化工原理课程设计

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 28学生姓名蔡文震指导老师覃吴目录一、化工原理课程设计任务书 4设计题目 4原始数据及条件： 4二、塔板工艺设计 4精馏塔全塔物料衡算 4乙醇和水的物性参数计算 5温度 5密度 6相对挥发度 9混合物的黏度 9混合液体的表面张力 9塔板的计算 10q、精馏段、提留段方程计算 10理论塔板计算 12实际塔板计算 12操作压力的计算 13三、塔体的工艺尺寸计算 13塔径的初步计算 13气液相体积流量计算 13塔径计算 13塔体有效高度的计算 15精馏塔的塔高计算 16溢流装置 16堰长 16溢流

2、堰高度 16弓形降液管宽度和截面积 17塔板布置 17塔板的分块 17边缘区宽度的确定 18开孔区面积计算 18筛孔计算及其排列 18四、筛板的流体力学验算 19塔板压降 19干板阻力 19气体通过液层的阻力 19液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计） 20气体通过每层板的压降 20液沫夹带 20漏液 21液泛 21五、塔板负荷性能图 22漏液线 22液沫夹带线 . 22液相负荷下限线 . 24液相负荷上限线 . 24液泛线 24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化工原理课程设计任务书设计题目分离乙醇一水筛板精

3、馏塔的设计原始数据及条件：生产能力：年处理乙醇一水混合液万吨/年（约为87吨/天）。原料：来自原料罐，温度 20C，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。1、塔板工艺设计精馏塔全塔物料衡算F：进料量（Kmol/s ）XF :原料组成D：塔顶产品流量（Kmol/s ） XD :塔顶组成W塔底残液流量（Kmol/s ） XW :塔底组成46原料乙醇组成：Xf4625%F 465446 1895塔顶组成：Xd 95气观14%46 180.05塔底组成:XW460.020

4、%W 0.05 99.546180.05 0.95、2.6 10000 1000 （ ）进料量：F 2.6万吨 /年46180.0540Kmol/s300 24 3600物料衡算式：F=D+WF XF D XD W XW联立求解：D =sW =s乙醇和水的物性参数计算温度常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系温度TC液相中乙醇的摩尔分率 %气相中乙醇的摩尔分率 %100根据表中数据可以求得tF tD tWi t . 827 823tF82.7tF 82.46C'F 23.3126.082523.3178.4178.15tD78.412 tD :2.74.7289.4388.14 74.

5、72tD 78.17Ctw 99.95Cc 100 95.5tW 100.tw ： 0 1.900.020 04.精馏段平均温度：t1tF tD80.32C25.提留段平均温度：t2tF tw 91 91r2密度已知：混合液密度：1laAaBAB混合气密度：VT0PM22.4TF0塔顶温度：tD78.17C气相组成：yD.78.4178.1578.1778.15yD"78.1589.43100 y d89.43进料温度：tF82.46C气相组成：yF82.782.382.4682.7yF54.4555.80100 yF54.4588.56%55.26%塔底温度：tw 99.95 C气

6、相组成：10095.5100 99.95yW: 0 17.00 100yWyW 019%(1)精馏段液相组成：XdXf56.57%2气相组成：y1yDyF71.91%2所以Ml1460.565718 (10.5657)33.84kg / molM V1460.719118 (1 0.7191)38.13kg / mol(2) 提留段液相组成：X2XwXf12.51%2气相组成：y2yWyF27.72%2所以M L2460.125118 (1 0.1251)21.50kg/ molM V2 46 0.2772 18 (10.2772)25.76kg/mol不同温度下一寸与水的密度表温度T,C70

7、8090100110A,kg /m3B,kg /m3tF 82.46C809082.46 80CF:742.3730.1cf 742.3809082.46 80wF:971.8965.3wf 971.810.461 0.46F739.3970.2tD78.17C708078.17 70CD:754.2742.3cd 754.2708078.17 70wD:977.8971.8wd 977.8CF 739.3kg / m3 wf 970.2kg/m33F 848.3kg/m3cd 744.5kg/ m3wd 972.9kg /m310.9210.92D 744.5972.9D 758.75kg/

