课程设计--乙醇-水分离过程板式精馏塔设计.doc

武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 0 课 程 设 计 说 明 书 武 汉 工 程 大 学 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 1 化工与制药学院 课程设计说明书 课题名称 乙醇-水分离过程板式精馏塔设计 专业班级 工业催化与煤化工 01 学生学号 1001100306 学生姓名 侯昆 学生成绩 指导教师 蔡 宁 课题工作时间 2013 年 6 月 18 日7 月 5 日 武汉工程大学化工与制药学院 武汉工程大学武汉工程大学 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 2 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书 专业专业 工业催化与煤化工 班级班级 工催 01 学生姓名学生姓名 侯昆 发题时间：发题时间： 2013 年年 6 月月 17 日日 一、课题名称一、课题名称 乙醇-水分离过程板式精馏塔设计 二、课题条件二、课题条件 参考文献参考文献 1.大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工 大学出版社，1994 2.柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术 出版社，1995 3.贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津：天津大学出版社,2002 4.王国胜. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，2005 5.匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计. 北京:化学工业出版社, 2002 6.上海医药设计院. 化工工艺设计手册(上、下). 化学工业出版社， 1986 7.阮奇,叶长 ,黄诗煌. 化工原理优化设计与解题指南. 北京:化学工业 出版社,2001.9 8.化工设备技术全书编辑委员会. 化工设备全书塔设备设计. 上海： 上海科学技术出版社，1988 9.邹兰，阎传智. 化工工艺工程设计. 成都：成都科技大学出版社,1998 10. 李功祥，陈兰英，崔英德. 常用化工单元设备设计. 广州：华南理工 大学出版社,2003 11. 童景山, 李敬. 流体热物理性质的计算. 北京：清华大学出版社， 1982 12. 马沛生. 化工数据. 北京：中国石化出版社，2003 13. 靳士兰, 邢凤兰. 化工制图. 北京：国防工业出版社，2006 14. 朱有庭,曲文海，于浦义.化工设备设计手册（上、下册). 北京：化学 工业出版社,2004 15. 刘雪暖, 汤景凝.化工原理课程设计. 北京：石油大学出版社，2001 三、设计任务三、设计任务 (含实验、分析、计算、绘图、论述等内容含实验、分析、计算、绘图、论述等内容) 1 全塔物料衡算。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 3 2 操作回流比和理论塔板数的确定。 3 计算精馏段、提馏段的塔板效率，确定实际塔板数。 4 估算塔径。 5 板式塔的工艺尺寸计算，包括溢流装置与塔板的设计计算。 6 塔板的流体力学性能校核，包括板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液 及液泛的校核。 7 绘制塔板的负荷性能图。塔板的负荷性能图由液相负荷下限线、液相负 荷上限线、漏液线、液沫夹带线和溢流液泛线确定。 8 塔的结构确定，包括塔体结构与塔板结构。 塔体结构：塔顶空间，塔底空间，人孔（手孔） ，支座，封头，塔高等。 塔板结构：采用分块式塔板还是整块式塔板。 9 塔的附属设备选型，包括塔顶冷凝器，原料预热器的换热面积与泵的选 型（视情况而定） 。 10 精馏塔各接管尺寸的确定。 11 绘制精馏塔系统工艺流程图。 12 绘制精馏塔装配图。 13 编写设计说明书。 14 计算机要求：CAD 绘图等。 15 英语要求：撰写英文摘要。 16 设计说明书要求：逻辑清楚，层次分明，书写工整，独立完成。 四、设计所需技术参数四、设计所需技术参数 1. 设计条件设计条件 在一常压操作的连续板式精馏塔(自选塔板类型)内分离乙醇-水混合物，间接 蒸汽加热。生产能力和产品的质量要求见下表。 处理量/wt.a-1 料液组成 (质量分数)/% 塔顶产品 (质量分数)/% 塔顶产品收率 4.550920.99 操作条件：塔顶压力：4kPa(表压)； 进料热状态：自选； 回流比： 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 4 自选； 单板压降 0.7kPa。 工作日：每年 300 天，每天 24 小时。 2. 设计所需基础数据设计所需基础数据 物性数据：液相粘度、液相表面张力、汽液相密度、气体热容、汽化潜热 等。 相平衡数据：常压下乙醇-水二元物系的气液相平衡数据。 五、设计说明书内容五、设计说明书内容 1 设计任务书 2 目录(标出页码) 3 前言 4 设计方案论证 5 按设计任务顺序说明 6 设计结果汇总 7 结语包括设计体会、收获、评述、建议、致谢等 8 参考文献 六、进度计划六、进度计划 1 设计动员，下达设计任务书 0.5 天 2 搜集资料，阅读教材，拟订设计进度 0.5 天 3 设计计算 (包括电算) 4 天 4 绘图 2 天 5 整理设计资料，撰写设计说明书 2 天 6 设计小结及答辩 1 天 指导教师签名：指导教师签名： 蔡宁 教研室主任签名：教研室主任签名： 徐志高 2013 年年 6 月月 17 日日 2013 年年 6 月月 17 日日 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 5 摘要摘要 精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应 用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部 门。因此，研究精馏塔的设计并熟练掌握其过程很有必要。 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，长期以来， 乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇-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。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改 进乙醇-水体系的精馏设备是非常重要的。 塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是浮阀塔都在化工生产过程 中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流 程和应注意的事项是非常必要的。 