化工原理课程设计

1、 化工原理课程设计 乙醇水筛板塔分离设计 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 目录(一) 设计方案的确定3(二) 精馏塔的物料衡算32.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数32.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量32.3 物料衡算3(三) 塔板数的确定43.1 理论塔板数NT的求取43.1.1乙醇与水的平均相对挥发度的计算43.1.2最小回流比及操作回流比计算43.1.3求精馏塔的气、液相负荷43.1.4 逐板法求塔板数43. .2 实际板层数的求取5（四） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算54.1操作压力的计算54.2 操作温度计算64.3 平均摩尔质量计算64.4

2、平均密度计算74.5 液体片平均表面张力计算84.6 液体平均黏度的计算8（五） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算95.1塔径的计算95.2 精馏塔有效高度的计算10(六)塔板主要工艺尺寸的计算106.1 溢流装置计算106.1.1 堰长 lw106.1.2溢流堰高度 hw106.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af106.1.4 降液管底隙高度 h0116.2 塔板布置116.2.1 塔板的分块116.2.2 边缘区宽度确定116.2.3 开孔区面积的计算116.2.4 筛孔计算及其排列12(七) 塔板的流体力学验算127.1 塔板压降127.1.1 干板阻力 hc 计算127.1.2 气体通过液层

3、的阻力 h1 计算127.1.3 液体表面张力阻力 h计算127.2 液面落差137.3 液沫夹带137.4 漏液137.5 液泛13（八）塔板负荷性能图148.1 漏液线148.2 液沫夹带线148.3 液相负荷下限线158.4 液相负荷上限线158.5 液泛线15（九）精馏塔接管尺寸计算179.1 塔顶蒸汽出口管径计算179.2 回流液管径计算179.3加料管径计算179.4 塔底釜液出口17(十)所设计筛板塔的主要结果汇总如下表17（十一） 设计过程的评述和讨论18(1) 设计方案的确定 本设计任务为分离乙醇水的混合物。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

4、液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器全凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属于分离体系，操作回流取最小回流的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。(2) 精馏塔的物料衡算 2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 乙醇的摩尔质量 M乙醇=46kg/kmol 水的摩尔质量 M水=18kg/kmol XF=0.170 XD=0.82 XW=0.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 MF=XF46+(1-XF)18=0.1746+(1-0.17)18=22.76kg/kmol MD=XD46+(1-XD)1

5、8=0.8246+(1-0.82)18=40.96kg/kmol MX=XW46+(1-XW)18=0.46+(1-0.)18=18.02kg/kmol2.3 物料衡算 原料处理量 F=（6500100030024）/22.76=39.67kmol/h 总物料衡算 F=D+W 乙醇物料衡算 FXF=DXD+WXW 联立两式得 D=8.19kmol/h W=31.48kmol/h(3) 塔板数的确定3.1 理论塔板数NT的求取3.1.1乙醇与水的平均相对挥发度的计算 已知乙醇的沸点为78.3C，水的沸点为100C 查阅数据得到当温度为78.3C时，乙醇饱和蒸汽压P乙醇=101.33kpa 水的饱

6、和蒸汽压 P水=44.2kpa 乙醇与水的相对挥发度1=2.92 当温度为100C时，乙醇饱和蒸汽压P乙醇=226.16kpa 水的饱和蒸汽压 P水=101.32kpa 乙醇与水的相对挥发度2=2.32 平均挥发度=2.30 3.1.2最小回流比及操作回流比计算 因为进料方式为泡点进料，故q=1，Xq=XF Rmin=- Rmin=-=3.27 R=1.53.27=4.913.1.3求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=4.918.19=40.21 V=(R+1)D=(4.91+1)8.19=48.40 L=L+F=40.21+39.67=79.88 V=V=48.403.1.4 逐板法求塔板数

7、因XF=0.170 XD=0.82 XW=0. q=1 R=4.91 =2.30 则相平衡方程 x= 精馏段操作线方程 y=xxD=0.831x0.139 提馏段操作线方程 y=x-xw=1.661x-0. 联立以上两个操作线方程得两式交点横坐标XF=0.1681 理论板数计算：先交替使用相平衡方程与精馏段操作线方程计算如下 y1=xD=0.82x1=0.66 y2=0.6875x2=0.4889 y3=0.5453x3=30.3427 y4=0.4238x4=0.2423 y5=0.3404x5=0.1833 y6=0.2913x6=0.1516 XF=0.1681 第6板为加料板 以下交替