8、m3tW99.95C9010099.95 90CW730.1 717.4cw 730.1CW717.46kg/m390 10099.95 90958.43kg /m338.14kg/ mol10.00511 0.005w 952.54kg / mW717.46958.43所以L1F2D803.53kg /m3FW855.65kg/m3L22M LD46XD18(1xD)42.68kg / molMlf46XF18(1xF) 25kg / molM LW46Xw18(1X) 18.00kg/ molM L1M LDMLF33.84kg / mol2M L2M lw M|"lf21.5k

9、g / mol2M VD46yD18(1yD)42.80kg / molM VF4618(1yF)33.47kg / molM VW4618(1yw) 18.05kg/molwWwD965.3 958.4ww 965.3M V1M VD M VFM vw M vfV1T0 M V13H 1.32kg/m3M V225.76kg / molV2T0 M V222.4t；0.86kg/m3相对挥发度xF 25%yF 55.26%0.55260.251 0.55261 0.253.71xD 88.14% yD 88.56%0.88560.8814D 1 0.88561 0.8814Xw 0.020%

10、yw 0.19%0.19%0.02%1 0.19%1 0.02%9.52(1 )精馏段平均相对挥发度2.38(2)提留段平均挥发度6.62混合物的黏度6t1 80.32C查手册得 水 0.3565mpa?s乙醇t291.21C查手册得 水0.3130mpa?s乙醇0.495mpa? s0.425mpa?s(1) 精馏段黏度:1 乙醇 x1水(1- Xj) 0.4348mpa ?s(2) 提留段黏度：2 乙醇 x2水(1 -x2) 0.3270mpa?s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:0.07275 ?1 0.002 仃 291)所以可以求得WF 63.37mN/m,

11、 WD 63.99mN/m, WW 60.83mN/m乙醇的查取表可以通过内插法算得液体 表面张力 温度60 C80 C100 C乙醇mmm'wf 17.07 mN / m ,、WD17.47mN /m,、WW15.51mN / m塔顶表面张力：4D(1Xd)4WDXd4、WD ，D20.87mN /m4F(1Xf )4WFXf4、WF ，F47.42mN /m4W(1Xw)VWWXd4、WW,W60.82mN/m(1) 精馏段的平均表面张力：1 空87 4742 34.15mN/m260 8247 42(2) 提馏段的平均表面张力：254.12mN/m2塔板的计算q、精馏段、提留段方

12、程计算Xf 0.25泡点温度C平均温度：82.462051.23C2 2乙醇的摩尔热容 cmA 3.02 46138.92kJ/kmol ?K乙醇的摩尔汽化焓rA 914.2 4642053.2kJ / kmol51 23 51 水的摩尔热容 cmB 18 4.178 (4.183 4.178)75.2kJ / kmol ? K60 50水的汽化潜热 rB 2392 1843056kJ / kmolCmP CmAXA Xb 91.13kJ /(kmol ?K)平均汽化热r rAxA rBxB 42805.3kJ / kmolq 1 CmP(T t) 1.13r对xf 0.25 不论q=1还是q

13、=挟点均是切点。所以最小回流比一样，在x=0.和x=之间拟合平衡曲线y 0.2173exp(1.1963x) 0.2557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 数乙醇-水相平衡图亠乙醇-水相平衛图计算得(xq,yq)(0.5445,0.6726)Rmin *) min 0.9944 1&pt (1.2 2.0)Rmin根据工艺要求取L RD 1.8 0.0153 0.0275kmol/sV (R 1)D2.8 0.01530.0428kmol/sL' L qF 0.0885kmol/sV' V (q 1)F0

14、.0358kmol/s精馏段方程：ExR 1XdR 1y 0.643x 0.3148提留段方程:y -L-x WXw V' V'y 2.47x 0.0002理论塔板计算)-3.58|g亠？N精馏min1 Xd Xflg 1N提馏minlg 2?1 Xw)3.29N全塔min6.87根据吉利兰关联图，已知R Rmin 0.29对应凹一N0.41精馏段7块，提留段5块（塔釜一块）R 1Nt 1实际塔板计算E 精馏 t0.17 -0.616lg 10.39E 提馏 t 0.17 -0.616lg 10.47实际塔板数：7Nq290.390.47全塔效率：EtNt12Nq 2941.3

