化工课程设计---年产15000吨乙醇精馏塔.doc

化工原理化工原理 课程设计说明书课程设计说明书 设计题目: 年产 15000 吨乙醇精馏塔 设计人员： 所在班级： 成绩： 指导老师 日期： 12 年 11 月 目录目录 菏泽学院化工原理课程设计 1 化工原理课程设计任务化工原理课程设计任务书书 4 4 摘摘 要要 6 6 第一章第一章 前前 言言 6 6 1.11.1 精馏原理及其在化工生产上的应用精馏原理及其在化工生产上的应用6 6 1.21.2 精馏塔对塔设备的要求精馏塔对塔设备的要求 7 7 1.31.3 常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔类型及本设计的选型7 7 1.41.4 乙醇的性质和用途乙醇的性质和用途8 8 1.51.5 本设计所选塔的特性本设计所选塔的特性 8 8 第第 2 2 章章 概述概述 9 9 第第 3 3 章章 设计方案的确定设计方案的确定 1010 3.13.1 操作压力操作压力 1 11 1 3.23.2 进料状况进料状况1 11 1 3.33.3 回流比回流比 1111 3.43.4 加热方式加热方式1212 3.53.5 选择塔板类型选择塔板类型1212 3.63.6 热能的利用热能的利用 1212 3.73.7 再沸器、冷凝器等附属设备的安排再沸器、冷凝器等附属设备的安排1313 3.83.8 设计的依据与技术来源设计的依据与技术来源 1313 第四章第四章 流程的确定和说明流程的确定和说明 1313 4.14.1 设计思路设计思路 1313 4.24.2 设计流程设计流程 1414 菏泽学院化工原理课程设计 2 第五章第五章 精馏塔设计物料计算精馏塔设计物料计算 1414 5.15.1 查阅文献，整理有关物性数据查阅文献，整理有关物性数据1515 5.1.15.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 X X1616 5.1.25.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 1717 5.1.35.1.3 易挥发组分的物料衡算易挥发组分的物料衡算 1717 5.2.15.2.1 最小回流比及操作回流比的确定最小回流比及操作回流比的确定 1919 5.2.25.2.2 精馏段和提馏段操作线的确定精馏段和提馏段操作线的确定 2020 5.2.35.2.3 理论及实际塔板数的确定理论及实际塔板数的确定 2020 第六章第六章 塔的结构设计塔的结构设计 2222 6.1.16.1.1 精馏塔塔径的计算精馏塔塔径的计算 2222 6.1.26.1.2 平均摩尔质量的计算平均摩尔质量的计算 2323 6.2.16.2.1 平均密度的计算平均密度的计算 2525 6.3.6.3. 液相平均密度的计算液相平均密度的计算 2626 6.3.16.3.1 液体平均表面张力计算液体平均表面张力计算 2626 6.46.4 液体平均黏度计算液体平均黏度计算 2727 6.56.5 气液相体积流率计算气液相体积流率计算 2828 第七章第七章 精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度的计算 2929 第八章第八章 塔板主要工艺尺寸的计算塔板主要工艺尺寸的计算 3131 8.18.1 溢流装置计算溢流装置计算 3131 8.28.2 降液管降液管 3131 8.2.18.2.1 降液管高度和截面积降液管高度和截面积 3232 8.2.28.2.2 降液管底隙高度降液管底隙高度 3333 菏泽学院化工原理课程设计 3 8.38.3 塔板布置塔板布置 3434 8.3.18.3.1 塔板的分块塔板的分块 3434 8.3.28.3.2 边缘区宽度确定边缘区宽度确定 3434 8.3.38.3.3 开孔区面积计算开孔区面积计算 3434 8.48.4 浮阀塔计算及其排列浮阀塔计算及其排列 3434 8.58.5 校核校核3535 8.68.6 流体力学验算流体力学验算 3535 8.6.18.6.1 气体通过浮阀塔板的压力降气体通过浮阀塔板的压力降 3737 8.6.28.6.2 漏液验算漏液验算 3737 8.78.7 雾沫夹带验算雾沫夹带验算3737 8.7.18.7.1 液体在降液管内的停留时间液体在降液管内的停留时间 3838 8.88.8 操作性能负荷图操作性能负荷图 3939 8.98.9 接管尺寸确定接管尺寸确定 4242 8.9.18.9.1 进料管尺寸进料管尺寸 4242 8.9.28.9.2 釜残液管尺寸釜残液管尺寸 4242 总结总结 4545 致谢致谢 4646 参考文献参考文献 4747 菏泽学院化工原理课程设计 4 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书 1、设计题目：乙醇-水连续精馏塔的设计 二、设计任务及操作条件 （1）进精馏塔的料液含乙醇 45%（质量分数，下同） ，其余为水； （3）塔顶易挥发组分回收率为 99%； （4）生产能力为 15000 吨/年 92%的乙醇产品； （5）每年按 330 天计，每天 24h 连续运行。 （6）操作条件 a）塔顶压强 4KPa(表压） b)进料热状态 自选 c)回流比自选 d)加热蒸汽压力 低压蒸汽 （或自选） e)单板压降 0.7KPa 3、设备形式：筛板塔或浮阀塔 4、设计内容： 1、设计说明书的内容 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）塔板主要工艺尺寸计算： 菏泽学院化工原理课程设计 5 6）塔板的流体力学验算； 7）塔板负荷性能图； 8）精馏塔接管尺寸计算; 9)对设计过程的评述和有关问题的讨论。 