精馏塔课程设计食品工程原理

1、广东石油化工学院课程设计说明书课程名称:食品工程原理课程设计题目:乙醇水连续精馏塔的设计学生:陈夫达学号:12114320145 班别:食品12-1 专业:食品科学与工程指导教师:邱松山,李春海日期:2014 年11 月20 日目录一、精馏流程的确定 (6二、课程设计报告内容 (61.塔的物料计算 (61.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数 (71.2 平均摩尔质量 (71.3 物料衡算 (72.塔板数的确定 (82.1 理论塔板数的求取 (82.2 全塔效率 (102.3 实际塔板数 (103.塔点工艺条件及物性数据计算 (103.1 操作压强 (103.2 温度 (103.3 平均摩尔

2、质量 (113.4 平均密度 (123.5 液体表面张力 (133.6 液体黏度 (144.精馏段气液负荷计算 (155.塔和塔板主要工艺尺寸计算 (155.1 塔径 (155.2 溢流装置 (175.3 塔板布置 (195.4 筛孔数与开孔率 (195.5 塔的有效高度(精馏段 (205.6 塔高计算 (206.筛板的流体力学验算 (206.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度 (206.2 雾沫夹带量的验算 (226.3 漏液的验算 (226.4 液泛验算 (227.塔板负荷性能图 (237.1 雾沫夹带线(1 (237.2 液泛线(2 (247.3 液相负荷上限线(3 (257.4 漏液

3、线(气相负荷下限线(4 (257.5 液相负荷下限线(5 (268.筛板塔的工艺设计计算结果总表 (279.精馏塔的附属设备及接管尺寸 (28三、设计小结. 错误!未定义书签。四、主要参考文献. 错误!未定义书签。食品工程原理课程设计任务书1.题目:乙醇-水精馏装置工艺设计2.完成全部任务期限: 2015 年01 月15 日3.设计数据说明(10.5万吨/年(原料: 5000吨/年+学号×1000吨/年 +班号×1000吨/年(5000+45×1000+1×1000=51000吨/年进料状态:冷液体进料或汽液混合物进料。(2年开工时:一年开工按280天计

4、,每天工作时间24小时。(3塔底加热蒸汽压力、塔顶冷凝水进、出口温度、回流比根据情况自己确定(4性质数据:表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数 汽相中乙醇的含量(摩尔分数液相中乙醇的含量(摩尔分数汽相中乙醇的含量(摩尔分数0.0 0.0 0.40 0.614 0.004 0.053 0.45 0.635 0.01 0.11 0.50 0.657 0.02 0.175 0.55 0.678 0.04 0.273 0.60 0.698 0.06 0.34 0.65 0.725 0.08 0.392 0.70 0.755 0.10 0.43 0.75 0.785 0.14 0.4

5、82 0.80 0.82 0.18 0.513 0.85 0.855 0.20 0.525 0.894 0.894 0.25 0.551 0.90 0.898 0.30 0.575 0.95 0.942 0.35 0.595 1.0 1.04.课程设计条件(1原料:乙醇含量:45%(质量分数,原料液温度:40(2塔顶的乙醇含量95%(质量分数(3塔底的乙醇含量1%(质量分数(4中间泡点进料,筛板式连续精馏,其他参数查资料自选。(5年开工280天,连续操作5.课程设计说明书内容要求:(1、设计方案的确定及流程说明。(2、塔的工艺计算:包括全塔物料衡算、塔顶及塔底温度、精馏段和提馏段气液负荷、塔顶

6、冷凝器热负荷、冷却水用量、塔底再沸器热负荷、加热蒸汽用量、塔的理论板数、实际板数。(3、塔的结构设计:塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定;b、塔板的流体力学验算;c、塔板的负荷性能图。(4、附属设备的设计:塔顶冷凝器、塔底再沸器、进料接管、塔顶产品接管、塔底产品接管、塔顶蒸汽接管。(5、计算原料贮罐、回流罐、产品贮罐的体积。(6、撰写设备结果一览表。(见附表1(7、绘制精馏塔的设备图。(8、设计感想、设计评价。(9、参考文献。(10设计说明书书写符合规范,图表书写符合标准。(11说明书语句通顺,层次分明,文字简练,说明透彻。(12对本设计的评论或有关问题的分析讨论。