8、使用提馏段操作线方程与相平衡方程计算 x6=0.1516 y7=0.2496x7=0.1263 y8=0.2079x8=0.1024 y9=0.1685x9=0.0.08097 y10=0.1331x10=0.06258 y11=0.1027x11=0.04740 y12=0.0777x12=0.03533 y13=0.05779x13=0.02597 y14=0.04234x14=0.01886 y15=0.03061x15=0.01354 y16=0.02183x16=0. y17=0.01535x17=0. y18=0.01059x18=0. y19=0.x19=0. y20=0.x20

9、=0. y21=0.x21=0. y22=0.x22=0. 5s 同理，提馏段的为 =31.82s 5s 故降液管设计合理6.1.4 降液管底隙高度 h0 h0=,取u。=0.08m/s 则 h0= hw-h0=0.04421-0.0101=0.03411m 大于0.006m 同理，提馏段h0=0. hw-h0=0.04565-0.=0.03906m 大于0.006m 故降液管底隙高度设计合理6.2 塔板布置6.2.1 塔板的分块 因D小于800mm，故塔板采用整块式6.2.2 边缘区宽度确定 取Ws=Ws=0.065m, Wc=0.03m6.2.3 开孔区面积的计算 Aa=2(x+sin-1

10、) 其中 x=D/2-(Wd-Ws)=0.6/2-(0.096-0.065)=0.269m r=D/2-Wc=0.6/2-0.030=0.270m 同理，提馏段的为x=0.269m,r=0.270m 故 Aa=2sin-1)=0.1230 同理，提馏段的为Aa =0.12306.2.4 筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用=3碳钢板，取筛孔直径d0=5筛孔按正三角形排列，取空中心距t 为 t=3t0=35=15 筛孔数目n为 n=631.4同理，提馏段的为 n=631.4开孔率为=0.907()2=0.9072=10.1%同理，提馏段的为=10.1%气体通过阀孔的气速为u0=同理，

11、提馏段的为 u0=32.56m/s(7) 塔板的流体力学验算7.1 塔板压降7.1.1 干板阻力 hc 计算 干板阻力 hc=0.051()() 由d0/=5/3=1.67,查阅干筛孔的流量系数图得，C0=0.772 故hc=0.051()2()=0.1177m液柱 同理，提馏段的为 hc=0.07830m液柱7.1.2 气体通过液层的阻力 h1 计算 气体通过液层的阻力： h1=hL ua=1.535m/s F0=1.535=1.6501/2(sm1/2) 同理，提馏段的为 ua=1.581m/s F0=1.4271/2(sm1/2) 查充气系数关联图，得=0.58 =0.60 故 h1=h

12、L=0.85(0.04421+0.)=0.029m 同理， h1=0.030m7.1.3 液体表面张力阻力 h计算 液体表面张力所产生的阻力： h=0.m 同理，提馏段的为 h=0.m 气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即 hp=hc+h1+h hp=0.1177+0.029+0.=0.1503m 同理，提馏段的为 hp=0.1131m 气体通过每层塔板的压降为 p=hpL1g=0.1503835.429.81=1231.8pa 同理，提馏段的为 p=1047.7pa 由于计算结果均小于0.7kpa，均为设计允许值7.2 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7.3

13、液沫夹带液沫夹带量由公式计算，即 Ev=5.710-6ua/(HT-hf)3.2 /m Hf=2.5hL=2.50.05=0.125m 故 eV=3.2=0.0012液/气同理，提馏段的为 eV=0.液/气由于计算结果均小于0.1液/气，故在本设计中液沫夹带量在允许范围内7.4 漏液对筛板塔，漏液点气速： u0，min=4.4C0 =4.400.772=8.437m/s 实际孔速u0=31.61 同理，提馏段的为u0，min=9.848m/s,u0=32.56m/s 稳定系数K=3.747，K=3.306 由于稳定系数均大于1.5，故在本设计中无明显漏液7.5 液泛 为防止塔内发生液泛，降液管

14、内液层高Hd应服从下面关系式，即 Hd=(HT-hw) 乙醇水系属于一般物系，取=0.5 (HT-hw)=0.5(0.45+0.4421)=0.2471 同理，提馏段的为 (HT-hw)=0.1978 而 Hd=hp+hL+hd 板上不设进口堰，故 hd=0.153(u0)2=0.0153(0.09)2=0.001m液柱 Hd=0.150.+0.05+0.001=0.2013m液柱 (HT-hw) 同理，提馏段的为 hd=0.1641m液柱 (HT-hw) 故在本设计中不会发生液泛现象（八）塔板负荷性能图 8.1 漏液线 由 u0，min=4.4C0，u0，min=，hL=hw+how how

