食工原理课程设计乙醇--水连续精馏塔设计.doc

乙醇水连续精馏塔设计任务书乙醇水连续精馏塔设计任务书一、设计题目试设计一座乙醇-水连续精馏塔，要求日产纯度为99%的乙醇24吨，塔顶馏出液中含乙醇不得高于1%原料中含乙醇25%（以上均为质量%）。二、操作条件1塔顶压强：常压2进料热状态：过冷液进料3回流比：R=10.628*1.2=12.7544塔底加热蒸汽压强：169 kPa（表压）5单板压降0.7kPa三、设备型式设备型式为筛板塔四、设备工作日每年330天，每天24小时五、厂址杨凌地区六、设计内容1设计方案的确定及流程的说明2塔的工艺计算3塔和塔板主要尺寸的设计（1）设计方案的确定及说明（2）塔的工艺计算（3）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定（4）实际结果概要或设计一览表（5）精馏塔的工作图（6）对本设计的评述或有关问题的分析讨论4设计一览表5辅助设备选型及计算6生产工艺流程图及精馏塔的工艺条件图7对本设计的评论及有关问题的分析讨论七、设计基础数据附表1 常压下乙醇-水的气液平衡数据温度（）8090100110120130131.8液相中乙醇的摩尔分数x10.690.450.270.130.020气相中乙醇的摩尔分数y10.920.790.620.380.070目录1精馏流程的确定42塔的物料恒算42.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数42.2 平均摩尔质量42.3 物料恒算43塔板数的确定53.1理论塔板数的求取53.1.1 求最小回流比、操作回流比53.1.12 求理论塔板数（逐板计算法）53.3实际塔板数84塔的工艺条件及物性数据计算94.1操作压力9.2温度94.3平均摩尔质量104.4平均密度104.5液体表面张力124.6液体黏度135精馏段气液负荷计算135.1精馏段气液负荷计算135.2提馏段气液负荷计算146塔和塔板主要工艺尺寸计算146.1塔径146.2溢流装置146.2.1溢流堰长度156.2.2出口堰高度156.2.3降液管宽度和面积156.2.4降液管底隙高度156.3塔板布置166.4筛孔数与开孔率166.5塔的有效高度176.6塔高计算178.塔板负荷性能图18依据数表做出雾沫夹带线19（二）液泛线199.筛板塔的工艺设计计算结果总表229附图2310设计说明与设计评论2311参考文献2412.符号说明24 1精馏流程的确定本设计要分离乙醇-水二元混合物，采用连续精馏板式塔进行分离。乙醇-水混合料液经原料加热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽向再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。2塔的物料恒算2.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 2.2 平均摩尔质量加料板 =460.115+18(1-0.115)=21.22 kg/kmol塔 顶 =460.975+18(1-0.975)=45.3 kg/kmol塔 底 =460.00039+18(1-0.00039)=18.01 kg/kmol2.3 物料恒算总物料衡算乙醇物料衡算错误！未找到引用源。联立以上二式解得： 3塔板数的确定3.1理论塔板数的求取3.1.1 求最小回流比、操作回流比因过冷液进料（q=1.2），可得q线方程又，可得平衡线方程为联立两式可得x=0.2018;y=0.129 又由斜率公式 可得取操作回流比 错误！未找到引用源。3.1.12 求理论塔板数（逐板计算法）精馏段操作线为： 错误！未找到引用源。 =0.927x+0.071 平衡线方程为： 根据平衡线方程可得错误！未找到引用源。 再根据精馏段操作线方程可得依次带入两方程继续进行逐板计算，求得 可知此处进料，然后换提馏段操作线方程与平衡线方程结合继续逐板计算求解求得 由上述求解过程可知理论板数为50层，其中精馏段理论板数为16层，提留段为34层（不包括釜），第16层为加料板。