7、目的:通过课程设计进一步巩固课本所学的内容,培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力,使所学的知识系统化,通过本次设计,应了解设计的内容,方法及步骤,使学生具有调节技术资料,自行确定设计方案,进行设计计算,并绘制设备条件图、编写设计说明书。在常压连续精馏塔中精馏分离含乙醇45%的乙醇水混合液,分离后塔顶馏出液中含乙醇量为95%,塔底釜液中含乙醇为1%(均为质量分数。1.已知参数:(1设计任务(1设计任务进料乙醇 X = 45%(质量分数,下同生产能力 Q = 182t/d塔顶产品组成 =95%塔底产品组成 =1%(2操作条件操作压强:常压精馏塔塔顶压强:Z = 4KPa进料热状态

8、:泡点进料回流比:自定待测冷却水: 20 加热蒸汽:低压蒸汽,0.2 MPa单板压强: 0.7全塔效率:E T = 52 %建厂地址:珠江三角洲地区塔顶为全凝器,中间泡点进料,筛板式连续精馏2.设计内容:(1设计方案的确定及流程说明(2塔的工艺计算(3塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定;b、塔板的流体力学验算;c、塔板的负荷性能图(4设计结果概要或设计一览表(5精馏塔工艺条件图(6对本设计的评论或有关问题的分析讨论一、精馏流程的确定乙醇水混合液经原料预热器加热至泡点后,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凝后送至贮槽。塔釜采用

9、简接蒸汽向再沸器供热,塔底产品经冷却后送入贮槽。二、课程设计报告内容1.塔的物料计算水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质量密度203/kg m沸点101.33kPa比热容(20Kg/(kg.黏度(20mPa.s导热系数(20/(m.表面张力310(20N/m水2H O 18.02998 100 4.183 1.005 0.599 72.8乙醇 25C H OH46.07789 78.3 2.39 1.15 0.172 22.81.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数243.018/5546/4546/45=+=F x88.018/546/9546/95=+=D x 10039.018/99

10、46/146/1=+=W x1.2 平均摩尔质量kmol kg M F /80.2418243.01(46243.0=-+=kmol kg M D /64.421888.01(4688.0=-+=kmol kg M W /11.18180039.01(460039.0=-+=1.3 物料衡算已知:D=182000÷24÷42.64=177.85kmol/h 总物料衡算:F=D+W=177.85+W 易挥发组分物料衡算0.243F=0.88×177.85+0.0039W 联立(1(2可得:W=473.82 kmol/h F=651.67 kmol/h1.4确定冷凝器

11、和再沸器的热负荷r c Q Q ,名称原料液 馏出液 釜残液 %f X45 95 1 摩尔分数%(f X 24.80 42.64 18.11 沸点温度86.9378.193.86全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷:(1(LD VD c I I D R Q -+= 可以查得,/9.254,/1255kg kJ I kg kJ kI LD VD =所以h kJ Q C /10157.19.2541255(64.4285.65112.3(7=-+=取水为泠凝介质,其进出冷凝器的温度分别为25和35,则平均温度下的比热容: ,kg kJ C pc /173.4=于是冷凝水用量可求; h C Q

12、W /kg 27725925-35173.410157.1t -t 712pc c c =(2.塔板数的确定2.1 理论塔板数N T 的求取乙醇水属于理想物系,可采用M.T.图解法求N T 。2.1.1 根据乙醇水的气液平衡数据如下表表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数汽相中乙醇的含量(摩尔分数液相中乙醇的含量(摩尔分数汽相中乙醇的含量(摩尔分数0.0 0.0 0.40 0.614 0.004 0.053 0.45 0.635 0.010.110.500.6570.02 0.175 0.55 0.678 0.04 0.273 0.60 0.698 0.06 0.34 0.6