【关键词】：乙醇；水；精馏段；提馏段；浮阀塔。 AbstractAbstract Distillation is a distillation method for high purity liquid mixtures to be separated by reflux, is a liquid mixture industry on the most widely used separation operation, widely used in petroleum, chemical industry, light industry, food, metallurgy and other departments. Therefore, the design of distillation column and proficiency in the process it is necessary. Ethanol - water is the most common industrial solvent and also one of important chemical raw material. For a long time, Production of ethanol was distillation, but because ethanol - water system has azeotropic phenomenon, and ordinary distillation for getting high purity ethanol production is not good. But due to the more commonly used for its solution, therefore, the research and improvement of ethanol - water system of distillation equipment is very important. Tower equipment is the most commonly used distillation device, both in packed tower and float valve tower have been widely used in the chemical production process. Here we make the design of the plate 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 6 column to be familiar with unit operation equipment design process and precautions are needed. 【 key words 】 : ethanol; water; rectifying section; stripping section; the float valve tower. 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 7 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 8 第一章第一章 前前言言 在蔡老师的指导下，我们进行了为期几周的化工原理的课程设计。本次设 计的目的是让我们把大二下和大三上里所学过的化工原理基础理论知识回忆起 来，并将它们灵活运用到实际应用中，以加深我们对理论知识的理解及应用能 力，同时对于考研同学也是有一定的帮助。 化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程 和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设 计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数 据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得 到一次基本训练，在设计过程中还应培养学生树立正确的设计思想和实事求是、 严肃负责的工作作风。 本次设计的任务是设计优化乙醇-水溶液连续精馏塔。设计过程中，我们 认真思考、分析和研究，考虑到实际生产中的经济效益问题及绿色环保问题， 经过大量的精确的工艺计算及理论探讨确定，最终选用了浮阀式精馏塔，并于 常压下用间接蒸汽加热法进行精馏操作；设计出了一套比较接近实际的精馏塔 装置。 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。 第二章第二章 绪论绪论 2.1 1 设计方案设计方案 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 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 9 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。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底 产品经冷却后送至储罐。 2.22.2 设计方案的确定及流程说明设计方案的确定及流程说明 .1 选塔依据选塔依据 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡 罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节， 使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、 生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面， 又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径 从 200mm到 6400mm，使用效果均较好。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： () 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 2040，而接近于筛板塔。 () 操作弹性大，一般约为 39，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性 要大得多。 () 塔板效率高，比泡罩塔高 15左右。 () 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为 4001000N/m2。 () 液面梯度小。 () 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 () 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的 6080,为筛板塔 的 120130。 .2 加热方式：间接蒸汽加热加热方式：间接蒸汽加热 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 10 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。 .3 选择适宜回流比选择适宜回流比 适宜的回流比应该通过经济核算来确定，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；采用釜液产品去预热原料，可以充分利 用釜液产品的余热，节约能源。 .4 回流方式：泡点回流回流方式：泡点回流 泡点回流易于控制,设计和控制时比较方便,而且可以节约能源。 .5 操作流程说明操作流程说明 乙醇-水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝 后，进入回流罐部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜 采用间接蒸汽供热，塔底产品用于预热原料冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏 塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量由再沸器输 入，由冷凝器中的冷却介质将余热带走。 乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔 进料板，在进 料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每 层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。 .6 确定设计方案的原则确定设计方案的原则 确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成 就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、 低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： (1)满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且 质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定， 从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处 流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要 的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作 指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温 度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过 程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 11 (2)满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中 如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少 电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也 影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的 大小对操作费和设备费也有很大影响。 (3)保证安全生产 例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花 的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空， 都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。 以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第 一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只 要求作一般的考虑。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 1 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 2 第三章第三章 塔的工艺尺寸得计算塔的工艺尺寸得计算 3.13.1 精馏塔的物料衡算精馏塔的物料衡算 乙醇的摩尔质量 46/ A Mkg kmol 水的摩尔质量 18/ B Mkg kmol 原料液 50/ 46 0.2813 50/ 4650/18 Fx 塔顶 92/ 46 0.8182 92/ 468/18 D x 原料液平均摩尔质量： 0.2813 46(1 0.2813) 1825.8764/ F Mkg kmol 同理可得：塔顶0.8182 46(1 0.8182) 1840.9096/ D Mkg kmol 进料流量 45000 1000 241.5328/ 25.8764 300 24 Fkmol h 馏出液流量 0.99 241.5328 0.2813 100% 82.2094/ 0.8182 A F D Fx Dkmol h x 釜液流量241.532882.2094159.3234/WFDkmol h 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 3 由 fDW FxDxWx 得 241.5328 0.281382.2094 0.8182 159.3234 0.006993 w w x x 0.006993 46(1 0.006993) 1818.1958 w M 水的回收率： (1) (1) w B f wx Fx 159.3234 (1 0.006993) 100%91.14% 241.5328 (1 0.2813) 3.23.2 塔板数的确定塔板数的确定 .1 相对挥发度相对挥发度 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得： 1 0.8182 D yx 1 0.8()x 塔顶第一块板 0.575 f y 0.2813() f x 加料板 0.065 w y 0.006993 w x （塔釜） 由相平衡方程得 从相平衡表中抽出七组数据进行计 1 (1) x y x (1) (1) yx y x 算 当 t=95.5 ， (1) 1 (1) yx y x 