2、设计图纸要求： 1）绘制生产工艺流程图； 2）绘制精馏塔设计条件图。 5、设计基础数据: 1.常压下乙醇水体系的 t-x-y 数据； 2.乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。 菏泽学院化工原理课程设计 6 摘摘 要要 本设计是以乙醇水物系为设计物系，以浮阀塔为精馏设备分离乙 醇和水。浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元 物系乙醇水的精馏问题进行分析，选取，计算，核算，绘图等， 是较完整的精馏设计过程。 通过逐板计算得出理论板数为 16 块，回流比为 3.219,算出塔效率为 0.518，实际板数为 32 块，进料位置为第 11 块，在板式塔主要工艺尺 寸的设计计算中得出塔径为 1 米，有效塔高 13.6 米，浮阀数（提馏段 每块 76） 。通过浮阀塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。 本次设计过程正常，操作合适。 关键词：乙醇、水、二元精馏、浮阀连续精馏精馏塔、提馏段 第一章第一章 前言前言 1.11.1 精馏原理及其在化工生产上的应用精馏原理及其在化工生产上的应用 实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述部分气化和部分冷凝 是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液(气相冷却而 成)是沸点低的 B 物质，而残液是沸点高的 A 物质，精馏是多次简单蒸馏 的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔 顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。 菏泽学院化工原理课程设计 7 1.21.2 精馏塔对塔设备的要求精馏塔对塔设备的要求 精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，心为精馏常 用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样， 精馏塔对塔设备的要求大致如下： 一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不 正常流动。 二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板 效率或传质效率。 三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用， 在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持 正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 五：结构简单，造价低，安装检修方便。 六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。 1.31.3 常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔类型及本设计的选型 常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。 而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其 他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。近年来与浮阀塔 菏泽学院化工原理课程设计 8 一直成为化工生中主要的传质设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金 。实际 操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其 操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的 程度。 浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了 两者的优点。所以在此我们使用浮阀塔，浮阀塔的突出优点是结构简单， 造价低，制造方便；塔板开孔率大，生产能力大等。 乙醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中 应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。所以有必要做好本次设 计。 1.41.4 乙醇的性质和用途乙醇的性质和用途 乙醇是在常温、常压下是一种无色、透明、有香味、易挥发的液体， 熔点-117.3，沸点 78.5，凝固点为-114.1密度 0.7893g/cm3,能 与水及大多数有机溶剂以任意比混溶。乙醇易燃,它的爆炸极限为 3.5%18%,闪点 11,使用时须注意安全。工业酒精含乙醇约 95。含乙 醇达 99.5以上的酒精称无水乙醇。含乙醇 95.6,水 4.4的酒精是恒 沸混合液,沸点为 78.15，其中少量的水无法用蒸馏法除去。 乙醇在化工、医药、染料、国防、食品等行业有不可或缺的重要应用。 