15、%Nt 12.33 取 13 块板,操作压力的计算取每块板的压降为三、塔体的工艺尺寸计算塔径的初步计算气液相体积流量计算(1 )精馏段:质量流量：Ml丄33.840.02750.931kg/syM v丄38.140.02751.049kg / s体积流量：1Li0.9310.0012m3 /sS1L1803.53Vs1V1V11.0491.3230.795m/ s(2 )提留段：质量流量：L2ML2L'21.50.08851.903kg/sV2Mv2L'38.140.03580.770kg/s体积流量：LS2L21.9030.0022m3/sL2855.65Vs2汇V20.77

16、00.860.895m3/s塔径计算板式塔的塔径依据流量公式计算，即4Vs式中 D塔径m3Vs 塔内气体流量m/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U (0.6 0.8) Umax最大空塔气速Umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为Umax C式中 Umax所以，初步估算塔径为:D/0.785U允许空塔气速，m/s;P v,p 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仅适用于液体

17、的表面张力为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：0.150,030.020.04 Q.Oft 0*1m/s。其中，u适宜的空塔速度，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。讥060.050.C4（令）（壬）'图中HT 塔板间距，m； hL 板上液层高度， m； V丄 分别为塔内气、液两相体积 流量，m3/s； p V,p L 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3叱 J80!53

18、 0.03720.795 1.32取 Ht 0.4mhL 0.06m HT hL 0.34m查图得C200.075C C20(2T 0-075 (320护 0-083Umax0.083803.53 1.32V 1.322.05 m/s取安全系数则空塔气速 比 0.7umax 1.44m/sD=Ls2/ L20.0022855.65 J0.0775VS2 V20.895. 0.86取 Ht 0.4mhL 0.06m Ht hL 0.34m查图得C200.075C C20(27 °.075 (警卢 °.°92U max0.092855.65 0.86Y 0.862.9

19、0m/s取安全系数则空塔气速 u20.7u'max 2.03m/sD=精馏段与提留段相差不大，根据 JB-1153-73圆整塔径取A D20.785m24实际气速：精馏段 u 0.795m，提留段u' 0.895mD=1m塔体有效高度的计算Z (NP 1)Ht (29 1)*0.4 11.2m精馏塔的塔高计算实际塔板数：NP 29块选取每9层塔建立一个人孔，故人孔数为 设人孔处的板间距；HP 0.6 m进料段高度：Hf 0.5m取 Hd 1.8Ht 0.72m取塔底停留时间为 5min5*60*0.002220.785*11.44 mH HD (NP 2 S) Ht S HpH

20、 14.06mHf Hb溢流装置堰长lw 0.65D0.65m溢流堰高度hwhLh°w选用平直堰2.841000E3600LsE近似取1计算得精馏段：how 0.012mhw hL how 0.048m提留段：h'°w 0.017mh'w h、L h'ow 0.043m弓形降液管宽度和截面积因为W 0.65D查弓形降液管参数图得兀 0.0720.12故 Af 0.072片0.057m2Wd 0.12D0.12m丄3600Af H T根据 验算降液管内停留时间Lh精馏段：19s 5s提留段：' 10.36s 5s故设计合理。降液管底隙高度h&#

21、176;（1）精馏段取降液管底隙的流速 u00.08 m/s则 h0LsL 0.023mwU0（2）提留段取降液管底隙的流速 u'0 0.08m/s则 h'0-Ls0.042m1 wU 0塔板布置塔板的分块因为D 800mm故塔板采用分块式。查塔板分块相关资料塔径<14001400160016001800分块数334故分3块边缘区宽度的确定取 Ws W's 0.07 mWc 0.035m开孔区面积计算开孔区面积a按下式计算，即2Aa2(x、r2x2r sin 180其中Dx2(Wd1Ws)£2(0.12 0.07)0.31mD rWc1-0.0350.4

22、7m222f 22 r 1 x2故 A 2(x - r xsin )0.54m180 r3mm碳钢板，取筛孔直径 d0 5mm筛孔按正三筛孔计算及其排列由于乙醇和水物系无腐蚀性，可选用角形排列，取孔中心距t为t 3d0 15mm筛孔数目n为开孔率为詈 2772个pl0.907(； )210.1%气体通过阀孔的速度精馏段：u0s114.58m/sA00.101*0.54提留段:U'oAo0.8950.101*0.5416.4im/s四、筛板的流体力学验算塔板压降干板阻力九 0.051(也)2()c0Ld 5 由 旦 51.67查图c00.7723故精馏段：hc 0.051()2( 1.3