13、5 0.725 0.08 0.392 0.70 0.755 0.10 0.43 0.75 0.785 0.14 0.482 0.80 0.82 0.18 0.513 0.85 0.855 0.20 0.525 0.894 0.894 0.25 0.551 0.90 0.898 0.30 0.575 0.95 0.942 0.350.5951.01.02.1.2 求最小回流比R min 及操作回流比R因泡点进料,在图1中对角线上自点e (0.0243,0.243作垂线即为进料线(q 线,该线与平衡线的交点坐标为y q =0.54 ,x q = 0.243,此时最小回流比为:15.1243.054

14、.054.0881.0min =-=-=qq q D x y x x R 由于此时乙醇-水系统的平衡曲线有下凹部分,求最小回流比自a 点(x D ,x D 做平衡的切线aq 并延长与y 轴相较于c 点,截距为0.3367.133.033.0881.033.033.0min =-=-=D x R取操作回流比34.367.122min =R R 2.1.3 求理论塔板数N T精馏段方程 : 203.0770.0134.3881.0x 134.334.311+=+=+=x R x x R R y D如图所示按照M.T.图解法作图可知:N T =22(包括再沸器,其中精馏段18层,提馏段4层(包括再沸

15、器第19快为进料板2.2 全塔效率E T根据已知条件,E T = 52 %2.3 实际塔板数N 精馏段 层精357.3252.018=N 提馏段 层提87.752.04N = 3.塔点工艺条件及物性数据计算3.1 操作压强P m塔顶压强 kPa P D 3.1053.1014=+= 取每层压强降 kPa 6.0P =,则进料板压强kPa 3.1266.0353.105P F =+=精馏段平均操作压强:kPa 8.11523.1263.105P M =+=3.2 温度t m根据操作压强,有B B A A x P x P P 00+=纯组分的饱和蒸汽压P 0和温度t 的关系可用安托尼(Antoin

16、e 方程表示,即Ct BA p +-=0lg表2:安托尼公式相关系数A B CCH 3CH 2OH 8.04496 1554.3 222.65 H 2O (60150 7.96681 1668.21 228 H 2O (060 8.10765 1750.286 235注:式中P 为mmHg ,t 为,1mmHg=0.133kpa组分数据:塔顶x A =0.881 x B =0.14 P=105.3kPa 进料x A =0.089 x B =0.911 P=126.3kPa 试差法计算,导入Excel 可得: 塔顶 t D = 78.36 进料 t F = 95.5 此时精馏段平均温度 93.8

17、625.9536.78=+=精m t 3.3 平均摩尔质量M m塔顶 881.01=y x D 665.01=x67.4218881.01(46881.0=-+=VD m M 62.3618665.01(46665.0=-+=LD m M进料板 27.0=F y 089.0=xkmol kg M VFm /56.251827.01(4627.0=-+= kmol kg M LFm /49.2018089.01(46089.0=-+=则精馏段平均摩尔质量:kmol M Vm /kg 10.34256.2564.42(=+=精 kmol M Lm /kg 63.28249.2076.36(=+=精

18、3.4 平均密度m 3.4.1 液相密度Lm 由式LBBLA A Lm+=1(为质量分数 表3 乙醇与水的密度温度/ 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 乙醇密度/kg/m 3795785777765755746735730716703水密度/kg/m 3998.2 995.7 992.2 988.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 951.0已知:LB /1B LA A Lm +=(为质量分数根据表3的密度值,当塔顶温度为78.36,由拉格朗日插值法可知:7358036.787467358090-=-乙 3/kg 8.736m =乙 8