0.17*(1 0.019) (1 0.17)*0.019 10.5751 当 t=86.7 2 (1) (1) yx y x 0.4375*(1 0.0966) (1 0.4375)*0.0966 7.2738 当 t=84.1 3 (1) (1) yx y x 0.5089*(1 0.1661) (1 0.5089)*0.1661 5.2024 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 4 当 t=82.3 4 (1) (1) yx y x 0.5580*(1 0.2608) (1 05580)*0.2608 3.5782 当 t=80.7 5 (1) (1) yx y x 0.6122*(1 0.3965) (1 0.6122)*0.3965 2.4028 当 t=79.7 6 (1) (1) yx y x 0.6599*(1 0.5198) (1 0.6599)*0.5198 1.7925 当 t=78.74 = =1.3517 7 (1) (1) yx y x 6763. 0*)7385. 01 ( )6763. 01 (*7385 . 0 = n n . 21 7 10.5751 7.2738 5.2024 3.5782 2.4028 1.7925 1.3517 3.6319 精馏段平均温度=80.17 1t 液相组成：，=46.21% 1 x 1 80.779.880.1779.8 39.6550.7950.79x 1 x 气相组成 ：，=63.82% 1 y 1 80.779.880.1779.8 61.2265.6465.64y 1 y 12 21 0.63820.5379 2.053 0.36180.4621 y x y x 精 = 提馏段平均温度=90.94 2t 液相组成：，=5.625% 2 x 2 95.589.090.9489.0 1x 2 x 气相组成：，=32.37% 2 y 2 95.589.090.9489.0 17.0038.9138.91y 2 y 12 21 0.32370.94375 8.304 0.67630.05625 y x y x 提 = .2 最小回流比及操作回流比计算最小回流比及操作回流比计算： 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 5 根据 101.325KPa 下，乙醇-水的汽液平衡组成关系绘出乙醇-水 x-y 图，因为乙 醇-水相平衡线具有下凹部分，在操作线与平衡线的交点尚未落到平衡线上以前， 操作线已于平衡线相切，所以采用从(XD,XD）做相平衡线下凹部分做切线，从 origin 图知切线的切点 e 的坐标为(0.6789，0.740)由此可求出 Rmin(见图 3.2）：由下图可得 min 0.81820.74 1.28 0.740.6789 De ee xy R yx 图 3.1 最小回流比的确定 确定回流比 R=(1.2-2.0）Rmin 由芬斯克方程确定 Nmin: N= min 1 1 WD g DW gm XX l XX l 0.81821 0.006993 1 0.81820.006993 5.01 3.6319 g g l l 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 6 已知 R、Rmin、Nmin 由吉利兰图可查出不同 R 下对应的 N，进而有经验公式进 行经济核算，经计算可得： 回流比 R 回流比 R 理论塔板数 N 经费 N（R+1） 1.1Rmin1.40814.153 34.082 1.2Rmin1.53612.404 31.458 1.3Rmin1.66411.472 30.561 1.4Rmin1.79210.801 30.156 1.5Rmin1.9210.272 29.993 1.6Rmin2.0489.836 29.980 1.7Rmin2.1769.468 30.071 1.8Rmin2.3049.152 30.239 1.9Rmin2.4328.877 30.466 2.0Rmin2.568.635 30.741 作出 N-R 图，经济核算图 N(R+1)-R，如下所示： 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 7 由上面经济核算图 N(R+1)-R 可得，R=1.6Rmin=2.048 为最优回流比。 .3 图解法求理论塔板数：图解法求理论塔板数： 精馏段操作线方程 1 0.67190.2684 11 D nnn xR yxx RR 提留段操作线方程 1 1 1.63580.00445 11 nnwn FF R DD yxxx RR 用逐板计算法可得： 精馏段操作线方 程 yn+1=0.6719xn+0.2684yxb 提馏段操作线方 程 yn+1=1.6358xn- 0.00445 1-0.67190.26840.4586 馏出液组成 xd=0.81821-1.6358-0.00450.2831 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 8 釜液组成 xw=0.006993 由上表数据可得，精馏段理论板数为 12 块，提馏段理论板数为 3 块；总理论板 数为 15 块，从第 13 块板开始进料。 3.33.3 精馏塔有关物性数据的计算精馏塔有关物性数据的计算 .1 操作温度计算操作温度计算 表 5-1 乙醇水气、液平衡组成（摩尔）与温度关系 温度 / 液相气相 温度 / 液相气相 温度 / 液相气相 1000082.723.3754.4579.357.3268.41 95.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.85 89.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.15 86.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.43 85.312.3847.0479.850.7965.64 84.116.6150.8979.751.9865.99 利用表 5-1 中数据由拉格朗日插值可求得、。 