但是，无水乙醇作为燃料的应用应该是 21 世纪最广泛的应用。工业上可 以将无水乙醇与汽油按比例调和,生产车用乙醇汽油。以发酵法生产的燃 料乙醇具有和矿物质燃料相似的燃料性能,其生产原料是生物质,是一种可 再生能源。此外,乙醇燃料过程所排放的一氧化碳和含硫气体均低于汽油 燃料,所产生的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳基本 持平,这对减少对大气的污染及抑制温室效应意义重大。因此,燃料乙醇也 被称为“清洁燃料” 。 1.51.5 本设计所选塔的特性本设计所选塔的特性 菏泽学院化工原理课程设计 9 浮阀塔的优点是 : 1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔 板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 2. 操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正 常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3. 塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较 长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4. 气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压 降及液面落差比泡罩塔小。 5. 塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。 但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上） ，所以一 般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学 技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀 塔的推广并不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰 富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。 第二章第二章 概述概述 乙醇在工业，医药，民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要 的原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至 菏泽学院化工原理课程设计 10 是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，所以，想得到高纯 度的乙醇很困难。 要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因 为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部 分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂 中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行，塔内装有若干层塔板和充填一 定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上 升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作， 还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器，回流液泵 等附属设备，才能实现整个操作。 浮阀塔与 20 世纪 50 年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有 泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔形，特别是在石油， 化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的是 F1 型和 V-4 型。F1 型浮阀的结构简单，制造方便，节省材料，性能良好，广泛应用 在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1 型浮阀又 分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压 强降很低的系统中，采用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1，生产能力大。 2，操作弹性大。3，塔板效率高。4，气体压强降及液面落差较小。5， 塔的造价低。浮阀塔不宜处理宜结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大 及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。 第三章第三章 设计方案的确定设计方案的确定 菏泽学院化工原理课程设计 11 课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热 方式及其热能的利用。 