计算过程数据如下表：精馏段x精馏段y0.9580.9750.9310.9590.8930.9340.840.8990.7730.850.6850.7880.5830.7060.480.6110.3850.5160.3060.4280.2440.3550.1990.2970.1680.2550.1470.2270.1330.207提馏段x提馏段y0.0760.1230.06960.1130.06340.1030.051990.093990.04680.07710.0420.60140.03760.06220.03350.05570.02980.04960.02640.04410.02330.0390.02060.03450.01810.03040.01590.02670.01390.02340.01260.02050.01060.01790.009210.01560.007980.01350.0690.01170.05940.010.0510.008640.004360.007390.003710.006290.003140.05330.002640.004480.00220.003730.001810.003080.001470.00250.001180.0020.000920.001560.0006930.001180.0004950.0008410.0003210.0005463.3实际塔板数已知全塔效率所以 实际板数实际塔板数为97 层，其中精馏段为31层，提馏段为66层4塔的工艺条件及物性数据计算4.1操作压力 由设计任务书中知，塔顶压强为常压（101.325 kPa），单板压降0.7kPa，则取单板压降为0.7塔顶压强 =101.325 kPa,进料板压强 =101.325+300.7=123.025 kPa塔底压强 =101.325+960.7=189.225 kPa精馏段平均操作压力为 =112.175kPa提馏段平均操作压力为 =146.125kPa.2温度根据安托尼方程 其中A=10.446 B=1718.1 C=27.53在80下， ，此时P=131.52*0.975+47.379*0.025=129.38Kpa101.3 Kpa在75下，此时P=88.9*0.975+38.551*0.025=87.64Kpa5s符合要求6.2.4降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速为0.10（一般的降液管底隙的流速可取范围为0、070、25）依下式计算降液管底隙高度，即=0.0696.3塔板布置（1）取边缘区宽度=0.040，安定区宽度=0.080（=70100mm）（2）依下式计算开孔区面积=2（）=2（）=4.876其中 =0.88=1.166.4筛孔数与开孔率取筛孔的孔径为5（范围38mm），正三角形排列，一般碳钢的板厚为34，=3.04.0，取碳钢的板厚为4mm，=4.0，故孔中心矩=20依下式计算塔板上的筛孔数，即=14116孔依下式计算塔板上开孔区的开孔率，即=5.67%每层塔板上的开孔面积为=0.05674.876=0.276气体通过筛孔的气速=11.146.5塔的有效高度精馏段有效高度=(31-1) 0.4=12提馏段有效高度=（66-1）0.4=26全塔有效高度=（31+66-1）0.4=38.46.6塔高计算塔高=N*H=0.4*97=39m7.筛板的流体力学验算7.1气体通过筛板压强降相当的液柱高度依式：hp=hc+h1+h7.1.1干板压强降相当的液柱高度hc 依/=5/4=1.25， 查图得Co=0.78 由式hc=0.051（/）=0.0197m7.1.2气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度h1 Fa=0.801 查的充气系数=0.735所以h1 =o=o (+)=0.735*0.06=0.0441m7.1.3克服液体表面张力压强降相当的液柱高度h h=4/g=4*0.03692/654/9.8/0.005=0.0046m hp=hc+h1+h=0.0197+0.0441+0.0046=0.0684mm 单板压强降P= hpg=0.0684*654*9.8=438.4kPa0.7kPa(在设计允许范围内)7.2雾沫夹带量ev的验算 Ev=5.7*10（-6）/()2/3=0.00450.1kg液/kg气 所以设计符合不会发生过量雾沫夹带。7.3漏液的验算 =4.40.78=7.3m/s 筛板的稳定系数： K=/=11.14/7.3=1.5261.5所以设计负荷下不会产生过量的漏液7.3泛液验算 为了防止降液管泛液的发生，应使降液管中清液层高度Hd（HT+Hw） 依式计算Hd，即：Hd=hp+hL+hdh=0.153=0.002mHd=0.0684+0.06+0.002=0.1304 取=0.5，则（HT+Hw）=0.5（0.4+0.031）=0.216m 则 Hd（HT+Hw），在设计符合下不会发生泛液。