19、.9718036.788.9713.9658090-=-水 3/kg 87.972m =水87.97205.08.73695.01+=LmD 3kg/m 9.745=Lm D 进料板,由加料板液相组成089.0=A x ,进料板温度95.5时196.018089.01(46089.046089.0=-+=A 730905.9573071690100-'-=-乙 3/kg 3.722m ='乙 3.9651005.953.9654.95890100-=-水 3/kg 4.968m ='水4.968196.013.722196.01-+=LmF 3/3.908m kg Lm

20、 F = 故精馏段平均液相密度:3(/1.8273.9089.74521m kg Lm =+=(精3.4.2 气相密度mV 3(/44.11.27393.86(314.810.343.126m kg RT M P Vm m Vm =+=精 3.5 液体表面张力m 表4 乙醇水的表面张力与温度的关系温度/ 2030405060708090100 110表面张力/×103N/m乙醇 22.3 21.2 20.4 19.8 18.8 18 17.1516.2 15.5 14.4水 72.6 71.2 69.6 67.7 66.2 64.3 62.6 60.7 58.8 56.9在塔顶处,温

21、度为78.36,此时 乙醇:15.178036.7815.172.168090-=-乙 m mN /31.17=乙 水:7.608036.786.627.608090-=-乙 m mN /012.61=水 在进料处,温度为95.5,此时 乙醇:2.16905.952.165.1590100-=-乙 m mN /82.15=乙 水:7.60905.957.608.5890100-=-水 m mN /75.61=水=ni i i m x 1m mN m /55.22012.6188.0131.1788.0(=-+=(顶m mN m /66.5775.61089.0182.15089.0(=-+=(

22、进则精馏段平均表面张力为:m mN m /11.40266.5755.22(=+=精3.6 液体黏度Lm 液体的黏度可根据式 BA T A -=1lg 对于乙醇,其中64.686=A ,88.300=B 温度T 黏度mPa ·s 对于水,可根据水的物性参数表知表5 水的黏度与温度的关系温度/ 70 80 90 100 110 黏度/×105Pa ·s 40.6135.6531.6528.3825.89塔顶:88.30064.68636.781.27364.686lg 1-+=-=B A T A m mPa =468.0乙61.407036.7861.4065.35

23、7080-=-水 s 0.365mPa s Pa 1047.365=-水进料:88.30064.6865.9515.27364.686lg 1-+=-=B A T A m mPa =420.0乙65.31905.9565.3138.2890100-=-水 s 0.299mPa s Pa 1085.295=-水=ni ii Lm x 1s mPa L =-+=684.0420.0881.01468.0881.0(顶s mPa L =-+=310.0299.0089.01420.0089.0(进则精馏段平均液相黏度为:s mPa Lm =+=497.02310.0684.0(精4.精馏段气液负荷计

24、算h kmol D R V /57.84685.177176.3(1(=+=+= s m VM V Vm Vm S /57.544.1360010.3457.84636003(=精精h kmol RD L /72.66885.17776.3=s m LM L Lm Lm S /0064.01.827360063.2872.66836003(=精精h m L L S h /04.2336000064.036003=5.塔和塔板主要工艺尺寸计算5.1 塔径D参考表6,初选板间距 m 0.40=T H ,取板上液层高度m h L 06.0=塔径H T /m0.30.50.50.8 0.81.6 1.

25、62.4 2.44.0 板间距H T /m 200300250350300450350600400600m h H T T 34.006.040.0=-=-0276.043.11.827(57.50064.0(2121=V L S S V L 由075.020=C0862.02011.40(075.020(2.02.020=C C s m C u V V L /732.143.143.11.8270862.0max =-=-= 取安全系数为0.70,则s m u u /121.1732.17.070.0max =故 m u V D S 51.3732.114.357.544=(满足0.81.6