3.13.1 操作压力操作压力： 精馏可在常压，加压或减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物 料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。 一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常 压先操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或 可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当 提高操作压力还可提高塔的处理能力，但增加塔压，也提高了再沸器的温 度，并且相对挥发度也有所下降。降低操作压力，组分的相对挥发度增大， 有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低温位的加热剂。 但降低压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度降低，且必须使用抽真空 的设备，增加了相应的设备和操作费用。 故我们采用塔顶压力为常压进行操作。 3.23.2 进料状况：进料状况： 进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入 塔中，这样，进料温度就不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔 的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同， 设计制造均比较方便。但泡点进料需预热，热耗很大。 在此次设计中，我们选用 30C 冷夜进料。 3.33.3 加热方式：加热方式： 菏泽学院化工原理课程设计 12 精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量，若 待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式， 即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样操作费用和设备费用均可降低。但 在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分 浓度降低，所需塔板数略有增加。 综合考虑，我们采用间接蒸汽加热的方式。 3.43.4 回流比：回流比： 适宜的回流比应该通过经济合算来确定，即操作费用和设备折旧费用之和 为最低时的回流比为最适宜的回流比。我们确定回流比的方法为：先求出 最小回流比 R，根据经验取操作回流比为最小回流比的 1.12.0 倍，即： min R（1.12.0）Rmin 回流方式采用泡点回流，易于控制。 3.53.5 选择塔板类型：选择塔板类型： 选用 F1 浮阀塔板（重阀） 。F1 浮阀的结构简单，制造方便，节省材 料，性能良好，且重阀采用厚度 2mm 的薄板冲制，每阀质量约为 33g。 浮阀塔具有的优点：生产能力大，操作弹性大，塔板效率高，气体压强 以及液面落差较小。 3.63.6 热能的利用热能的利用 蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常 进入再沸器的能量仅有 5%左右被有效利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大 量的，但其能位较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源， 菏泽学院化工原理课程设计 13 供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。此外，通 过蒸馏系统的合理设置，也可取得节能的效果。例如，可采用设置中间再 沸器和中间冷凝器的流程。 3.73.7 再沸器、冷凝器等附属设备的安排再沸器、冷凝器等附属设备的安排 本设计精馏过程采用蒸汽间接加热，在釜底设再沸器。塔顶设冷凝冷 却器，将塔顶蒸气完全冷凝后再冷却到 78左右回流入塔。塔顶通过回流 比控制器分流，馏出产品进入贮罐。 3.83.8 设计的依据与技术来源设计的依据与技术来源 本设计依据于精馏的原理（即利用液体混合物中各组分挥发度的不同 并借助于多次部分汽化和部分冷凝使轻重组分分离） ，并在满足工艺和操 作的要求，满足经济上的要求，保证生产安全的基础上， 对设计任务进 行分析并做出理论计算。 目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，此 次设计采用精确计算与软件验算相结合的方法。 第四章第四章 流程的确定和说明流程的确定和说明 4.14.1 设计思路设计思路 首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的 时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温 度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混 合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分 开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。 