23、2 ) 0.030m 0.772803.53提留段：hc 0.051(.41)2( 0.86 )0.023m0.772855.65气体通过液层的阻力hi hLAt AfF。v精馏段：ua 1.09m/sF01.25kg0.5/(s?m0.5)查充气系数关联图可知0.62hihL(hi h°w) 0.044m提留段：ua 1.23m/sF01.14kg0.5/(s?m0.5)查充气系数关联图可知0.64hih(hi h°w) 0.049m液体表面张力的阻力(很小可以忽略不计)气体通过每层板的压降hp hc hip hp Lg精馏段：hphchl0.074mPhpLg583Pa

24、提留段：hphchl0.072mPhpLg604 Pa液沫夹带6UaEhhf2.5hL0.15m精馏段：eV5.7 10 （也）3'2 0.029kg液 / kg气1H T hf提留段:5.7 10 （ 也）3.20.017kg液 / kg气2H T hf0.1kg液 / kg气0.1kg液 / kg气5.7 10 /eV （H；故设计符合要求漏液FoUoM=v筛板塔动能因子810,取 9精馏段：UoM7.83m/s u014.58m/s提留段：UoM9.70m/s u'016.41m/s稳定系数:K11.86K21.69故本设计无明显液漏液泛Hd (Ht hw)Hd hp h

25、L hd乙醇一一水体系不宜发泡，故安全系数取精馏段：(Ht hw) 0.27m2hd 0.153u00.001mHd hp hL hd 0.135m (Ht hw)提留段：(Ht h'w) 0.27m2h'd 0.153u'00.001mH'd hp hL h；0.133m (Ht h'w)0.60.27m0.27m故本设计不会产生液泛。五、塔板负荷性能图漏液线u0,min4.4Co 贸0.0056 0.13hL) J Vu0,minVs,minA0hLhwhowh°w2.841000L 2E(J)3w推出精馏段：Vs,min0.19?3.41

26、 74.15Ls2提留段：Vs,min0.19 .5.57 120.54Ls3精馏段LsVs提留段LsVs液沫夹带线已e 0.1kg液/kg气为限，求Vs Ls65.7 10 / Ua x 3.2 e(-)LHthf7hf 2.5九25傀九）2h°w2.84*1* 3600Ls 310000.65精馏段：hw°.048 m2how0.89 L?hf 0.12 2.23LS2Ht hf0.28 2.23LI65.7 10 Ua ）3.21（Ht hf）21.51 12.01L1提留段：h'w 0.043 m2h'ow 0.89 L?2hf 0.11 2.23L

27、I2Ht hf0.29 2.23L3ev5.710 6（Ua）3.21（Ht hf）2Vs 1.80 13.87L?精馏段LsVs提留段h°w2.84 E 3600Ls1000 lw230.006Ls,min0.00030m3 / sLSVs液相负荷下限线0W对于平直堰，取堰上液层高度how 0.006m作为最小液体负荷的标准。据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷下限线。液相负荷上限线5s作为液体在降液管中停留的时间的下限,AMtLs5IAfHTLs,max0.0046 m/ s据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷上限线。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

28、2a'Vs2 b' c'L； d'LSa'0.051（AoC。）2b'Ht （1）hwc'0.153（Iwh。）22d'2.843600 3E(1)1000带入相关数据得精馏段：a'0.051(A0C0)20.047b'Ht (1)hw0.19c'0.1532（血）157.17d'竺 W)360010001.440.047Vs20.19 157.17 LS21.44L3Vs24.0433344.0L1230.63L!提留段：a'0.051(g)20.029b'Ht (1)hw0.20c'0.1532（血）205.28d'叫)360010001.4621.46LS32 20.029Vs0.20 205.28Ls2Vs26.897 7078.6 l2 50.34L精馏段LSVs提留段LsVs图表汇总及负荷曲线图精馏段负荷线VsLs漏液线液沫夹带线液相负荷下限线液相负荷上限线液泛线提留段负荷线VsLs漏液线液沫夹带线液相负荷下限线液相负荷上限线液泛线六、主要工艺接管尺寸的计算和选取蒸汽出口管的管径计算由于是常压蒸馏，允许气速：s,本次设计选取15m/s圆整直径：300 8mm回流管的管径计算冷凝器安装在塔顶，一般流速为故选取流速为sd d0.062