26、的范围 按标准,塔径圆整为m 3,则空塔气速为s /m 788.014.3357.54D V 422S =实 一般的,在塔径超过1m 时,应按照200mm 增值定塔径。故取D = 3.0 5.2 溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰,不设进口堰。各项计算如下。图3 溢流装置图 (aU型流(b单溢流(c双溢流(d阶梯式双溢流图4 塔板的结构参数 5.2.1溢流堰长w l取堰长w l 为0.7D ,即m l w 10.20.37.0=5.2.2 出口堰高w h =L ow h h -选用平直堰,堰上液层高度ow h 由下式计算ow h =2/32.841000h w L E L

27、近似取E=1.03,则ow h =0.017 故 w h =0.07-0.017=0.053m5.2.3 降液管的宽度W d 与降液管的面积A f由7.0/=D l W 查图弓形降液管的宽度与面积,得0.145/=D W d 09.0/=T f A A故 m D W d 435.00.3145.0145.0= 222636.03414.309.0409.0m D A f =则液体在降液管中停留的时间以检验降液管面积,即 s L H A S Tf 75.390064.04.0636.0= 因为此值大于5s ,可保证足够的停留时间,使溢流液中夹带的气泡得以分离。5.2.4降液管底隙高度O h取液体

28、通过降液管底隙的流速s m u /10.00=m u l L h W S O 0305.010.010.20064.00='= 5.3 塔板布置(1取边缘区宽度m W C 06.0= ,m W S 08.0=(2开孔区面积 (m W W D x S d 985.008.0435.020.32=+-=+-= m W D R c 44.106.020.32=-=-= 212221222078.244.1985.0sin 44.118014.3985.044.1985.02sin 1802m R x R x R x A a = +-= +-=- 图7 筛孔的正三角形排列5.4 筛孔数n 与开

29、孔率取筛孔的孔径mm d 50=,正三角形排列,一般碳钢的板厚mm 5.3= 若0.3/0=d t ,孔中心距mm t 0.150.50.3= 此时,筛板数为孔77.10694078.215101158(101158(2323=a A t n 开孔区的开孔率为 %1.10%1003907.0%100A A 2a 0= (在5%15%之间 每层塔板上的开孔面积A 0为20185.0078.2089.0m A A a = 气体通过筛孔的气速 s m A V u S/11.30185.057.500=5.5 塔的有效高度Z (精馏段m Z 6.134.0135(=-=5.6 塔高计算略6.筛板的流体

30、力学验算6.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度p h h h h h l c p +=6.1.1 干板压强降相当的液柱高度c h 由43.15.3/5/0=d ,查图干筛孔的流量系数,84.00=C 图8 干筛孔的流量系数m C u h L V c 114.01.82744.184.011.30051.0(051.02200= =6.1.2 气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度l h s m A A V u f T S a /92.2636.08.114.325.057.52=-=-=512.144.126.1=V a a u F 查表充气系数0与a F 的关系,62.00= 图 9 充气系

31、数0与a F 的关系(m h h h h O W W L l 0372.006.062.000=+=6.1.3 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度hm gd h L 00395.0005.081.91.8271011.404430=-故 m h h h h l c p 155.000395.00372.0114.0=+=+= 单板压强降P g h P L p p 7.125781.91.827155.0=(设计允许值6.2 雾沫夹带量Ve 的验算气液气<液kg /kg 1.0kg /037.006.05.24.092.21011.40107.5107.52.3362.36kg h H

32、u e f Ta V =-= -=- 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。 6.3 漏液的验算(mh h C u VL L OW 61.844.11.82700395.006.013.00056.084.04.413.00056.04.40=-+=-+=筛板的稳定性系数(5.1497.361.811.300=OW u u K 故在设计负荷下不会产生过量漏液。 6.4 液泛验算为防止降液管液泛的发生,应使用降液管中清液层高度(W T d h H H +d L p d h h h H +=m hl L h OW Sd 00153.00305.01.20064.0153.0153.022= = =

33、m H d 217.000153.006.0155.0=+=取6.0=,则(236.0053.034.06.0=+=+W T h H故(W T d h H H +,在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项流体力学验算,可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。7.塔板负荷性能图7.1 雾沫夹带线(12.36107.5 -=-f Ta V h H u e 其中S Sf T S a V V A A V u 403.00636.08.114.325.02=-=-=(a ( +=+=-32336001084.25.25.2WSW OW W f l L E h h h h 取近似值0.1E ,m h W