气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到 菏泽学院化工原理课程设计 14 泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间 然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个 过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却 器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到 精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有 新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。 4.24.2 设计流程设计流程 乙醇水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物 q=1 送 入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余 经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底 产品冷却后,送入贮罐(流程图见手画)。 第五章第五章 精馏塔设计物料计算精馏塔设计物料计算 进精馏塔的料液含乙醇 45%（质量分数，下同） ，其余为水，塔顶易挥 发组分回收率为 99%，生产能力为 15000 吨/年 92%的乙醇产品，每年按 330 天计，每天 24h 连续运行。 ） 操作条件 a）塔顶压强 4KPa(表压） b)进料热状态 自选 c)回流比自选 菏泽学院化工原理课程设计 15 d)加热蒸汽压力 低压蒸汽 （或自选） e)单板压降 0.7KPa 5.15.1 查阅文献，整理有关物性数据查阅文献，整理有关物性数据 水和乙醇的物理性质水和乙醇的物理性质 名称分子式 相对 分子 质量 密度 20 3 /kg m 沸 点 101.33kP a 比热容 (20) Kg/(kg .) 黏度 (20 ) mPa. s 导热 系数 (20 ) /(m. ) 表面 张力 (20 ) N/m 水 2 H O 18.0 2 9981004.183 1.00 5 0.59972.8 乙 醇 25 C H OH 46.0 7 78978.32.391.150.17222.8 常压下乙醇和水的气液平衡数据常压下乙醇和水的气液平衡数据 常压下乙醇水系统 txy 数据如表 31 所示。 表 31 乙醇水系统 txy 数据 乙醇摩尔数/%乙醇摩尔数/%沸点 t/ 气相液相 沸点 t/ 气相液相 99.90.0040.0538227.356.44 99.80.040.5181.333.2458.78 99.70.050.7780.642.0962.22 菏泽学院化工原理课程设计 16 99.50.121.5780.148.9264.70 99.20.232.9079.8552.6866.28 99.00.313.72579.561.0270.29 98.750.394.5179.265.6472.71 97.650.798.7678.9568.9274.69 95.81.6116.3478.7572.3676.93 91.34.1629.9278.675.9979.26 87.97.4139.1678.479.8281.83 85.212.6447.4978.2783.8784.91 83.7517.4151.6778.285.9786.40 82.325.7555.7478.1589.4189.41 （3 3）精馏塔全塔物料恒算）精馏塔全塔物料恒算 ：原料液流量（） ：原料组成（摩尔分数）q Fn, /kmol h F x ：塔顶产品流量（） ：塔顶组成（摩尔分数） q Dn, /kmol h D x ：塔底残液流量（） ：塔底组成（摩尔分数） Wn, q/kmol h W x 5.1.15.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 X X 乙醇 MA = 46.07kmolkg 水 MB = 18.02 kmolkg 进料液中轻组分(乙醇)质量分数为 45的摩尔分率 243. 0 18/55 . 0 46/45 . 0 46/45. 0 x F 菏泽学院化工原理课程设计 17 塔顶轻组分(乙醇)质量分数为 92的摩尔分率 833 . 0 18/08. 046/92 . 0 46/92 . 0 x D 塔底轻组分(乙醇)质量分数为 5的摩尔分率由 (后计算得出)003 . 0 xw 5.1.25.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 = MF 804.2418243. 0146243 . 0 ）（kmolkg 324.4118833. 0146833 . 0 M ）（ D kmolkg = Mw 084.1818003 . 0 146003. 0）（kmolkg 塔顶产出量 356.76 )18757 . 0 46243 . 0 (24330 1015000 3 , q Dn hKmol hKmol x x F DDn Fn 496.264%100 %99243 . 0 833. 0356.76 %100 q , , q 356.76496.264 , q Wn 5.1.35.1.3 易挥发组分的物料衡算易挥发组分的物料衡算 W Wn D Dn F Fn xx qqq , x 003 . 0 140.188 833. 0356.76243. 