化工原理课程设计--分离乙醇-水混合物.doc

化工原理课程设计目录一、概述41.设计依据.42.技术来源.53.设计任务及要求.5二、计算过程51.塔型选择.52.有关工艺的计算.63.操作压力的确定64.塔顶产品、釜残液量的计算75.回流比的确定76.理论与实际塔板数的确定77.对精馏塔主体数据的计算.9（1）操作压力的计算8（2）对于精馏段计算9（3）对于提留段其与精馏段有相同的计算方法得到提馏段的负荷.10（4）精馏塔有效高度的计算.,10（5）精馏塔塔径的计算.118.塔板结构尺寸计算.12（1）精馏段塔板尺寸计算12（2）提馏段塔板尺寸计算13（3）塔板布置计算149.计算塔板负荷性能与塔板负荷性能图.15（1）精馏段塔板负荷性能的计算15（2）提馏段塔板负荷性能的计算17（3）操作性能负荷图1910.筛板的流体力学验算20（1）精馏段：塔板压降计算20（2）提馏段：塔板压降计算21（3）液面落差22（4）液沫夹带（精馏段与提馏段计算）22（5）漏夜验算（精馏段与提馏段验算）22（6）液泛23三、塔结构设计.241.塔体结构.24（1）塔顶空间24（2）塔底空间24（3）入孔24（4）塔高242.塔板结构.25四、塔附件设计.251.各接管尺寸的确定.25（1）进料管25（2）釜残液出料管25（3）回流液管26（4）塔顶上升蒸汽管26（5）水蒸气进管口26五筛板塔的工艺设计计算结果.27六、参考文献.29一 、概述乙醇-水是一种重要的工业原料 ,广泛应用于化工、食品饮料工业、军工、日用化工和医药卫生等领域。将无水乙醇与汽油混合 (俗称汽油醇 )可作为内燃机的燃料 ,随着世界石油资源的减少 ,作为生物燃料的无水乙醇可能在今后的动力燃料中占一席之地。精馏是分离均相液体混合物的。乙醇-水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色，无毒，污染性和腐蚀性小的液体混合物，长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是乙醇-水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。在日常生活与生产中用的多为乙醇-水溶液。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，所以我们必须要熟悉单元操作设备的设计流程与注意事项。1.设计依据： 根据设计任务书的要求以及教科书的设计实例进行分析，做出理论计算。本设计任务为分离乙醇-水混合物。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后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。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1.3倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 2.技术来源 精馏塔设计方法以严格的计算为主，也有一些简化的模型，但是严格的计算法对于连续精馏塔是最长采用的。3.设计任务及要求原料：乙醇水溶液，处理量4000 乙醇含量： 20%，r/rmin=1.3 设计要求：泡点进料； 总板效率为0.6塔顶的乙醇含量不小于86%（摩尔分率）塔低的乙醇含量不大于2%（摩尔分率）二 、计算过程1.塔型选择根据生产任务，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中的压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用筛板塔。2.有关工艺的计算精馏塔全塔物料衡算f：原料液的流量 （） f：原料组成（摩尔分数，下同） 0.2d：塔顶产品流量（） d：塔顶组成 0.86w：塔底残液流量（） w：塔底组成 0.02原料液的平均摩尔质量:进料量: 物料衡算式： ， 联立代入求解： ，常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系-表1温度/液相/x气相/y温度/x液相/y气相/x温度/y液相/x气相/y1000082.70.23370.544579.30.57320.684195.50.01900.170082.30.26030.558078.740.67630.768589.00.07210.389181.50.32730.592678.410.74720.781586.70.09660.437580.70.39650.612278.150.89430.894385.30.12380.470479.80.50790.656484.10.16610.508979.70.51980.65993.操作压力的确定操作压力选用常压：其塔顶的压力为1.01325pa，其塔低的压力为4.