乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計

1、乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計目的：通過課程設(shè)計進一步鞏固課本所學(xué)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論知識進行化工單元過程設(shè)計的初步能力，使所學(xué)的知識系統(tǒng)化，通過本次設(shè)計，應(yīng)了解設(shè)計的內(nèi)容，方法及步驟，使學(xué)生具有調(diào)節(jié)技術(shù)資料，自行確定設(shè)計方案，進行設(shè)計計算，并繪制設(shè)備條件圖、編寫設(shè)計說明書。在常壓連續(xù)精餾塔中精餾分離含乙醇20%的乙醇水混合液，分離后塔頂餾出液中含乙醇量不小于94%，塔底釜液中含乙醇不高于4%（均為質(zhì)量分數(shù)）。已知參數(shù)：（1）設(shè)計任務(wù)l 進料乙醇 X = 20 %（質(zhì)量分數(shù)，下同）l 生產(chǎn)能力 Q = 80 t/dl 塔頂產(chǎn)品組成 94 %l 塔底產(chǎn)品組成 0.1 % （2）操作條件 l 操作

2、壓強：常壓l 精餾塔塔頂壓強：Z = 4 KPal 進料熱狀態(tài)：泡點進料l 回流比：自定待測l 冷卻水： 20 l 加熱蒸汽：低壓蒸汽，0.2 MPal 單板壓強： 0.7l 全塔效率：ET = 52 %l 建廠地址：天津地區(qū)l 塔頂為全凝器，中間泡點進料，篩板式連續(xù)精餾設(shè)計內(nèi)容：（1） 設(shè)計方案的確定及流程說明（2） 塔的工藝計算（3） 塔和塔板主要工藝尺寸的計算（a、塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定；b、塔板的流體力學(xué)驗算；c、塔板的負荷性能圖）（4） 設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表（5） 精餾塔工藝條件圖（6） 對本設(shè)計的評論或有關(guān)問題的分析討論目 錄一、精餾流程的確定3二、課程設(shè)計報告內(nèi)容41

3、.塔的物料計算41.1 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分數(shù)41.2 平均摩爾質(zhì)量41.3 物料衡算42.塔板數(shù)的確定52.1 理論塔板數(shù)的求取52.2 全塔效率72.3 實際塔板數(shù)73.塔點工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算73.1 操作壓強73.2 溫度73.3 平均摩爾質(zhì)量83.4 平均密度83.5 液體表面張力103.6 液體黏度104.精餾段氣液負荷計算115.塔和塔板主要工藝尺寸計算125.1 塔徑125.2 溢流裝置135.3 塔板布置165.4 篩孔數(shù)與開孔率165.5 塔的有效高度（精餾段）175.6 塔高計算176.篩板的流體力學(xué)驗算176.1 氣體通過篩板壓強降相當?shù)囊褐叨?76.2

4、 霧沫夾帶量的驗算196.3 漏液的驗算196.4 液泛驗算197.塔板負荷性能圖207.1 霧沫夾帶線（1）207.2 液泛線（2）217.3 液相負荷上限線（3）227.4 漏液線（氣相負荷下限線）（4）227.5 液相負荷下限線（5）238.篩板塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果總表249.精餾塔的附屬設(shè)備及接管尺寸25三、設(shè)計小結(jié)26四、主要參考文獻26一、精餾流程的確定乙醇水混合液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱至泡點后，送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作為回流，其余為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷凝后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽向再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。二、課程設(shè)計報告內(nèi)容1.塔的物料計算1.1 料液

5、及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分數(shù)1.2 平均摩爾質(zhì)量1.3 物料衡算總物料衡算 輕組分物料衡算 聯(lián)立二式得： 各物料數(shù)值為：2.塔板數(shù)的確定2.1 理論塔板數(shù)NT的求取 乙醇水屬于理想物系，可采用M.T.圖解法求NT。2.1.1 根據(jù)乙醇水的氣液平衡數(shù)據(jù)如下表 液相中乙醇的摩爾分數(shù)氣相中乙醇的摩爾分數(shù)液相中乙醇的摩爾分數(shù)氣相中乙醇的摩爾分數(shù)0.00.00.250.5510.100.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8