0496.264 , , wn DDnFFn w q xqxq x 菏泽学院化工原理课程设计 18 联立解得 496.246 , q Fn hKmol243 . 0 F x 356.76 , q Dn hKmol833. 0 D x 140.188q , Wn hKmol003 . 0 w x 表表 1 1 物料衡算数据记录物料衡算数据记录 由图查出组成的乙醇-水溶液泡点为 83.25C，在平均温度为243. 0 F x （83.25+30）/2=56.63 下，由化工原理 （第三版，王志魁）附录查得 乙醇与水的有关物性为： 乙醇的摩尔热容：3.02 46138.92/() mA CkJkmolK 乙醇的摩尔汽化潜热：914.2 4642053.2/() A rkJkomlK q Fn, 246.50kmol/h F X 0.243 q Dn,76.356kmol/h D X 0.833 Wn, q 188.14kmol/h W X 0.003 菏泽学院化工原理课程设计 19 水的摩尔热容： 56.6356 18 4.178(4.1834.178) 6050 75.26/() mB C kJkomlK 水的摩尔汽化潜热：2392.86 1843071.48/ B rkJ kmol 比较水与乙醇的摩尔汽化潜热可知，系统满足衡摩尔流的假定。加料液的 平均摩尔热容： )(73.90)243 . 0 1 (26.75243. 092.138 mp kkmolkJXCCC BmBmA 加料液的平均汽化热： KmolKJXrXrr BBAA 04.42824)243 . 0 1 (48.43071243 . 0 2 . 42053 1 . 1)3025.83( 04.42824 73.90 1)(1qtT r Cmp 5.2.15.2.1 最小回流比及操作回流比的确定最小回流比及操作回流比的确定 菏泽学院化工原理课程设计 20 （1）q 线方程： 做出下图，43 . 2 11 11 . 1 243 . 0 11 . 1 1 . 1 11 qq F qq xx q x x q q y 得 q 线与平衡线的交点（0.241，0.553） ，即，241 . 0 e x553 . 0 y e 由，得478 . 0 241 . 0 -833 . 0 553. 0-833 . 0 1 min min R R 012 . 2 min R （2）过点（0833，0.833）做平衡线的切线，交 Y 轴于点（0，0.43） 由，得682 . 0 1 min min R R 012 . 2 min R 取较大的回流比，故012. 2 min R 根据，取 R=3.219 minmin (1.2 2)RR 菏泽学院化工原理课程设计 21 5.2.25.2.2 精馏段和提馏段操作线的确定精馏段和提馏段操作线的确定 精馏段液相流量：hkmolRqq nDnL 790.245356.76219 . 3 精馏段汽相流量：146.322356.76) 1219. 3(1 , DnnV qRqhkmol 精馏段操作线方程：833. 0 146.322 356.76 146.322 790.245 , , , , 1 nD Vn Dn n vn Ln n xx q q x q q y 提馏段液相流量：286.510496.2641 . 1790.245 ., FnLnLn qqqqhkmol 提馏段汽相流量：143.322140.188286.510 , WnLnVn qqqhkmol 提馏段操作线方程： 0115 . 0 584 . 1 143.322 243 . 0 496.246833 . 0 356.76 143.322 286.510 , , , , 1 n n Vn DFnDDn n Vn Ln n x x q xqxq x q q y 5.2.35.2.3 理论及实际塔板数的确定理论及实际塔板数的确定 A 用图解法求解理论板数 在 y-x 图上分别画出提馏段方程和精馏段方程，利用图解法可以求出 理论塔板数为 16 块（含塔釜） 。 其中第 13 理论板为进料板。见下图 B 用奥康奈尔法对全塔效率进行估算： （1）由相平衡方程式，可得 1 (1) x y x (1) (1) y x x y 根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得： 833 . 0 1 D xy 1 0.7427()x 塔顶第一块板 y0.5303 F 0.2069() F x 加料板 菏泽学院化工原理课程设计 22 0.0028 W x0.0251() W y塔釜 因此可以求得： 11 1 11 (1)0.7790 (0.7427 1) 1.2212 (1)0.7427 (0.7790 1) y x x y (1)0.5303 (0.2069 1) 4.3278 (1)0.2069 (0.5303 1) FF F FF yx xy (1)0.0251 (0.0028 1) 9.1693 (1)0.0028 (0.0251 1) WW W WW yx xy 平均相对挥发度的求取： 3 3 1 1.2212 4.3278 9.16933.6458 FW (2)根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得： 塔顶： ，0.7790 D x 78.31 D tC 菏泽学院化工原理课程设计 23 塔釜： , 0.0028 W x99.23 W tC 塔顶和塔釜的算术平均温度： 78.31 99.23 88.77 22 WD tt tC 由化工原理 （第三版，化学工业出版社，王志魁）书中附表 12 查得： 在 88.77C 下， ， 0.410mPa s 乙醇 0.315mPa s 水 根据公式 得lglg Lmii x 0.2069 lg0.410 (1 0.2069) lg0.315 100.3327 Lm mPa s （1）由奥康奈尔关联式： 0.2450.245 0.49()0.49 (3.6458 0.3327)46.74% TL E C 求解实际塔板数 取 N=33 116 1 32.12 46.74% T T N N E 第六章塔的结构设计第六章塔的结构设计 6.1.16.1.1 精馏塔塔径的计算精馏塔塔径的计算 A. 