化工原理课程设计(乙醇和水的分离)

乙醇 水筛板塔课程设计 1 化工原理课程设计 课题名称 乙醇 水分离过程筛板精馏塔设计 院 系 可再生能源学院 班 级 应用化学 0901 班 学 号 学生姓名 蔡 文 震 指导老师 覃 吴 设计周数 1 乙醇 水筛板塔课程设计 2 目录目录 一 化工原理课程设计任务书 4 1 1 设计题目 4 1 2 原始数据及条件 4 二 塔板工艺设计 4 2 1 精馏塔全塔物料衡算 4 2 2 乙醇和水的物性参数计算 5 2 2 1 温度 5 2 2 2 密度 6 2 2 3 相对挥发度 9 2 2 4 混合物的黏度 9 2 2 5 混合液体的表面张力 9 2 3 塔板的计算 10 2 3 1 q 精馏段 提留段方程计算 10 2 3 2 理论塔板计算 12 2 3 3 实际塔板计算 12 2 4 操作压力的计算 13 三 塔体的工艺尺寸计算 13 3 1 塔径的初步计算 13 3 1 1 气液相体积流量计算 13 3 1 2 塔径计算 13 3 2 塔体有效高度的计算 15 3 3 精馏塔的塔高计算 16 3 4 溢流装置 16 3 4 1 堰长 16 3 4 2 溢流堰高度 16 3 4 3 弓形降液管宽度和截面积 17 3 5 塔板布置 17 3 5 1 塔板的分块 17 3 5 2 边缘区宽度的确定 18 3 5 3 开孔区面积计算 18 3 5 4 筛孔计算及其排列 18 四 筛板的流体力学验算 19 4 1 塔板压降 19 4 1 1 干板阻力 19 4 1 2 气体通过液层的阻力 19 4 1 3 液体表面张力的阻力 很小可以忽略不计 20 4 1 4 气体通过每层板的压降 20 4 2 液沫夹带 20 4 3 漏液 21 4 4 液泛 21 五 塔板负荷性能图 22 乙醇 水筛板塔课程设计 3 5 1 漏液线 22 5 2 液沫夹带线 22 5 3 液相负荷下限线 24 5 4 液相负荷上限线 24 5 5 液泛线 24 5 6 图表汇总及负荷曲线图 26 六 主要工艺接管尺寸的计算和选取 26 七 课程设计总结 27 八 参考文献 28 乙醇 水筛板塔课程设计 4 一 化工原理课程设计任务书一 化工原理课程设计任务书 1 1 设计题目设计题目 分离乙醇一水筛板精馏塔的设计 1 2 原始数据及条件 原始数据及条件 生产能力 年处理乙醇一水混合液 2 6 万吨 年 约为 87 吨 天 原料 来自原料罐 温度 20 乙醇含量为 46 质量分率 下同 分离要求 塔顶乙醇含量不低于 95 塔底乙醇含量不高于 0 05 塔顶压力 P 105KPa 进料状态为冷进料 塔釜为饱和蒸汽直接加热 二 塔板工艺设计二 塔板工艺设计 2 1 精馏塔全塔物料衡算精馏塔全塔物料衡算 F 进料量 Kmol s 原料组成 F X D 塔顶产品流量 Kmol s 塔顶组成 D X W 塔底残液流量 Kmol s 塔底组成 W X 原料乙醇组成 25 18 54 46 46 46 46 F X 塔顶组成 14 88 18 5 46 95 46 95 D X 乙醇 水筛板塔课程设计 5 塔底组成 020 0 18 5 99 46 05 0 46 05 0 W X 进料量 sKmolF 540 00 360024300 18 95 0 46 05 0 1000100006 2 6 2 年万吨 物料衡算式 F D W WDF XWXDXF 联立求解 D 0 0153Kmol s W 0 0387Kmol s 2 2 乙醇和水的物性参数计算乙醇和水的物性参数计算 2 2 1 温度温度 常压下乙醇 水气液平衡组成与温度的关系 温度 T 液相中乙醇的摩尔分率 气相中乙醇的摩尔分率 1000 000 00 95 50 01900 1700 89 00 07210 3891 86 70 09660 4375 85 30 12380 4704 84 10 16610 5089 82 70 23770 5445 82 30 26080 5580 81 60 32730 5826 80 70 39650 6122 79 80 50790 6564 79 70 51980 6599 79 30 57320 6841 78 740 67630 7385 78 410 74720 7815 78 150 89430 8943 根据表中数据可以求得 F t D t W t 乙醇 水筛板塔课程设计 6 1 31 2325 7 82 08 2631 23 3 82 7 82 F F t t 46 82 