6、940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0 表1：乙醇水氣液平衡數(shù)據(jù)2.1.2 求最小回流比Rmin及操作回流比R。因泡點進料，在圖1中對角線上自點e（0.09，0.09）作垂線即為進料線（q線），該線與平衡線的交點坐標為yq = 0.41，xq = 0.09，此時最小回流比為： 由于此時乙醇水系統(tǒng)的平衡曲線有下凹部分，求最小回流比自a點（xD，xD）作平衡線的切線aq并延長與y軸相交于c點，截距為0.28，即 當最小回流比為時，比還要小很多，已出現(xiàn)恒濃區(qū)，需要無窮多塊塔板才能達到g點。所以對具有下凹部分平衡曲線點物系求Rmin時，不能以平衡數(shù)據(jù)（yq，xq）代入。

7、圖 1 M.T.圖解法求NT取操作回流比2.1.3 求理論塔板數(shù)NT精餾段方程 ： 如圖所示按照M.T.圖解法作圖可知：NT=21（包括再沸器），其中精餾段17層提餾段4層（包括再沸器）第18層為進料板。2.2 全塔效率ET 根據(jù)已知條件，ET = 52 %2.3 實際塔板數(shù)N 精餾段 提餾段 3.塔點工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算 3.1 操作壓強Pm 塔頂壓強 取每層壓強降 ，則進料板壓強精餾段平均操作壓強： 3.2 溫度tm 根據(jù)操作壓強，有 純組分的飽和蒸汽壓P0和溫度t的關(guān)系可用安托尼（Antoine）方程表示，即 ABCCH3CH2OH8.044961554.3222.65H2O (601

8、50)7.966811668.21228H2O (060)8.107651750.286235注：式中P為mmHg，t為，1mmHg=0.133kpa表2：安托尼公式相關(guān)系數(shù) 組分數(shù)據(jù)： 塔頂xA=0.86 xB=0.14 P=105.3kPa 進料xA=0.035 xB=0.965 P=125.1kPa 試差法計算，導(dǎo)入Excel可得： 塔頂 tD = 81.47 進料 tF = 104.88 此時精餾段平均溫度 3.3 平均摩爾質(zhì)量Mm塔頂 進料板 則精餾段平均摩爾質(zhì)量： 3.4 平均密度m3.4.1 液相密度Lm 由式 （為質(zhì)量分數(shù)）溫度/2030405060708090100110乙醇

9、密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0表3 乙醇與水的密度已知：（為質(zhì)量分數(shù)）根據(jù)表3的密度值，當塔頂溫度為81.47，由拉格朗日插值法可知： 進料板，由加料板液相組成，進料板溫度104.88時 故精餾段平均液相密度： 3.4.2 氣相密度3.5 液體表面張力溫度/2030405060708090100110表面張力/103N/m乙醇22.321.220.419.818.81817.1516.215.514.4水72.671.269.667

10、.766.264.362.660.758.856.9 表4 乙醇水的表面張力與溫度的關(guān)系在塔頂處，溫度為81.47，此時乙醇： 水： 在進料處，溫度為104.88，此時乙醇： 水： 則精餾段平均表面張力為：3.6 液體黏度液體的黏度可根據(jù)式 對于乙醇，其中， 溫度T 黏度mPas 對于水，可根據(jù)水的物性參數(shù)表知溫度/708090100110黏度/105Pas40.6135.6531.6528.3825.89表5 水的黏度與溫度的關(guān)系 塔頂： 進料： 則精餾段平均液相黏度為：4.精餾段氣液負荷計算5.塔和塔板主要工藝尺寸計算5.1 塔徑D參考表6，初選板間距,取板上液層高度 塔徑HT/m0.30

