b>　　地震影響系數</b></p><p>　　結構影響系數Cz=0.5</p><p>　　H/Di=56/1=56>15,必須考慮高振型影響</p><p>　　確定危險截：0-0截面為裙座基底截面，<

106、/p><p>　　1-1截面為裙座人孔處截面，</p><p>　　2-2截面為裙座與塔體焊縫處截面</p><p>　　計算危險截面的地震彎矩</p><p>　　0-0 截面地震彎矩 </p><p><b>　　塔底地震彎矩：</b></p><p>　　1-1 截面地震

107、彎矩 </p><p>　　2-2 截面地震彎矩 </p><p>　　5.5 塔體的強度和穩(wěn)定性校核 </p><p>　　5.5.1 塔底危險截面(2-2)的軸向應力計算 </p><p>　　塔底危險截面（2-2）抗壓強度及軸向穩(wěn)定性驗算</p><p>　　該截面上的最大軸向壓縮應力發(fā)生在空塔時，</p&

108、gt;<p>　　因此塔底2-2截面滿足抗壓強度及軸向穩(wěn)定條件</p><p>　　5.5.2 塔底(2-2)截面上的抗拉強度校核 </p><p>　　塔底(2-2)截面上的最大拉應力：</p><p>　　因此該截面滿足抗拉強度要求</p><p>　　綜合以上各項計算，在各種不同危險截面情況下塔體壁厚取,可以滿足整個塔體的

109、強度、剛度和穩(wěn)定性要求。</p><p><b>　　--</b></p><p>　　5.6 裙座的強度及穩(wěn)定性計算 </p><p>　　5.6.1 底部(0-0)截面強度校核 </p><p>　　操作時全塔質量收起的應力 </p><p>　　風載荷收起的截面彎曲應力 </p>

110、<p><b>　　? ? ? </b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　由于</b></p><p>　　因此裙座底部0-0截面滿足抗壓強度及軸向穩(wěn)定性條件</p><p>　　5.6.2 1-1 截面強度校核<

111、;/p><p>　　操作時全塔質量收起的應力 </p><p>　　裙座材料為Q235-A 查得</p><p><b>　　由于</b></p><p>　　因此裙座底部1-1截面滿足抗壓強度及軸向穩(wěn)定性條件</p><p>　　同理計算可得裙座底部2-2 截面滿足抗壓強度及軸向穩(wěn)定性條件 &l

112、t;/p><p>　　5.6.4 裙座焊縫強度校核 </p><p>　　此塔裙座與塔體采用對接焊，焊縫承受的組合拉應力為</p><p>　　因此焊縫強度足夠，式中為旨縫材料在操作溫度下的許用應力，132MPa </p><p>　　5.7 塔體水壓試驗應力校核</p><p>　　5.7.1 由試驗壓力引起的環(huán)向應力

113、</p><p>　　由試驗壓力引起的環(huán)向應力</p><p><b>　　試驗壓力</b></p><p>　　液柱靜壓力△P=0.569MPa</p><p>　　進而比較與0.9大小</p><p>　　0.9=0.9×245×0.85=187.425>，滿足要求&

114、lt;/p><p>　　5.7.2 由試驗壓力引起的軸向應力</p><p>　　5.7.3 水壓試驗時，重力引起的軸向應力 </p><p>　　5.7.4 由彎矩引起的軸向應力 </p><p>　　5.7.5 最大組合軸向拉應力校核 </p><p><b>　　由于</b></p>

115、<p><b>　　故符合要求</b></p><p>　　5.7.6 最大組合軸向壓應力校核 </p><p><b>　　故滿足要求</b></p><p>　　5.8 裙座水壓試驗應力校核 </p><p>　　5.8.1 水壓試驗時，重力引起的軸向應力 </p>

116、<p>　　—裙座人孔處截面積；</p><p>　　—裙座大端的內直徑；</p><p><b>　　—裙座的有效壁厚</b></p><p>　　5.8.2 水壓試驗時，由彎矩引起的軸向應力 </p><p>　　—裙座人孔處截面的抗彎截面系數；</p><p>　　—裙座大端的內直

117、徑；</p><p>　　5.8.3 最大組合軸向壓應力校核 </p><p><b>　　軸向許用壓應力，取</b></p><p><b>　　因為，故滿足要求</b></p><p>　　5.9 裙座基礎環(huán)設計 </p><p>　　5.9.1 基礎環(huán)內外徑 </

118、p><p>　　外徑：Dob=Dso+360=1040+360=1400㎜</p><p>　　內徑：Dio=Dso-240=1040-240=800㎜</p><p>　　2.12.9.2 混凝土基礎強度校核：</p><p><b>　　正常操作：</b></p><p>　　混凝土的許用應力Ra