根据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精馏塔塔径和各工艺尺寸是合适的。8.塔板负荷性能图（一）雾沫夹带线依式 式中 取E1，故3.272.3171.6691.126依据数表做出雾沫夹带线（二）液泛线近似取 ，由式（4-25）由4-34 得 = 由4-37 = （已知） 由4-45 将将取不同值8.488.7588.10067.84（三）液相负荷上限线 液相负荷上限线（3）在坐标图上为与起哦提流量无关的垂直线，如图线（3）所示（四）漏液线（气相负荷下限线）带入漏液线方程此极限为负荷下线关系式，在操作范围内任取n个值计算出相应的值。列于下表中，依据表中数据做出气相负荷下限线（4）1.5561.64281.6991.785（五）液相负荷下限线 取平堰、堰上液层高度 整理得依此值在坐标图上作线（5）即为液相负荷下限线 将以上5条线绘于（坐标图）中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围区域为精馏段塔板操作区，P为操作点，OP为操作线。OP线与线（1）的交点气相负荷相应为，OP线与气相负荷下限线（4）的交点相应气相负荷为。 可知本设计塔板上线由雾沫夹带线控制，下限由漏液控制。9.筛板塔的工艺设计计算结果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强112.175146.125各段平均温度89.46100.48平均流量气相3.075液相0.00540.01实际塔板数层3166板间距0.440.4塔的有效高度1226塔径2.42.4空塔气速0.790.79塔板液流形式单流型溢流装置溢流管形式弓形堰长1.44堰高0.031溢流堰宽度0.24降液管底隙高度0.069板上清液层高度0.06孔径5孔间距20孔数n个14116开孔面积0.276筛孔气速11.14塔板压强降0.7液体在降液管中停留时间19.99附图 精馏塔设计图（见打印版CAD）10 设计说明与设计评论 通过本次设计，让自己进一步对精馏塔的认识加深，体会到课程设计 是我们所学专业课程知识的综合应用的实践训练，也深深感受到做一件 事，要做好是那么的不容易。在本次设计中，我结合书本与网上的一些知识来完成了自己的课程设 计。其中的设计评述、塔板结构与选型参考课本上的模板。在此次设计中虽然自己做了近两周时间,深深体会到计算时的繁锁。首先是对塔的操作 压强认识不足， 在老师的帮助下自己很快的解决了。 其次是再计算时有许 多是根据老师指定数据来算的如：塔板间距、上液层高度、加热蒸汽压强， 质量流量等，这些对于我们这些只学了一些简单的理论知识的学生来说简 直是难上加难，以至于自己再算到这些时，算了一次又一次，才满足了工 艺要求。再次，虽然自己经过很长时间来完成自己的设计内容的计算，一遍又遍，但还是觉得不算苦，必定有一句“千里之行，始于足下”。再完成设计内 容后那就是选择工艺流程图，然而自己对工艺流程图的绘制却不知无从下手。最后，工艺流程是自己在结合书本上和老师给的参考图形，根据我们的设计要求选择了这个工艺流程。 在确定此次工艺流程图之后，自己也用 CAD 画一遍花了一天的时间把工艺流程图画完。也感觉到自己 CAD 的不行，以后要花时间来练习。短短的几周课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此 的缺乏， 自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会灵活综合应用， 在今后一定要不断加强。并庆幸自己能有此次的工程设计训练，虽然是有点苦，但让我学习到了很多知识，也进一步的强化了自己所学的专业知识。相信此次课程设计训练对自己的今后工作都会有一定的帮助。 最后，也感谢老师给我们的帮助，给予我们这次锻炼的宝贵机会。11参考文献1 刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册,有机卷M. 化学工业出版社.北京，2002.5.2杨同舟.食品工程原理M.中国农业出版社.北京,2001.9.3 王从厚，吴 明.国外膜工业发展概况J. 膜科学与技术.vol.22 No.1 Feb.2002:65-72.4 Graver公司产品介绍.Stainless Steel Cross-Flow Membranes for Extreme Process conditions EB/OL. /products.