11、.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距HT/m200300250350300450350600400600表6 板間距與塔徑的關(guān)系圖2 Smith關(guān)系圖由取安全系數(shù)為0.70，則故 (滿足0.81.6的范圍)按標準，塔徑圓整為,則空塔氣速為一般的，在塔徑超過1m時，應(yīng)按照200mm增值定塔徑。故取D = 1.8 m5.2 溢流裝置 采用單溢流、弓形降液管、平形受液盤及平形溢流堰，不設(shè)進口堰。各項計算如下。 （a）U型流 （b）單溢流 （c）雙溢流 （d）階梯式雙溢流 圖3 溢流裝置圖 圖4 塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù) 5.2.1溢流堰長 取堰長為0.7D，即 5.2.2 出口堰高 由

12、圖5 液流收縮系數(shù)計算圖查液流收縮系數(shù)計算圖可知E1 故 5.2.3 降液管的寬度Wd與降液管的面積Af 由查圖弓形降液管的寬度與面積，得 故 則液體在降液管中停留的時間以檢驗降液管面積，即 因為此值大于5s，可保證足夠的停留時間，使溢流液中夾帶的氣泡得以分離。 圖6 弓形降液管的寬度與面積5.2.4降液管底隙高度 取液體通過降液管底隙的流速 5.3 塔板布置 （1）取邊緣區(qū)寬度 ， （2）開孔區(qū)面積 5.4 篩孔數(shù)與開孔率 圖7 篩孔的正三角形排列取篩孔的孔徑，正三角形排列，一般碳鋼的板厚 若，孔中心距 此時，篩板數(shù)為 開孔區(qū)的開孔率為 （在5%15%之間） 每層塔板上的開孔面積A0為 氣體

13、通過篩孔的氣速 5.5 塔的有效高度Z（精餾段） 5.6 塔高計算 略6.篩板的流體力學(xué)驗算6.1 氣體通過篩板壓強降相當?shù)囊褐叨?6.1.1 干板壓強降相當?shù)囊褐叨?由，查圖干篩孔的流量系數(shù)， 圖8 干篩孔的流量系數(shù)6.1.2 氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?查表充氣系數(shù)與的關(guān)系， 圖 9 充氣系數(shù)與的關(guān)系6.1.3 克服液體表面張力壓強降相當?shù)囊褐叨?故 單板壓強降 （設(shè)計允許值）6.2 霧沫夾帶量的驗算 故在設(shè)計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。6.3 漏液的驗算 篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 故在設(shè)計負荷下不會產(chǎn)生過量漏液。6.4 液泛驗算 為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使用降液管中清液層高度

14、取，則 故，在設(shè)計負荷下不會發(fā)生液泛。 根據(jù)以上塔板的各項流體力學(xué)驗算，可認為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。7.塔板負荷性能圖7.1 霧沫夾帶線（1） 其中 （a） 取近似值， 故 （b） 取霧沫夾帶極限值，已知， 將（a）、（b）式代入，可得： 整理得 （1） 在操作范圍內(nèi)，任取幾個LS值，依（1）式算出相應(yīng)的VS值列于下表中。5.014.714.524.35依表中數(shù)據(jù)在VSLS圖中做出霧沫夾帶線（1）7.2 液泛線（2）聯(lián)立式可知 近似取， 故 由于 因此，此時可知 由于，聯(lián)立上式可知： 整理得下式 （2） 在操作范圍內(nèi)取若干LS值，依式（2）計算VS值，列于下表之中，依表中數(shù)據(jù)做出液泛