F t 2 72 7414 88 41 78 43 8972 74 15 7841 78 D D t t 17 78 D t 3 0020 0 100 90 1 0 5 95100 W W t t 95 99 W t 4 精馏段平均温度 32 80 2 1 DF tt t 5 提留段平均温度 21 91 2 2 WF tt t 2 2 2 密度密度 已知 混合液密度 B B A A l aa 1 混合气密度 0 0 4 22 TP MPT V 塔顶温度 17 78 D t 气相组成 43 89100 15 7817 78 43 8915 78 15 7841 78 D D y y 56 88 D y 进料温度 46 82 F t 气相组成 45 54100 7 8246 82 80 5545 54 3 82 7 82 F F y y 26 55 F y 塔底温度 95 99 W t 乙醇 水筛板塔课程设计 7 气相组成 W W y y 1000 95 99100 0 170 5 95100 19 0 W y 1 精馏段 液相组成 57 56 2 1 FD xx x 气相组成 91 71 2 1 FD yy y 所以 molkgML 84 33 5657 01 185657 0 461 molkgMV 13 38 7191 0 1 187191 0 461 2 提留段 液相组成 51 12 2 2 FW xx x 气相组成 72 27 2 2 FW yy y 所以molkgML 50 21 1251 01 181251 0462 molkgMV 76 25 2772 0 1 182772 0 462 不同温度下一寸与水的密度表 温度 T 708090100110 3 mkg A 754 2742 3730 1717 4704 3 3 mkg B 977 8971 8965 3958 4951 6 46 82 F t 3 742 8046 82 1 730 3 742 9080 CF CF 3 3 739mkg CF 8 971 8046 82 3 9658 971 9080 wF wF 3 2 970mkg wF 2 970 46 0 1 3 739 46 01 F 3 3 848mkg F 17 78 D t 2 754 7017 78 3 742 2 754 8070 CD CD 3 5 744mkg CD 8 977 7017 78 8 9718 977 8070 wD wD 3 9 972mkg wD 乙醇 水筛板塔课程设计 8 9 972 92 01 5 744 92 0 1 D 3 75 758mkg D 95 99 W t 1 730 9095 99 4 7171 730 10090 CW CW 3 46 717mkg CW 3 965 9095 99 4 958 3 965 10090 wW wW 3 43 958mkg wD 43 958 005 0 1 46 717 005 0 1 W 3 54 952mkg W 所以 3 1 53 803 2 mkg DF L 3 2 65 855 2 mkg WF L molkgxxM DD LD 68 42 1 1846 molkgxxM FF LF 25 1 1846 molkgxxM WW LW 00 18 1 1846 molkg MM M LFLD L 84 33 2 1 molkg MM M LFLW L 5 21 2 2 molkgyyM DD VD 80 42 1 1846 molkgyyM FF VF 47 33 1 1846 molkgyyM WW VW 05 18 1 1846 molkg MM M VFVD V 14 38 2 1 molkg MM M VFVW V 76 25 2 2 3 1 1 0 1 32 1 4 22 mkg t MTV V 乙醇 水筛板塔课程设计 9 3 2 2 0 2 86 0 4 22 mkg t MTV V 2 2 3 相对挥发度相对挥发度 25 F x 26 55 F y71 3 25 0 1 5526 01 25 0 5526 0 F 14 88 D x 56 88 D y04 1 8814 01 8856 01 8814 0 8856 0 D 020 0 W x 19 0 W y52 9 02 01 19 01 02 0 19 0 W 1 精馏段平均相对挥发度 38 2 2 1 DF 2 提留段平均挥发度 62 6 2 2 WF 2 2 4 混合物的黏度混合物的黏度 