化工原理乙醇水課程設(shè)計分離乙醇水混合物精餾塔設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計分離乙醇-水混合物精餾塔設(shè)計學 院： 化學工程學院 專 業(yè)： 環(huán)境工程 學 號： 20092242 姓 名： 張 藝 指導教師： 杜長海 時 間： 2012年6月13日星期三 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 一、設(shè)計題目：分離乙醇-水混合物精餾塔設(shè)計二、原始數(shù)據(jù)：a） 原料液組成：乙醇 20 % 產(chǎn)品中： 乙醇 含量 94% 殘液中 4%b） 生產(chǎn)能力：6萬噸/年 c）操作條件 進料狀態(tài)：自定 操作壓力：自定 加熱蒸汽壓力：自定 冷卻水溫度：自定三、設(shè)計說明書內(nèi)容：a）概述b）流程的確定與說明c）塔板數(shù)的計算（板式塔）； 或填料層高度計算（填料塔）d) 塔徑的計算e）1）塔板結(jié)構(gòu)計算；

2、a 塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定； b塔板的流體力學驗算；c塔板的負荷性能圖。 2）填料塔流體力學計算； a 壓力降； b 噴淋密度計算 f）其它（1） 熱量衡算冷卻水與加熱蒸汽消耗量的計算（2） 冷凝器與再沸器傳熱面的計算與選型（板式塔）（3） 除沫器設(shè)計g）料液泵的選型h）計算結(jié)果一覽表第一章 課程設(shè)計報告內(nèi)容一、精餾流程的確定乙醇、水混合料液經(jīng)原料預熱器加熱至泡點后，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)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽向沸熱器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。二、塔的物料衡算(一) 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分數(shù)(二) 平均摩爾質(zhì)量(三

3、) 物料衡算總物料衡算 易揮發(fā)組分物料衡算 聯(lián)立以上三式得 三、塔板數(shù)的確定(一) 理論塔板數(shù)的求取 根據(jù)乙醇、水的氣液平衡數(shù)據(jù)作y-x圖乙醇水氣液平衡數(shù)據(jù)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)0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0乙醇水圖解法求理論塔板數(shù)2. 乙醇水

4、體系的平衡曲線有下凹部分，求最小回流比自a（）作平衡線的切線并延長與y軸相交，截距 取操作回流比故精餾段操作線方程 即3.作圖法求理論塔板數(shù)得（不包括再沸器）。第16層為加料板。 (四) 物性參數(shù)和實際塔板數(shù)的計算4.1溫度 常壓下乙醇水氣液平衡組成與溫度的關(guān)系溫度T液相中乙醇的摩爾分率%氣相中乙醇的摩爾分率%1000.000.0095.50.01900.170089.00.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23370.544582.30.26080.558081.60.32730.582680.70

5、.39650.612279.80.50790.0656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943利用表中數(shù)據(jù)由內(nèi)差可求得tF tD tW tF := tF=87.39 tD: := tD =78.21 tW := tW =96.21 精餾段平均溫度:=82.8 提留段平均溫度:=91.84.2氣液組成塔頂溫度: tD=78.21氣相組成yD: yD=0.8683進料溫度: tF=87.39氣相組成yF: yF=0.4230塔底溫度: tW=99.91氣相組成yw: yw

6、=0.04923(1)精餾段液相組成x1:氣相組成y1:所以(2)提留段液相組成x2:氣相組成y2:所以4.3液體粘度（一）乙醇的粘度1），塔頂溫度: tD=78.21 查表，得乙醇=0.45mpa·s, 2), 進料溫度: tF=87.39 查表，得乙醇=0.38mpa·s, 3），塔底溫度: tW=99.91 查表，得乙醇=0.335mpa·s,（二）水的黏度1），塔頂溫度: tD=78.21 2), 進料溫度: tF=87.39 3），塔底溫度: tW=99.91 4), 5)全塔平均液相黏度為4.4相對揮發(fā)度由 xF=0.0892 yF=0.4230 得由

7、 xD=0.86 yD=0.08683 得由 xW=0.016 yw=0.04923 得4.5全塔效率的估算（1）用對全塔效率進行估算：全塔平均液相黏度為全塔效率 （2） 實際塔板數(shù) 塊 其中，精餾段的塔板數(shù)為：塊4.6 操作壓力（1）操作壓力計算 塔頂操作壓力 101.3 kPa每層塔板壓降 P0.7 kPa進料板壓力101.30.7×15125.72kPa塔底操作壓力=101.30.7×42130.7kPa精餾段平均壓力 kPa提餾段平均壓力 kPa（2）密度乙醇與水的密度溫度/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m379578577776575