15、線（2）。6.205.955.765.587.3 液相負荷上限線（3）取液體在降液管中停留時間為4s，由式 （3） 液相負荷上限線（3）在VSLS坐標圖上為與氣體流量VS無關(guān)的垂直線。 7.4 漏液線（氣相負荷下限線）（4）由 代入漏液點氣速式： 其中，已得出，代入并整理得： （4）此即氣相負荷下限關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任取n個LS值，依式（4）計算相應(yīng)的VS值，列于下表中，依附表中的數(shù)據(jù)作氣相負荷下限線（4）。1.461.541.591.637.5 液相負荷下限線（5） 取平堰、堰上液層高度作為液相負荷下限條件，取，則 整理上式得 （5） 以此值在VSLS坐標圖上作線（5）即為液相負荷下限線。

16、 將以上5條線標繪于圖中，即為精餾段負荷性能圖。5條線包圍的區(qū)域為精餾段塔板操作區(qū)，P點為操作點，OP線為操作線。OP線與線（1）的交點相應(yīng)氣相負荷為，OP線與氣相負荷下限線（4）的交點相應(yīng)的氣相負荷為 可知本設(shè)計塔板上限由霧沫夾帶控制，下限由漏液控制。 精餾段的操作彈性圖10 精餾段負荷性能圖8.篩板塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果總表 項目符號單位計算數(shù)據(jù)精餾段提餾段各段平均壓強PmkPa115.2略各段平均溫度tm93.18平均流量氣相Vsm/s2.92液相Lsm/s0.0033實際塔板數(shù)N塊33板間距HTm0.40塔的有效高度Zm12.8塔徑Dm1.8空塔氣速um/s2.094塔板液流形式單流型溢

17、流裝量溢流管形式弓形堰長lWm1.26堰高hWm0.047溢流堰寬度Wdm0.261管底與受液盤距離hOm0.026板上清夜層高度hLm0.06孔徑domm5孔間距tmm15孔數(shù)n個8904開孔面積0.18篩孔氣速uom/s16.68塔板壓強降PpkPa0.59液體在降液管中停留時間s27.75降液管內(nèi)清夜層高度Hdm0.134霧沫夾帶eVkg液/kg氣0.025負荷上限霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制氣相最大負荷Vs,maxm/s4.30氣相最小負荷Vs,minm/s1.52操作彈性2.839.精餾塔的附屬設(shè)備及接管尺寸選用列管式原料預(yù)熱器，強制循環(huán)式列管全凝器，列管式塔頂及塔底產(chǎn)品冷凝器，熱虹

18、吸式再沸器三、設(shè)計小結(jié)經(jīng)過兩周的化工原理課程設(shè)計，受益頗多。 課程設(shè)計是一個我們自我學(xué)習(xí)，自我檢測的過程，在設(shè)計的過程中，學(xué)會自己查閱資料，運用圖書館，網(wǎng)絡(luò)等可以運用的資源來收集所需的資料，所以，這次的課程設(shè)計，是自我完善的良好過程。 在這次設(shè)計當中，不論是誰都付出了相當多的努力，同學(xué)之間相互研究問題，討論問題，仔細思考，以尋求問題的答案，這期間，我們同心協(xié)力，把互幫互助，團隊合作發(fā)揮到最大值，同學(xué)之間相互幫助，耐心幫助有問題不懂的同學(xué)，正是這種互幫互助的精神，才使得我們的設(shè)計都非常順利。 本次，我的設(shè)計題目是乙醇和水的連續(xù)精餾，這使得我對課本中有關(guān)蒸餾的章節(jié)有了更加深入的了解和學(xué)習(xí)，對于蒸餾方面問題的把握也更加準確。當然，在次過程中，我亦發(fā)現(xiàn)了我存在的需都問題，譬如，對概念的把握有些迷糊等，幸而通過設(shè)計鞏固了所學(xué)的知識。 此外，通過設(shè)計，讓我更加明白了理論聯(lián)系實際的重要性，無論理論知識學(xué)得再好，不能設(shè)計出方案也是不行的，但是，反言之，一味追求實際，而忽略理論知識的重要性也