6 查手册得 32 80 1 tsmpa 3565 0 水 smpa 954 0 乙醇 查手册得 21 91 2 tsmpa 3130 0 水 smpa 254 0 乙醇 1 精馏段黏度 smpaxx 4348 0 1 111 水乙醇 2 提留段黏度 smpaxx 2703 0 1 222 水乙醇 2 2 5 混合液体的表面张力混合液体的表面张力 查物理化学手册可得 水的表面张力的经验公式 291 002 0 1 07275 0 T 乙醇 水筛板塔课程设计 10 所以可以求得 mmN WF 37 63 mmN WD 99 63 mmN WW 83 60 乙醇的查取表可以通过内插法算得 液体 表面张力 温 度 60 80 100 乙醇19 2mN m17 3mN m15 5mN m mmN WF 07 17 mmN WD 47 17 mmN WW 51 15 塔顶表面张力 444 1 WDDWDDD xx mmN D 87 20 444 1 WFFWFFF xx mmN F 42 47 444 1 WWDWWWW xx mmN W 82 60 1 精馏段的平均表面张力 mmN 15 34 2 42 4787 20 1 2 提馏段的平均表面张力 mmN 12 54 2 42 4782 60 2 2 3 塔板的计算塔板的计算 2 3 1 q 精馏段 提留段方程计算精馏段 提留段方程计算 泡点温度 82 46 25 0 F x 平均温度 23 51 2 2046 82 2 tT 乙醇的摩尔热容KkmolkJcmA 92 1384602 3 乙醇的摩尔汽化焓kmolkJrA 2 4205346 2 914 水的摩尔热容KkmolkJcmB 2 75 5060 5123 51 178 4183 4 178 4 18 水的汽化潜热kmolkJrB 43056182392 13 91KkmolkJxcxcc BmBAmAmP 平均汽化热 kmolkJxrxrr BBAA 3 42805 乙醇 水筛板塔课程设计 11 13 1 1 tT r c q mP 对 不论 q 1 还是 q 1 13 挟点均是切点 所以最小回流比一样 在 x 0 和25 0 F x x 1 0 之间拟合平衡曲线 2557 0 1963 1exp 2173 0 xy 乙醇 水平衡数据 液相中乙醇的摩尔分 数 气相中乙醇的摩尔分 数 液相中乙醇的摩尔分 数 气相中乙醇的摩尔分 数 0 00 00 250 551 0 010 110 300 575 0 020 1750 400 614 0 040 2730 500 657 0 060 340 600 698 0 080 3920 700 755 0 100 430 800 82 0 140 4820 8940 894 0 180 1530 950 942 0 200 5251 01 0 计算得 6726 0 5445 0 qq yx 19944 0 minmin D L R 根据工艺要求取 1 8 min 0 2 2 1 RRopt skmolRDL 0275 00153 08 1 skmolDRV 0428 00153 0 8 2 1 skmolqFLL 0885 0 乙醇 水筛板塔课程设计 12 skmolFqVV 0358 0 1 精馏段方程 3148 0 643 0 11 xy R X X R R y D 提留段方程 0002 0 47 2 xy X V W x V L y W 2 3 2 理论塔板计算理论塔板计算 58 3 lg 1 1 lg 1 min F F D D x x x x N精馏 29 3 lg 1 1 lg 2 min W W F F x x x x N提馏 87 6 min 全塔 N 根据吉利兰关联图 已知对应29 0 1 min R RR 41 0 1 min T T N NN 取 13 块板 精馏段 7 块 提留段 5 块 塔釜一块 33 12 T N 2 3 3 实际塔板计算实际塔板计算 39 0lg616 0 17 0 1 T E精馏 47 0lg616 0 17 0 1 T E提馏 实际塔板数 29 47 0 5 39 0 7 q N 全塔效率 3 41 29 12 q T T N N E 乙醇 水筛板塔课程设计 13 2 4 操作压力的计算操作压力的计算 取每块板的压降为 0 7KPa 3 塔体的工艺尺寸计算塔体的工艺尺寸计算 3 1 塔径的初步计算塔径的初步计算 3 1 1 气液相体积流量计算气液相体积流量计算 1 精馏段 