8、5746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0已知：（為質(zhì)量分數(shù)）1, 液相密度(1) 塔頂 因為 tD =78.21 所以 (2) 進料板 因為 所以 （3）塔釜 因為tW =96.21所以 （4）精餾段平均液相密度（5）提餾段平均液相密度2.氣相密度（1）精餾段 （1）提餾段 4.7 液體表面張力乙醇表面張力：溫度，2030405060708090100110，m N/m22.321.220.419.818.81817.1516.215.214.4水表面張力溫度，020406080100

9、，m N/m75.6472.7569.6066.2462.6758.91(1) 塔頂 因為 tD =78.21 所以 (2) 進料板 因為 所以 （3）塔釜 因為tW =96.21所以 （4）塔頂表面張力 （5）進料板表面張力（6）塔底表面張力 （7）精餾段平均表面張力（8）提餾段平均表面張力五、氣液負荷計算（1）精餾段（1）提餾段六、塔和塔板主要工藝尺寸計算(一) 塔的有效高度計算初選板間距，則由公式 （二） 塔徑D參考表4-1，初選板間距,取板上液層高度表4-1 板間距與塔徑的關(guān)系塔徑D/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距HT/mm200300250350

10、300450350600400600(1)精餾段塔經(jīng)計算圖4-5 Sminth關(guān)聯(lián)圖查圖4-5可知，依照下式校正C取安全系數(shù)為0.60，則故按標準，塔徑圓整為2.6m，塔截面積為實際空塔氣速為提留段塔徑計算 橫坐標數(shù)值： 取板間距：Ht=0.45m , hL=0.07m .則Ht- hL=0.38m 查圖可知C20=0.078 , 取安全系數(shù)為0.6 則空塔氣速按標準塔徑圓整后為=2.6m綜上：塔徑D=2.6m，選擇雙流型塔板，截面積（三）溢流裝置 采用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進口堰。各項計算如下。1.溢流堰長 單溢流 為0.6D，即 2.出口堰高由 ，（1） 精餾段圖

11、4-9 液流收縮系數(shù)計算圖查圖4-9，知E =1 則故 （2） 提餾段查圖4-9，知E =1 則故 3.弓形降液管滴面積 由 圖4-11 弓形降液管的寬度和面積查圖4-11，得 ，故 =5.31 由下式計算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積，即提餾段： (符合要求)提餾段： (符合要求)4.1.2.4降液管底隙高度（1）精餾段（2）提餾段.5受液盤受液盤凹形和平形兩種，對于塔徑為以上的塔，常采用凹形受液盤，這種結(jié)構(gòu)在低流量時仍能造成正液封，且有改變液體流向的緩沖作用。凹形受液盤的的深度一般在50mm以上。選用凹形受液盤：深度（三）塔板布置1.取邊緣區(qū)寬度，安定區(qū)寬度2.依下式計算開孔區(qū)面積

12、其中 其中:出口堰高 how堰上液層高度 降液管底隙高度 進口堰與降液管的水平距離 進口堰高 降液管中清液層高度 板間距 堰長 弓形降液管高度 無效周邊高度 安定區(qū)寬度 D塔徑 R鼓泡區(qū)半徑 x鼓泡區(qū)寬度的1/2 t同一橫排的閥孔中心距 (單位均為m) （四）篩孔數(shù)n與開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，一般碳鋼的板厚，取，故孔中心距依下式計算塔板上的篩孔數(shù)n，即個依下式計算塔板上的開孔區(qū)的開孔率，即 （在5%15%范圍內(nèi)）每層塔板上的開孔面積為精餾段：氣體通過篩孔的氣速 提餾段氣體通過篩孔的氣速 七、篩板的流體力學驗算（一）氣體通過篩板壓強降的液柱高度 依式 1. 精餾段：（1） 干板壓強降相