15、=2/3 得 Vs,min=4.4C0V0 =4.4C0V0 故 Vs,min=0.0422 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值 表8-1 漏液线计算结果 Ls/(m3/s) 0.005 0.010 0.015 0.020Vs/(m3/s) 0.0122 0.0129 0.0135 0.014 由上表可以画出漏液线18.2 液沫夹带线 以ev=0.1液/气为限，求VsLs关系如下： 由 ev=5.710(-6)(ua/(HT-hf)3.2/L ua= 同理，提馏段的为ua=3.9Vs hf=2.5hL=2.5(hw+how) hw=0.045 how=12/3=1.549Ls2/

16、3 同理，提馏段 hw=0.045 how=1.549Ls2/3 故 hf=2.5hL=2.5(0.045+1.549Ls2/3)=0.1125+3.873Ls2/3 HT-hf=0.45-0.1125-3.873Ls2/3=0.3375-3.873Ls2/3 同理，提馏段的为 HT-hf=0.285-3.873Ls2/3 eV=3.2=0.1 整理得 Vs=0.7769-8.916Ls2/3 在操作范围内，任取几个值，依上式计算，计算结果如下 表82 液沫夹带线计算结果Ls/(m3/s)0.00060.00150.00300.00.45Vs/(m3/s)0.71340.66000.59140

17、.5327 由上表可以画出液沫夹带线28.3 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准，得 How=)2/3取 E=1，则 Ls,min=2/3=0.m2/s同理，提馏段的为 Ls,min=0.m2/s 据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线38.4 液相负荷上限线 以=4s 作为液体在降液管中停留时间的下限，得 =4 故 Ls,min=0.m3/s 同理，提馏段的为 Ls,min=0.m3/s 据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线48.5 液泛线 令 Hd=（HT-hw）由 Hd=hp+hL+hd ; hp=hc+hl+h ; h1=hL

18、 ; hL=hw+how联立得 HT+(-1)hw=(+1)how+hc+hl+h忽略h，将Ls、hc与Vs得关系式代入上式，并整理得aVs2=b-cLs2-dLs2/3式中 a= b=HT+(-1)hw c=0.153/(lwh0)2 d=2.840.001E(1+)()2/3将有关数据代入，得 a=0.1445 b=0.50.45+(0.5-0.58-1)0.04421=0.2202 c=0.153/(0.426h0)=577.46 d=2.840.0011(1+0.58)()2/3=1.862故 Vs2=1.524-3996.26Ls2-12.89Ls2/3在操作范围内，任取几个值，依上

19、式计算，结果如下 表 83 Ls Vs值Ls/(m3/s)0.00060.00150.00300.00.45Vs/(m3/s)1.4311.3461.2201.092 由上式数据即可做出液泛线5 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图所示 在负荷性能图上，做出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查的 Vs,max=1.201m3/s Vs,min=0.187m3/s 故操作弹性为 =1.201/0.187=6.422（九）精馏塔接管尺寸计算 9.1 塔顶蒸汽出口管径计算精馏段的气相体积流速为Vs=0.3927m3/s,在常压

20、操作，故取流速为u=10m/s。由公式d=得： d=0.224m按标准管径圆整后为：d=250mm9.2 回流液管径计算精馏段的液相流速为 Ls=0.m3/s,在常压操作，故取流速为u=0.5m/s。 d=得： d=0.0296m按标准管径圆整后为：d=30mm9.3加料管径计算 由前面计算得Ls=0.m3/s d=得： d=0.0120mm按标准管径圆整后为：d=15mm9.4 塔底釜液出口 由前面计算得 Vs=0.4045m3/s d=得： d=0.179m 按标准管径圆整后为：d=180mm(十)所设计筛板塔的主要结果汇总如下表序号 项目 数值 1 平均温度tm,oC 82.79 2 平均压力Pm，kpa 113.7 3 气相流量Vs，（m3/s） 0.3927 4 液相流量Vs，（m3/s） 0. 5 实际塔板数 43 6 有效高度Z，m 16.1 7 踏径，m 0.6 8 板间距，m 0.45 9 溢流形式 双溢流 10 降液管形式 弓形 11 堰长，m 0.426 12 堰高，m 0.0442113 板上液层高度，m 0.00514 堰上液层高度