质量流量 skgLML L 931 0 0275 084 33 11 skgLMV V 049 10275 0 14 38 11 体积流量 sm L L L S 0012 0 53 803 931 0 3 1 1 1 sm V V V s 795 0 32 1 049 1 3 1 1 1 2 提留段 质量流量 skgLML L 903 1 0885 0 5 21 22 skgLMV V 770 0 0358 0 14 38 22 体积流量 sm L L L S 0022 0 65 855 903 1 3 2 2 2 sm V V V s 895 0 86 0 770 0 3 2 2 2 3 1 2 塔径计算塔径计算 板式塔的塔径依据流量公式计算 即 4 s V D u 式中 D 塔径 m 乙醇 水筛板塔课程设计 14 Vs 塔内气体流量 m3 s u 空塔气速 m s 由上式可见 计算塔径的关键是计算空塔气速 u 设计中 空塔气速 u 的计算方法是 先求得最大空塔气速 umax 然后根据设计经验 乘以一定的安全系数 即 max 0 6 0 8 uu 最大空塔气速 umax可根据悬浮液滴沉降原理导出 其结果为 max LV V uC 式中 umax 允许空塔气速 m s V L 分别为气相和液相的密度 kg m3 C 气体负荷系数 m s 对于浮阀塔和泡罩塔可用图 4 1 确定 图中的气体负荷参数 C20仅适用于液体的表面张力为 0 02N m 若液体的表面张力为 6N m 则其气体负荷系数 C 可用下式求得 2 0 20 02 0 CC 所以 初步估算塔径为 u V D 785 0 其中 u 适宜的空塔速度 m s 由于精馏段 提馏段的汽液流量不同 故两段中的气体速度和塔径也可能不同 在 初算塔径中 精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算 提馏段的塔径 可按釜中物料的有关物理参数计算 也可分别按精馏段 提馏段的平均物理参数计算 图中 HT 塔板间距 m hL 板上液层高度 m V L 分别为塔内气 液两相 体积流量 m3 s V L 分别为塔内气 液相的密度 kg m3 乙醇 水筛板塔课程设计 15 0372 0 32 1 53 803 795 0 0012 0 1 1 1 1 V L S S V L 取 mHT4 0 mhL06 0 mhH LT 34 0 查图得075 0 20 C 083 0 20 15 34 075 0 20 2 02 0 1 20 CC m s05 2 32 1 32 1 53 803 083 0 max u 取安全系数 0 7 则空塔气速smuu 44 1 7 0 max1 D 0 84m 0775 0 86 0 65 855 895 0 0022 0 2 2 2 2 V L S S V L 取 mHT4 0 mhL06 0 mhH LT 34 0 查图得075 0 20 C 092 0 20 12 54 075 0 20 2 02 0 2 20 CC smu 90 2 86 0 86 0 65 855 092 0 max 取安全系数 0 7 则空塔气速smuu 03 2 7 0 max2 D 0 75m 精馏段与提留段相差不大 根据 JB 1153 73 圆整塔径取 D 1m 22 785 0 4 mDAT 实际气速 精馏段 提留段mu795 0 mu895 0 3 2 塔体有效高度的计算塔体有效高度的计算 mHNZ TP 2 114 0 129 1 乙醇 水筛板塔课程设计 16 3 3 精馏塔的塔高计算精馏塔的塔高计算 实际塔板数 块29 P N 选取每 9 层塔建立一个人孔 故人孔数为 3 个 设人孔处的板间距 mHP6 0 进料段高度 mHF5 0 取mHH TD 72 08 1 取塔底停留时间为 5min mHB44 1 1 785 0 0022 0 60 5 2 BFPTPD HHHSHSNHH 2 14 06mH 3 4 溢流装置溢流装置 3 4 1 堰长堰长 mDlw65 0 65 0 3 4 2 溢流堰高度溢流堰高度 选用平直堰 owLw hhh 3 2 3600 1000 84 2 w s ow l L Eh E 近似取 1 计算得 精馏段 mhow012 0 mhhh owLw 048 0 提留段 mh ow 017 0 乙醇 水筛板塔课程设计 17 mhhh owLw 043 0 3 4 3 弓形降液管宽度和截面积弓形降液管宽度和截面积 因为 