塔顶产品、釜残液量的计算物料衡算式： ， d=36.32 w=133.175.回流比的确定进料量: 物料衡算式： ， 联立代入求解： ，过点a（0.86，0.86）做平衡线的切线，如图。读出切点坐标为 可取操作回流比：r/rmin=1.3 6.理论与实际塔板数的确定由精馏段操作线方程：由提馏段操作线方程：由相平衡方程式可得：根据上表可知乙醇-水的相平衡数据： （塔顶第一块板） （加料版） （塔釜）根据上面数据可得： 精馏段平均相对挥发度：提馏段平均相对挥发度：由此利用逐板求解可得：表-2 块（含塔釜） 其中进料板在第10块理论版实际塔板数：块（含塔釜）精馏段的塔板数为：块 提馏段的塔板数为：块7.对精馏塔主体数据的计算：（1）操作压力的计算：塔顶压力： 每层压降进料板的压力：塔低压力：精馏段的平均压力：提馏段的平均压力：（2）对于精馏段计算气相密度公式为：混合液相密度公式为：液相平均温度：精馏段已知数据-表3位置进料板塔顶（第一块板）83.278.28液相密度摩尔分数 精馏段的气相负荷：液相负荷：所以平均密度为：精馏段的气液相负荷-表4名称液相气相869.2451.41232.89537.393.13（0.000869）3154.6（0.8763）（3）对于提留段其与精馏段有相同的计算方法得到提馏段的负荷。提馏段的已知数据-表5位置塔釜进料板94.6983.2液相密度摩尔分数 精馏段的气液相负荷-表6名称液相气相944.881.12321.0827.85.63（0.001564）2949.1（0.8192）（4）精馏塔有效高度的计算：板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，取塔板间距，板上层液高度。分离空间：所以有效高度为：（5）精馏塔塔径的计算汽塔的平均液相流量：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的汽相平均密度：汽塔的液相平均密度：塔径的公式为：由于适宜的空塔气速，所以应计算出最大允许气速。由于板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，取塔板间距，板上层液高度。分离空间：功能参数：从史密斯关联图查的：,由于,所以要先求出平均面张力，可以用计算。查表可知：乙醇液面的表面张力-表7位置塔顶第一块板进料板塔釜摩尔分数x0.86390.20.02温度78.2883.294.69表面张力乙醇17.7916.8515.73水62.9261.7560.42溶液23.9352.7759.53在精馏塔段的乙醇-水溶液的表面张力计算： 在提留塔段的乙醇-水溶液的表面张力计算：所以： 所以： 根据塔径系列的尺寸圆整为d=1000mm;其面积为：此时精馏段的上升蒸汽的速度为： 由此我们可以计算出提馏段的直径：d=0.821m为了方便制造可以取塔板直径：d=1000mm此时提留段的上升蒸汽的速度为：8.塔板结构尺寸计算（1）精馏段塔板尺寸计算 由于塔径d=1000mm，所以采用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。 堰长取堰长 采用平直堰高，堰高;取液流收缩系数e=1取 。用式 验算复合。 弓形降液管高度及降液管面积：由于 查表可知 。 验算液体在降液管中的停留时间： 降液管低隙高度 取经验值（2）提馏段塔板尺寸计算 堰长取堰长 采用平直堰高，堰高;取液流收缩系数e=1取 。用式 验算复合。 弓形降液管高度及降液管面积：由于 查表可知 。 验算液体在降液管中的停留时间： 降液管低隙高度取经验值（3）塔板布置计算 边缘区宽度确定： 开孔区面积的计算公式： 筛孔计算及其排列本系统无腐蚀，可选用碳钢管，取筛孔直径。筛孔按正三角排列，取孔中心距筛孔数目为开孔率为精馏段气体通过筛孔的气速为： 提馏段气体通过筛孔的气速为： 9.计算塔板负荷性能与塔板负荷性能图（1）精馏段的计算 漏液线整理可得： 液沫夹带线以，求关系：由所以： 整理可得： 液体负荷上限线以作为液体在降液管内停留时间的下限，由 液体负荷下限线取上层液高 所以可得： 液泛线液泛线方程为： 其中 将上述有关数据代入式子中可得： 带入液泛方程式中可得：（2）提馏段的计算 漏液线整理可得： 液沫夹带线以，求关系：由所以： 整理可得： 液体负荷上限线以作为液体在降液管内停留时间的下限，由 液体负荷下限线取上层液高 所以可得： 液泛线液泛线方程为： 其中 将上述有关数据代入式子中可得： 带入液泛方程式中可得： （3）操作性能负荷图由以上各数据画出精馏段筛板的负荷性能图，如图，b直线为提馏段操作线，（1）为漏液线，（2）为泡沫夹带线，（3）液相负荷下限线，（4）为液相负荷上限线，（5）为液泛线。由图可以看出，该筛板的操作线上限为液相负荷上限线，下限为漏液线。