F t D t W t 进料口： =82.05 F t 82.382.3 81.5 26.0832.7328.1326.08 F t F t xy 00.8182 0.8182 10.7977 0.8182 0.0880 2.0874 0.7977 20.7783 0.8044 0.0865 1.8946 0.7783 30.7595 0.7913 0.0851 1.7266 0.7595 40.7404 0.7787 0.0838 1.5749 0.7404 50.7205 0.7659 0.0824 1.4331 0.7205 60.6987 0.7525 0.0810 1.2958 0.6987 70.6738 0.7379 0.0794 1.1584 0.6738 80.6438 0.7211 0.0776 1.0163 0.6438 90.6051 0.7010 0.0754 0.8647 0.6051 100.5509 0.6750 0.0726 0.6983 0.5509 110.4657 0.6385 0.0687 0.5127 0.4657 120.3111 0.5813 0.0626 0.3111 0.3064 130.1304 0.4774 0.0514 0.1304 -0.0811 140.0221 0.2089 0.0225 0.0221 -1.9089 150.0034 0.0316 0.0034 0.1226 -4.0108 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 9 塔顶： =78.28 D t 78.1578.1578.41 89.4374.7281.8289.43 D t D t 塔釜： =99.83 W t 10010095.5 0 1.900.69930 W t W t 精馏段平均温度 1 82.0578.28 80.17 22 FD tt t 提馏段平均温度 2 82.0599.83 90.94 22 FW tt t 全塔的平均温度 78.2882.0599.83 86.72 33 Dfw m ttt t .2 2 液体平均黏度和实际塔板数计算液体平均黏度和实际塔板数计算 表 3-4 水在不同温度下的黏度 温度黏度mPa s 温度黏度mPa s 810.3521900.3165 820.3478910.3130 精馏段平均温度 =80.17 1t 液相组成：，=46.21% 1 x 1 80.779.880.1779.8 39.6550.7950.79x 1 x 气相组成 ：，=63.82% 1 y 1 80.779.880.1779.8 61.2265.6465.64y 1 y 在温度 80.17下查得水的粘度 由液体黏度共线图可得 2 0.3564 H Oa mps 0.425 a mps 乙醇 因为 n LiLi X 所以有 0.4621 0.425(1 0.4621) 0.35640.3728 L 精 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 10 12 21 0.63820.5379 2.053 0.36180.4621 y x y x 精 = -0.245 0.245 0.49 ()=0.492.053 0.3728=52.3% TL E 精精精 提馏段平均温度=90.94 2t 液相组成：，=5.625% 2 x 2 95.589.090.9489.0 1x 2 x 气相组成：，=32.37% 2 y 2 95.589.090.9489.0 17.0038.9138.91y 2 y 在温度 90.94下查得水的粘度 由液体黏度共线图可得 2 0.3132 H Oa mps 0.365 a mps 乙醇 0.05625 0.365(1 0.05625) 0.31320.3161 L 提 12 21 0.32370.94375 8.304 0.67630.05625 y x y x 提 = -0.245 0.245 0.49 ()=0.498.304 0.3161=38.7% TL E 提提 p 12 (N )=23 0.521 R T N E 精 经圆整后取 6 块 p 13-1 (N )=5.2 0.387 S T N E 提 全塔所需塔板数：()() =23+6=29 ppp NNN 提精 全塔效率： 15-1 (1)/=100%=48.3% 29 TTp ENN 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 11 .3 操作压力及平均摩尔质量计算操作压力及平均摩尔质量计算 操作压力：操作压力： 塔顶操作压力（绝压）： PD=101.3+4=105.3KPa，取每层压强降：0.7PKPa 进料板压力：105.30.723121.4 FD PPNPKPa 精 塔底压力：105.30.7 29125.6 WDP PPPNKPa 精馏段平均压力： 121.4 105.3 113.35KPa 22 FD m PP P 精 提馏段平均压力： 121.4 125.6 123.5 22 FW m PP PKPa 提 精馏段的平均摩尔质量 精馏段平均温度=80.17 1t 液相组成：，=46.21% 1 x 1 80.779.880.1779.8 39.6550.7950.79x 1 x 气相组成 ：，=63.82% 1 y 1 80.779.880.1779.8 61.2265.6465.64y 1 y 所以 kg/kmol 1 46 0.4621 18 (1 0.4621)30.94 L M kg/kmol 1 46 0.6382 18 (1 0.6382)35.87 V M 提馏段平均摩尔质量 提馏段平均温度=90.94 2t 液相组成：，=5.625% 2 x 2 95.589.090.9489.0 1x 2 x 气相组成：，=32.37% 2 y 2 95.589.090.9489.0 17.0038.9138.91y 2 y 所以 kg/kmol 2 46 0.05625 18 (1 0.05625)19.575 L M kg/kmol 2 46 0.3237 18 (1 0.3237)27.06 V M 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 12 .4 平均密度计算平均密度计算 已知：混合液密度 依式 =（a 为质量分数，为平均相对 L 1 B B A Aaa M 分子质量）混合汽密度 ： 求得在与下乙醇与水的密度。 0 22.4 o v T M T 1t 2t 不同温度下乙醇和水的密度见表 5-2。 表 5-2 不同温度下乙醇和水的密度 温度/ 乙水 温度/ 乙水 8073597195720961.85 85730968.6100716958.4 90724965.3 1、精馏段 平均温度=80.17 ，=734.83 kg/ 1t 858080.1780 730735735 乙 乙 3 m , =971.69 kg/ 858080.1780 968.6-971.8971.8 水 水 3 m 在精馏段，液相平均密度： 1L 1 10.4621 46/0.4621 46 18 (1 0.4621)1 0.6870 734.83971.69 L 3 1 795.54/ L kg m 气相平均密度： 1V =1.2380 kg/ 1V 35.87 273.15 22.4 (273.1580.17) 3 m 2、提馏段 平均温度 =90.94 ， =723.248 kg/ 2t 959090.9490 720724724 乙 乙 3 m ， =964.6514 kg/ 959090.9490 961.85965.3965.3 水 水 3 m 液相平均密度： 2L 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 13 2 10.05625 46/0.05625 46 18 (1 0.05625)1 0.1322 723.248964.9412 L 3 2 924.134/ L kg m 气相平均密度： 2V =0.906 kg/ 2V 27.06 273.15 22.4 (273.1590.94) 3 m .5 液体平均表面张力计算液体平均表面张力计算 二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算 1/41/41/4 m swwsoo 注： 00 0 0000 ww w wwww x Vx V x Vx Vx Vx V 000 / swswswsss x VVx VV 2/3/ 2/3 lg0.441 q w oo ww w Vq BQV Tq , 2 lg1 sw swso so ABQA , , 式中下角标，w,o,s 分别代表水、有机物及表面部分；xw、xo 指主体部分 的分子数，Vw、Vo 主体部分的分子体积，w、o 为纯水、有机物的表面张力， 对乙醇q = 2。 （1）精馏段： 1 80.17 C t 3 18 22.63/ k 795.54 w w w m Vmmol 3 46 37.09/ 1.24 o o o m Vmmol 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 14 表 3-3 不同温度下乙醇和水的表面张力 温度/ 708090100 乙醇表面张力/10- 3N/m2 1817.1516.215.2 水表面张力/10-3N/m2 64.362.660.758.8 乙醇表面张力： 908016.2 17.15 17.08 9080.1716.2 乙醇 乙醇 , 水表面张力： 90809080.17 62.57 60.762.660.7 水 水 , 2 2 1 1o11 1 1 W W oWW x V xVx VxV 2 1 0.462122.63 0.4621 37.09 1 0.462122.63 0.4621 37.09 0.29 2 lglg0.290.54 W o B 2/3 2/3 0.4411.012 oo WW Vq QV Tq 0.54 1.0121.552ABQ 联立方程组： 2 lg1 SW SWSO SO A , 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 15 代入求得： 0.846 SWSO =0. 154 , 1/41/4 1/4 0.15462.570.84617.0822.11/ mm mN m , （2）提镏段： =90.94 t2 3 18 19.48/ 924.134 w w w m Vcmmol 3 46 50.77/ 0.906 o o o m Vcmmol 乙醇表面张力： 1008015.2 16.2 15.69 10090.9415.2 乙醇 乙醇 , 水表面张力： 1009010090.94 60.52 58.860.758.8 水 水 , 2 W o 2 1 0.056319.56 5.57 0.0563 49.251 0.056319.560.0563 49.25 2 lglg5.570.75 W o B 2/3 2/3 0.4410.79 oo WW Vq QV Tq 0.750.79-0.04ABQ 联立方程组： 2 lg1 SW SWSo So A , 代入求得： 0.4 SWSo =0. 6, 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 16 1/41/4 1/4 0.660.520.415.6944.35/ mm mN m , 3.43.4 精馏塔的塔体工艺尺寸设计精馏塔的塔体工艺尺寸设计 .1 塔径的计算塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 3 v1 1 (2.048 1) 82.2094 35.87 2.0167/ 36003600 1.2380 S v VM Vms -33 11 11 2.048 82.2094 30.94 1.8189 10/ 360036003600 795.54 LL S LL LMRD M Lms A (精馏段 V=L+D=(R+1)+D,L=RD) 提馏段的气、液相体积流率为 / ( +1)3.048 82.2094250.574k/VVRDmol h / 2.048 82.2094+241.5328409.898k/Lmol h 3 v2 2 250.574 27.06 2.0789/ 36003600 0.906 s v V M Vms -33 2 2 409.898 19.575 2.4118 10/ 36003600 924.134 L S L LM Lms 由 max L v uC 式中 C 由式 计算，其中 由史密斯关联图查取 0.2 20( ) 20 M CC 20 C （1 1）精馏段）精馏段 11-3 12 2 1 1.8189 103600 795.54 ()()0.0227 2.0167 36001.2380 hL hv L V 取板间距 ，板上液层高度 ，则0.45 T Hm0.07 L hm 0.450.070.38 TL Hhm 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 17 查图可得 20 0.078C 0.20.2 20 22.11 ()0.078 ()0.07958 2020 M CC max 795.54 1.238 0.079582.0157/ 1.238 um s 取安全系数 0.7，则空塔气速为 max 0.70.7 2.01571.4110/uum s 44 2.0167 1.35 1.4110 s V Dm u 按标准塔径圆整后为 D=1.4m 塔截面积为 222 1.41.539 44 T ADm 实际空塔气速为 2.0167 1.310/ 1.539 um s （2 2）提馏段）提馏段 11-3 2 22 2 2.4118 103600 924.134 ()()0.0371 2.0789 36000.906 hL hV L V 同理，提馏段的板间距取 ，板上液层高度 。0.45 T Hm 0.07Lhm 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 18 20 0.078C 0.2 44.35 0.078 ()0.0914 20 C max 924.1340.906 0.09142.9177/ 0.906 um s max 0.70.7 2.91772.0424/uum s 442.0789 1.14 2.0424 s V Dm u 按标准塔径圆整后为 D =1.2m 由于此塔精馏段板数居多，而且经圆整后的精馏 段和提留段的塔径相差不大，所以提馏段塔径 D=1.4m 塔截面积为 222 1.41.539 44 T ADm 实际空塔气速为 2.0789 1.351/ 1.539 um s .2 精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度的计算; ;