查弓形降液管参数图得65 0 D lw 072 0 T f A A 12 0 D Wd 故 2 057 0 072 0 mAA Tf mDWd12 012 0 根据验算降液管内停留时间 h Tf L HA3600 精馏段 ss519 提留段 ss536 10 故设计合理 3 4 4 降液管底隙高度 0 h 1 精馏段 取降液管底隙的流速smu 08 0 0 则m ul L h w s 023 0 0 1 0 2 提留段 取降液管底隙的流速smu 08 0 0 则m ul L h w s 042 0 0 2 0 3 5 塔板布置塔板布置 3 5 1 塔板的分块塔板的分块 因为故塔板采用分块式 查塔板分块相关资料mmD800 塔径 14001400 16001600 1800 分块数334 乙醇 水筛板塔课程设计 18 故分 3 块 3 5 2 边缘区宽度的确定边缘区宽度的确定 取 mWW ss 07 0 mWc035 0 3 5 3 开孔区面积计算开孔区面积计算 开孔区面积按下式计算 即 a A sin 180 2 1 2 22 r xr xrxAa 其中mWW D x sd 31 0 07 0 12 0 2 1 2 mW D r c 47 0035 0 2 1 2 故 21 2 22 54 0 sin 180 2m r xr xrxAa 3 5 4 筛孔计算及其排列筛孔计算及其排列 由于乙醇和水物系无腐蚀性 可选用碳钢板 取筛孔直径筛孔按正三mm3 mmd5 0 角形排列 取孔中心距 t 为 mmdt153 0 筛孔数目 n 为 个2772 155 1 2 t A n a 开孔率为 1 10 907 0 2 0 t d 气体通过阀孔的速度 精馏段 sm A V u s 58 14 54 0 101 0 795 0 0 1 0 乙醇 水筛板塔课程设计 19 提留段 sm A V u s 41 16 54 0 101 0 895 0 0 1 0 4 筛板的流体力学验算筛板的流体力学验算 4 1 塔板压降塔板压降 4 1 1 干板阻力干板阻力 051 0 2 0 0 L v c c u h 由查图67 1 3 5 0 d 772 0 0 c 故 精馏段 mhc030 0 53 803 32 1 772 0 58 14 051 0 2 提留段 mhc023 0 65 855 86 0 772 0 41 16 051 0 2 4 1 2 气体通过液层的阻力气体通过液层的阻力 Ll hh fT s a AA V u va uF 0 精馏段 smua 09 1 25 1 5 05 0 0 mskgF 查充气系数关联图可知 62 0 mhhhh owlLl 044 0 提留段 smua 23 1 乙醇 水筛板塔课程设计 20 14 1 5 05 0 0 mskgF 查充气系数关联图可知 64 0 mhhhh owlLl 049 0 4 1 3 液体表面张力的阻力 很小可以忽略不计 液体表面张力的阻力 很小可以忽略不计 4 1 4 气体通过每层板的压降气体通过每层板的压降 lcp hhh ghP Lp 精馏段 mhhh lcp 074 0 PaghP Lp 583 提留段 mhhh lcp 072 0 PaghP Lp 604 4 2 液沫夹带液沫夹带 2 3 6 107 5 fT a L V hH u e mhh Lf 15 0 5 2 精馏段 气液气液kgkgkgkg hH u e fT a V 1 0 029 0 107 5 2 3 1 6 提留段 气液气液kgkgkgkg hH u e fT a V 1 0 017 0 107 5 2 3 2 6 故设计符合要求 乙醇 水筛板塔课程设计 21 4 3 漏液漏液 v oM F u 0 筛板塔动能因子 8 10 取 9 精馏段 smusmuoM 58 14 83 7 0 提留段 smusmuoM 41 16 70 9 0 稳定系数 86 1 1 K 69 1 2 K 故本设计无明显液漏 4 4 液泛液泛 wTd hHH dLpd hhhH 乙醇 水体系不宜发泡 故安全系数取6 0 精馏段 mhH wT 27 0 muhd001 0 153 0 2 0 mhHmhhhH wTdLpd 27 0 135 0 提留段 mhH wT 27 0 muh d 001 0 153 0 2 0 mhHmhhhH wTdLpd 27 0 133 0 故本设计不会产生液泛 乙醇 水筛板塔课程设计 22 5 塔板负荷性能图塔板负荷性能图 5 1 漏液线漏液线 VLL hCu 