34、 053.0=,m l W 11.2=故 32323416.0133.011.236001084.2053.05.2S S f L L h += +=-(b 取雾沫夹带极限值气液kg /1.0kg e V =,已知m /N 1011.403-=,m H T 4.0=将(a 、(b 式代入,可得:2.33236146.0547.24.0403.01011.40107.51.0-=-S S L V 整理得3254.2335.5S S L V -= (1在操作范围内,任取几个L S 值,依(1式算出相应的V S 值列于下表中。sm L S/3 4106.0- 3105.1- 3100.3- 3105

35、.4-sm V S/35.01 4.71 4.52 4.35依表中数据在VS LS 图中做出雾沫夹带线(1 7.2 液泛线(2联立式可知(d O W W p W T h h h h h H +=+ 近似取0.1E ,m l W 11.2=32332311.236001084.236001084.2 = =-S WSOW L lL E h 故 325651.0S OW L h = 由于 h h h h l c p +=222002000037.06.83630.1175.084.0051.0051.0051.0S S L V S L V c V V A C V C u h = = = =(323

36、20401.0032.05651.0053.062.0S S OW W l L L h h h += +=+= m h 00387.0= 因此,此时可知322322354.00037.0033.000387.0354.0029.00037.0S S S S p L V L V h +=+= 2223.1550306.011.2153.0153.0S S W Sd L L hl L h = = = 由于m H T 4.0=,m h W 053.0=,6.0=,联立上式可知:(2323223.1555651.0053.0354.00037.0033.0047.04.06.0S S S S L L

37、L V +=+整理得下式2322385402.25078.38S S S L L V -= (2在操作范围内取若干L S 值,依式(2计算V S 值,列于下表之中,依表中数据做出液泛线(2。sm L S/3 4106.0- 3105.1- 3100.3- 3105.4-sm V S/36.20 5.95 5.76 5.587.3 液相负荷上限线(3取液体在降液管中停留时间为4s ,由式 s m A H L fT S /051.05636.04.03max ,=(3 液相负荷上限线(3在V S L S 坐标图上为与气体流量V S 无关的垂直线。7.4 漏液线(气相负荷下限线(4由 325651.

38、0053.0S OW W L L h h h +=+= OS OW A V u min ,=代入漏液点气速式:(VL L OOW h h C u /13.00056.043.4-+=44.1/1.82700387.05651.0053.013.00056.084.04.432min ,-+=S S L A V其中,已得出20187.0m A =,代入并整理得:32min ,0722.000764.041.16S s L V += (4此即气相负荷下限关系式,在操作范围内任取n 个L S 值,依式(4计算相应的V S 值,列于下表中,依附表中的数据作气相负荷下限线(4。sm L S/3 4106

39、.0- 3105.1- 3100.3- 3105.4-sm V S/3 1.46 1.54 1.59 1.637.5 液相负荷下限线(5取平堰、堰上液层高度m h W 006.0=作为液相负荷下限条件,取1E ,则 32min ,3600100084.2=W S OWl L E h 32min ,1.23600100084.2006.0=S L 整理上式得s m L S /10895.033min ,-=(5 以此值在V S L S 坐标图上作线(5即为液相负荷下限线。将以上5条线标绘于图中,即为精馏段负荷性能图。5条线包围的区域为精馏段塔板操作区,P 点为操作点,OP 线为操作线。OP 线与线(1的交点相应气相负荷为max ,s V ,OP 线与气相负荷下限线(4的交点相应的气相负荷为min ,s V 可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制,下限由漏液控制。图10 精馏段负荷性能图精馏段的操作弹性90.25.134.4min,max ,=S S V V 8.筛板塔的工艺设计计算结果总表项目