查得有关乙醇与水的安托因方程： 乙醇： 1652.05 lg(/)7.33827 ( /)( /)231.48 s B PkPaA T KCT K 得: 1652.05 7.33827 0(/) 231.48 10 T K A P 水： 1657.46 lg(/)7.07406 ( /)( /)227.03 s B PkPaA T KCT K 得： 1657.46 7.07406 0(/) 227.03 10 T K B P 将代入 进行试差，求塔顶、进料板、及塔釜的压力和 00 , AB PP 00 AABB P xP xP 温度： 1) 塔顶：， 试差得kpa 3 . 105 1 P8027 . 0 1 xxACt41.82 1 2) 进料板位置：13 F N 菏泽学院化工原理课程设计 24 精馏段实际板层数：2881.27 %74.46 13 精 N 每层塔板压降：0.7PkPa 进料板压力：kpaPF 9 . 124287 . 0 3 . 105 进料板：，试差得kpaPF 8 . 115243 . 0 FA xxCtF32.94 3) 提馏段实际板层数：N 提 （3-1）/ 46. 81% =4. 275 塔釜压力： 3 . 11957 . 08 .115 W P 塔釜：， 试差得003 . 0 WA xxCtW 3 . 101 求得精馏段及提馏段的平均压力及温度： 精馏段：C tt t F m 18.88 2 32.9441.82 2 1 kpaPm55.111 2 8 . 1153 .105 提馏段：C tt t WF m 18.88 2 3 . 10132.94 2 kpa pp P FW m 3 . 120 2 8 . 115128 2 6.1.26.1.2 平均摩尔质量的计算平均摩尔质量的计算： 塔顶：324.4118167. 046883. 0 , DV Mkmolkg 6556.40182073 . 0 468027 . 0 , DL Mkmolkg 进料板：0484.30185697 . 0 464303 . 0 VF Mkmolkg 804.241875754 . 0 46243 . 0 LF Mkmolkg 塔釜：0784.18189972. 046003 . 0 , WV Mkmolkg 084.1818997 . 0 46003. 0 , WL Mkmolkg 精馏段平均摩尔质量：6862.35 2 0484.30324.41 2 , DVFV V MM Mkmolkg 菏泽学院化工原理课程设计 25 7298.32 2 6556.40804.24 2 , DLFL L MM Mkmolkg 提馏段平均摩尔质量：0634.24 2 0784.180484.30 2 , WVFV V MM M kmolkg 23.79 18.08 20.94/ 22 LFmLwm Lm MM Mkg kmol 444.21 2 084.18804.24 2 , WLFL L MM Mkmolkg 表表 2 2 平均摩尔质量的计算平均摩尔质量的计算 VDm M324.41kmolkg vm M6862.35kmolkg 塔顶 LDm M6556.40kmolkg 精馏 段平 均摩 尔质 量 Lm M7298.32kmolkg VFm M0484.30kmolkg Vm M0634.24kmolkg 进料板 LFm M804.24kmolkg 提馏 段平 均摩 尔质 量 Lm M444.21kmolkg Vwm M0784.18kmolkg 塔釜 Lwm M084.18kmolkg 6.2.16.2.1 平均密度的计算平均密度的计算： 1) 汽相平均密度计算： Vm PM RT 精馏段汽相平均密度：305. 1 )54.9015.273(314 . 8 6862.3555.110 2 Vmm vm Mp 3 mkg 提馏段汽相平均密度：91 . 0 )435.10115.273(314 . 8 0634.24 9 . 117 RT Mp Vmm vm 3 mkg 菏泽学院化工原理课程设计 26 2) 液相平均密度计算： 1 i Li w 塔顶：， 3 743.16/ A kg m74.987 B 3 mkg 9123 . 0 18833 . 0 146833 . 0 46833 . 0 1 BAAA AA A MxMx Mx w 得：66.759 74.987 0877. 0 16.743 9123 . 0 11 m, B B A A LD ww 3 mkg 进料板：，,26.725 A 3 mkg08.976 B 3 mkg 4495. 0 18243 . 0 146243 . 0 46243 . 0 1 BAAA AA A MxMx Mx w 得：23.843 08.976 5505 . 0 26.725 4495 . 0 11 m, B B A A LF ww 3 mkg 塔釜：， 3 710/ A kg m98.975 B 3 mkg 0.0028 46 0.0071 (1)0.0028 460.9972 18 AA A AAAB x M w x MxM 0076. 