13 0 0056 0 4 4 0min 0 0 min 0 min A Vs u owwL hhh 3 2 1000 84 2 w h ow l L Eh 推出 精馏段 3 2 15 7441 3 19 0 min ss LV 提留段 3 2 54 12057 5 19 0 min ss LV 精馏段 S L 0 00100 00080 0006 s V 0 3870 3820 377 提留段 S L 0 00100 00080 0006 s V 0 4950 4880 482 5 2 液沫夹带线液沫夹带线 已为限 求气液 kgkgeV 1 0 SS LV 2 3 6 107 5 fT a L V hH u e 乙醇 水筛板塔课程设计 23 S fT S a V AA V u37 1 5 25 2 owwLf hhhh 3 2 65 0 3600 1 1000 84 2 S ow L h 精馏段 mhw048 0 3 2 89 0 sow Lh 3 2 23 2 12 0 sf Lh 3 2 23 2 28 0 sfT LhH 3 2 2 3 1 6 01 1251 1 1 0 107 5 ss fT a V LV hH u e 提留段 mh w 043 0 3 2 89 0 sow Lh 3 2 23 2 11 0 sf Lh 3 2 23 2 29 0 sfT LhH 3 2 2 3 1 6 87 1380 1 1 0 107 5 ss fT a V LV hH u e 精馏段 S L 0 00100 00080 0006 s V 1 3901 4071 425 提留段 乙醇 水筛板塔课程设计 24 S L 0 00100 00080 0006 s V 1 6611 6801 70 5 3 液相负荷下限线液相负荷下限线 对于平直堰 取堰上液层高度作为最小液体负荷的标准 mhow006 0 006 0 3600 1000 84 2 3 2 w s ow l L Eh smLs 00030 0 3 min 据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷下限线 5 4 液相负荷上限线液相负荷上限线 以作为液体在降液管中停留的时间的下限 s5 5 s Tf L HA sm HA L Tf s 0046 0 5 max 据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷上限线 5 5 液泛线液泛线 根据筛板流体力学验算过程液泛部分的计算 可整理得 3 2 22 sss LdLcbVa L V cA a 2 00 051 0 wT hHb 1 2 0 153 0 hl c w 乙醇 水筛板塔课程设计 25 3 2 3600 1 1000 84 2 w l Ed 带入相关数据得 精馏段 047 0 051 0 2 00 L V cA a 19 0 1 wT hHb 17 157 153 0 2 0 hl c w 44 1 3600 1 1000 84 2 3 2 w l Ed 3 2 22 44 117 15719 0 047 0 sss LLV 3 2 22 63 30 0 3344043 4 sss LLV 提留段 029 0 051 0 2 00 L V cA a 20 0 1 wT hHb 28 205 153 0 2 0 hl c w 46 1 3600 1 1000 84 2 3 2 w l Ed 3 2 22 46 1 28 20520 0029 0 sss LLV 3 2 22 34 50 6 7078897 6 sss LLV 精馏段 S L 0 00100 00080 0006 s V 2 0032 0052 007 提留段 S L 0 00100 00080 0006 乙醇 水筛板塔课程设计 26 s V 2 5272 5412 557 5 6 图表汇总及负荷曲线图图表汇总及负荷曲线图 精馏段 负荷线 S V S L 0 0010 00080 0006 漏液线0 3870 3820 377 液沫夹带线1 3901 4071 425 液相负荷下限线0 0003 液相负荷上限线0 0046 液泛线2 0032 0052 007 提留段 负荷线 S V S L 0 0010 00080 0006 漏液线0 4950 4880 482 液沫夹带线1 6611 6801 70 液相负荷下限线0 0003 液相负荷上限线0 0046 液泛线2 5272