119、：</p><p><b>　　水壓試驗：</b></p><p>　　以上應力均小于標號為200的混凝土的許用壓應力，滿足強度要求</p><p>　　5.9.3 基礎環(huán)厚度設計 </p><p>　　由于該塔較高，塔底裙座采用加筋結構，基礎版采用24個均勻布的角螺旋固定，取筋板的厚度，取基礎環(huán)上筋板間的距離為<

120、/p><p><b>　　基礎環(huán)的外伸寬度</b></p><p>　　兩筋板間基礎環(huán)部分的長寬比</p><p><b>　　查表得</b></p><p>　　基礎環(huán)板采用Q235-A鋼，則其厚度為</p><p>　　考慮腐蝕裕度，取C=3mm，在圓整至鋼板系列尺寸，故基礎

121、環(huán)厚度</p><p>　　5.10 地腳螺栓計算 </p><p>　　地腳螺栓承受的最大拉應力</p><p><b>　　，取其中較小值</b></p><p><b>　　—基礎環(huán)的面積</b></p><p>　　5.10.2 地腳螺栓直徑 </p>

122、<p>　　因為>0，故此塔設備必須安裝地腳螺栓</p><p>　　取地腳螺栓的個數n=24,地腳螺栓材料的許用應力</p><p><b>　　圓整為49mm</b></p><p>　　6.各項設計數據匯總</p><p><b>　　課程設計總結</b></p>

123、<p>　　時間如白駒過隙般飛逝，持續(xù)三周的課程設計很快就要結束了，在這三周中，我們在姚老師的帶領下，按時按規(guī)完成了精餾板式塔的設計。整個設計過程我組成員不遺余力，無可否認，過程進行得很辛苦，但是通過這次課程設計，我們的收獲很大。</p><p>　　首先，本次課程設計讓我們學到了查閱參考文獻的方法和解決實際問題的能力，平時我們都很少獨立的查閱文獻，很多信息都是從課本上直接讀取，但這次我們在設計之初就

124、進行了很多文獻的查閱，從圖書館借了很多相關書籍和資料，這些文獻也為我們解決問題提供了巨大的幫助。記得當初大家為了盡快獲得更多資料，便都往圖書館里跑，于是在圖書館里面化工類書架旁邊就出現了暴擠的現象。其實圖書館的書籍還是還是相當豐富的。我們的擔心是多余的，資料很豐富，網絡、圖書館。有著兩方面的資源足以供我們課程設計用！ 實際不同于理論，要想把實際中的問題解決好，需要建立很多的模型，有時候還需要一些估算或經驗值，而沒有很精確地計算方法。很多

125、同學常常會因為這些近似的計算方法不能合理選取而使問題無法解決，經過這次課程設計，以后再遇到化工設計的實際問題時，我們就會對設計方法有所了解，知道如何根據經驗選擇計算公式，能夠獨立的解決一些實際問題。</p><p>　　其次，這次設計讓我們在短時間內提高了自己化工制圖的能力。制圖是學習化學工程必須具備的能力，但我們在這方面的能力還很不足，本次設計要求我們完成兩張圖紙，這對我們是一個很大的挑戰(zhàn)。通過這些天的自學和實

126、踐，我們初步的了解了如何用AutoCAD軟件并完成了繪圖，當然，我們掌握的還很有限，但我想這是一個開始，也是一個很好的激勵。以后我們會更努力地學習制圖，讓自己得到實質性的提高。</p><p>　　再次，這次設計還讓我們學會了彼此之間的合作，學會了與他人的溝通與交流，也正是在合作與交流中，我們才能完成設計任務。</p><p>　　我想，這次課程設計給我們帶來的還不止這些，這次設計對我們以

127、后走上工作崗位也會有很大的幫助。</p><p>　　最后，感謝學院給我們這次難得的實踐和鍛煉機會，特別感謝姚老師的幫助和指導，沒有姚老師的指導和幫助，我們的設計就不可能這么快出成果，謝謝姚老師！</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]. 郭長生等，《化學工程手冊》，北京：化學工業(yè)出版社，1982 </

128、p><p>　　[2]. 崔鵬，魏鳳玉. 《化工原理》.合肥：合肥工業(yè)大學出版社,2007 </p><p>　　[3]. 阮奇,葉長,黃詩煌《.化工原理優(yōu)化設計與解題指南》.北京：化學工業(yè)出版 </p><p><b>　　社,2001 </b></p><p>　　[4]. 湯善甫,朱思明.《化工設備機械基礎第二版》.上

129、海：華東理工大學出版社,2003 </p><p>　　[5]. 《化工應用數學》. 合肥：合肥工業(yè)大學教材科 </p><p>　　[6]. 天津大學化工原理教研室，《化工原理下》，天津：天津科學技術出版社，1987 </p><p>　　[7]. 厲玉鳴. 《化工儀表及自動化(第四版)》. 北京：化學工業(yè)出版社,2004 </p><p>

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