0 18003 . 0 146003 . 0 46003 . 0 1 BAAA AA A MxMx Mx w 得：24.972 98.975 9924 . 0 710 0076 . 0 11 m, B B A A LW ww 3 mkg 精馏段液相平均密度：45.801 2 23.84366.759 m L 3 mkg 提馏段液相平均密度：73.907 2 23.84324.972 m L 3 mkg A 3 743.16/ A kg m A 3 710/kg m B 74.987 B B 98.975 菏泽学院化工原理课程设计 27 表表 3 3 6.3.6.3. 液相平均密度的计算液相平均密度的计算 6.3.16.3.1 液体平均表面张力计算液体平均表面张力计算 液体平均表面张力按下式计算： Lmii x 塔顶：，由化工原理 （第三版，化学工业出版社，王志Ct41.82 1 魁）附录二十，52.17 A mmN23.62 B mmN 得： 99.2423.62833. 0152.17833 . 0 1 11 BALDm xx mmN 进料板：，查手册：，CtF32.9441.16 A mmN87.59 B mmN 得：16.4987.59243 . 0 141.16243. 01 BFAFLFm xxmmN 塔釜：，查附录：，CtW32.10134.15 A mmN01.59 B mmN 得：00.5701.59003. 0134.15003 . 0 1 BWAWLWm xxmmN 3 mkg 3 mkg A w 9123 . 0 A w 0076 . 0 LDm 66.759 3 mkg mLW 24.972 A 26.726 3 mkg B 08.976 3 mkg 精馏段 液相平 均密度 Lm 45.801 3 mkg A w4495 . 0 3 mkg 进料 板 LDm 23.843 3 mkg 提馏段 液相平 均密度 Lm 73.907 3 mkg 菏泽学院化工原理课程设计 28 精馏段液体表面平均张力：68.37 2 99.2416.49 2 m LFmLDm L mmN 提馏段液体表面平均张力：08.53 2 00.5716.49 2 m LFmLWm L mmN 表表 4 4 液体平均表面张力计算液体平均表面张力计算 6.46.4 液体平均黏度计算液体平均黏度计算： 液体平均黏度按下式计算：lglg Lmii x 塔顶：，查由化工原理 （第三版，化学工业出版社，王志魁）Ct41.82 1 附录十二，sPa A 401. 0sPa B 34 . 0 smPa519 . 0 37 . 0 828 . 0 155. 0828 . 0 DL ）（ ， 得： smPa ii x LDm 396 . 0 1010 35 . 0 lg833 . 0 1401 . 0 lg833 . 0 lg 进料板：，查附录：，CtF32.94sPa A 36. 0sPa B 32. 0 1 t C41.82w t C32.101 A 52.17mmN A 34.15mmN B 23.62mmN B 01.59mmN 塔顶 LDm 99.24mmN 塔釜 Lwm 00.57mmN F t C32.94 A 41.16mmN 精馏段液 体表面平 均张力 Lm 68.37mmN B 87.59mmN 进料板 LFm 16.49mmN 提馏段液 体表面平 均张力 Lm 08.53mmN 菏泽学院化工原理课程设计 29 得： smPa ii x LFm 313. 01010 32 . 0 lg243 . 0 136. 0lg243 . 0 lg 塔釜：，查附录：，CtW32.101sPa A 32. 0sPa B 29. 0 得： smPa ii x LWm 290. 01010 29 . 0 lg003 . 0 132 . 0 lg003 . 0 lg 精馏段液体平均黏度：sPa Lm 3545 . 0 2 396 . 0 313 . 0 提馏段液体平均黏度：sPa Lm 3015 . 0 2 290 . 0 313 . 0 表表 5 5 液体平均黏度计算液体平均黏度计算 6.56.5 气液相体积流率计算：气液相体积流率计算： 精馏段汽相体积流率：45 . 2 305 . 1 3600 146.3326862.35 3600 , , Vm Vmvn vn Mq q sm3 液相体积流率： 3, , 1079 . 2 45.8013600 790.2457298.32 3600 lm Vmln vn Mq q sm3 提馏段汽相体积流率：37 . 2 91 . 0 3600 146.3320634.24 3600 , , Vm Vmvn vn Mq q sm3 1 t C41.82w t C32.101 A sPa401 . 0 A sPa32 . 0 B sPa34. 0B sPa32 . 0 塔顶 LDm smPa396 . 0 塔釜 Lwm smPa290 . 0 F t C32.94 A sPa36. 0 精馏段液 体平均黏 度 Lm sPa3545. 0 B sPa29. 0 进料板 LFm smPa313 . 0 提馏段液 体平均黏 度 Lm sPa3015. 0 菏泽学院化工原理课程设计 30 液相体积流率： 3, , 1035. 3 73.9073600 286.510444.21 3600 Lm LmLn Ln Mq q sm3 表表 6 6 气液相体积流率计算气液相体积流率计算 vn q , 45 . 2 sm3 vn q , 37 . 2 sm3 ln q , 3 1079. 2 sm3 Ln q , 3 1035 . 3 sm3 A. 塔径的确定 塔