从图中可以看出：， 故操作弹性:由以上各数据画出提馏段筛板的负荷性能图，如图，b直线为提馏段操作线，（1）为漏液线，（2）为泡沫夹带线，（3）液相负荷下限线，（4）为液相负荷上限线，（5）为液泛线。由图可以看出，该筛板的操作线上限为液相负荷上限线，下限为漏液线。从图中可以看出：，故操作弹性为：10.筛板的流体力学验算（1）精馏段：塔板压降计算干板阻力计算干板阻力由，查干筛孔的流量系数图，得故气体通过液层的阻力计算查充气系数关联图得：。则液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力：气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算： 气体通过每层塔板的压降为（2）提馏段：塔板压降计算干板阻力计算干板阻力由，查干筛孔的流量系数图，得故气体通过液层的阻力计算查充气系数关联图得：。则液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力：气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算： 气体通过每层塔板的压降为（3）液面落差对于筛板塔，液面落差很小，故可忽略液面落差的影响。（4）液沫夹带（精馏段与提馏段计算）精馏段液沫夹带量公式：， 故故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。提馏段液沫夹带量公式：， 故故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。 （5）漏夜验算（精馏段与提馏段验算） 对筛板塔，漏液点气速 精馏段：，则 实际孔速稳定系数为提馏段：实际孔速： 稳定系数为故在本设计中无明显漏液。（6）液泛 精馏段为防止塔内发生液泛，降液管内液层应服 乙醇-水物系属易发泡物系，取则 而 板上不设进口堰，则 故在本设计中不会发生液泛现象。提馏段为防止塔内发生液泛，降液管内液层应服 乙醇-水物系属易发泡物系，取则 而 板上不设进口堰，则 故在本设计中不会发生液泛现象。三、塔结构设计1.塔体结构（1）塔顶空间塔顶空间指塔内最上层踏板与塔顶间的距离，为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应该大于板间距，设计中常取塔顶间距为 。本设计取塔顶空间高度（2）塔底空间 塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。塔底液面至最下层塔板之间要留有12m的间距。本设计去塔底空间高度（3）入孔 已知实际塔板数为n=22块，板间距，由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块塔板设计一人孔，则人孔的数目为3个，精馏段2个，提留段一个。取人孔两板之间的间距（4）塔高 塔的高度可以由下式计算: 人孔两板之间的间距，塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么全塔高度：2.塔板结构塔板按结构特点，可分为整块式和分块式两类塔板。因为d=1000mm，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为3块四、塔附件设计1.各接管尺寸的确定（1）进料管进料体积流量取适宜的输送速度。故经圆整选取热轧无缝钢管（gb8163-87），规格：实际管内流速：（2）釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度 ，则经圆整选取热轧无缝钢管（gb8163-87），规格：实际管内流速：（3）回流液管回流液体积流量 利用液体的重量进行回流，取适宜的回流速度 ，那么经圆整选取热轧无缝钢管（gb8163-87），规格：实际管内流速：（4）塔顶上升蒸汽管塔内气体可以用公式 计算，塔顶气体密度塔顶上升蒸汽的体积流量 取适宜的速度 ，那么 经圆整选取热轧无缝钢管（gb8163-87），规格：管内实际流速 （5）水蒸气进管口进塔气体为水蒸气，密度 通入塔德水蒸气体积流量 取适宜速度 ，那么经圆整选取热轧无缝钢管（gb8163-87），规格管内实际流速五筛板塔的工艺设计计算结果有关该筛板塔的工艺设计计算结果汇总于表7表7筛板塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注全塔的平均压力，kpa109.0全塔的平均温度，85.39板间距,m0.4塔径d，m1.0塔板形式单溢流弓形降液管分块式板塔空塔气速精馏段1.116提馏段1.04溢流堰长度0.6溢流堰高度精馏段0.051提馏段0.047板上层液高度0.06降液管底隙高度精馏段0.02提馏段0.025筛板空数n个2828等腰三角形叉排筛孔气速精馏段15.75提馏段14.72开孔率，%10.1边缘区宽度0.035筛孔直径d，