13、當?shù)囊褐叨纫?圖4-13 干篩孔的流量系數(shù)查圖4-13，（2） 氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?圖4-14 充氣系數(shù)關(guān)系圖由圖4-14查取板上液層充氣系數(shù)為0.58。 依右式 （3） 克服液體表面張力壓強降相當?shù)囊褐叨纫朗剑?-41）故 m 單板壓強降<0.7kPa(設(shè)計允許值)2. 提餾段（1） 干板壓強降相當?shù)囊褐叨纫?查圖得，（2） 氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?由圖查取板上液層充氣系數(shù)為0.61。 依右式 （3） 克服液體表面張力壓強降相當?shù)囊褐叨纫朗剑?-41）故 m 單板壓強降 kPa <0.7kPa(設(shè)計允許值)（二）霧沫夾帶量的驗算（1）精餾段

14、 式中，塔板上鼓泡層高度，可按泡沫層相對密度為0.4考慮，即=（0.4）=2.5=2.5×0.07=0.175故在設(shè)計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。（2）提餾段 故在設(shè)計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶（三） 漏液的驗算 （1）精餾段篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 故在設(shè)計負荷下不會產(chǎn)生過量漏液。（2）提餾段篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 故在設(shè)計負荷下不會產(chǎn)生過量漏液。（四）液泛的驗算（1）精餾段為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度。取，則故，在設(shè)計負荷下不會發(fā)生液泛。（2）提餾段取，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體力學驗算，是合適的。八、塔板負荷性能圖（一）霧沫夾帶線（1）精餾段

15、（a） 近似取 ， 故 （b）取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知，并將式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （2）提餾段近似取 ， 故 取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知，并將式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （1） 做出霧沫夾帶 （二）液泛線（1）精餾段 （*） 近似取 ， 故 (已算出) 故 將為0.45m，為0.05m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：整理得： （2） 提留段 故 (已算出) 故 將為0.45m，為0.04m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：整理得：依表中數(shù)據(jù)做出液泛線（2），如圖4-24中線（2）所示。（三）液相負荷上限線（3） 取液

16、體在降液管中停留時間為5s， （四）漏液線（氣相負荷下限線）（4）(1) 精餾段 v=m。(2) 提留段 v=m。（五）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，依下式計算，取，則 整理上式得 （5） 1. 各接管尺寸的確定5.1. 進料管進料體積流量;取適宜的輸送速度uf=3.0m/s, 故經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，規(guī)格：89×5.5mm5.2. 釜殘液出料管釜殘液的體積流量：取適宜的輸送速度：uf=3m/s, 則 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：76×3.5mm5.3. 回流液管回流液體積流量：利用液體的重力進行回流，取適宜的回

17、流速度uL=0.8m/s那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：108×5mm5.4. 塔頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽的體積流量：取適宜速度uV=20m/s，那么 經(jīng)圓整選取拉制黃銅管，規(guī)格：540×5mm 一、 輔助設(shè)備的計算及選型1. 冷凝器熱負荷 按泡點回流設(shè)計，即飽和蒸汽冷凝且飽和回流，采用30的水作為冷卻劑，逆流操作，則 Q=Wr1r1=VMVDr1 查液體的汽化潛熱圖，可知塔頂溫度78.21下， 乙醇汽化潛熱：rA=750KJ/kg 水的汽化潛熱：rB=1750KJ/kgr1=rixi=750×0.86×46+（1-0.86）×1750

18、15;18=34080KJ/Kmol故Q=2085.37×34080/3600=1372.15KJ/s又由于Q=KAtm則因為 K=750J/s·(m2·K)所以 2. 再沸器熱負荷 采用飽和水蒸氣間接加熱，逆流操作，則 Q=Wh2r2 查得塔釜溫度96.21下乙醇汽化潛熱rA=775KJ/kg 水的汽化潛熱：rB=1800KJ/kgr2=rixi=775×0.016×46+（1-0.016）×1800×18=32452KJ/Kmol故Q=（L-W）Mfl)×32452=8605KJ/s又由于Q=KAtm因為K=900J/s·(m2·K)所以 二、 設(shè)計結(jié)果一覽表浮閥塔工藝設(shè)計結(jié)果項目數(shù)值塔徑D/m2.6板間距HT/m0.45板上液層高度hL/m0.07空塔氣速精餾塔u/(m·s-1)1.33提餾塔u/(m·s-1)1.73溢流堰長度lW/m1.56溢流堰高度精餾段hw/m0.05提餾段 hw/m0.04降液管截面積Af/m20.0292降液管高度Wd/m0.286降液管底隙高度精餾段h0/m0.044提餾段 h0/m0.034篩孔數(shù)N/個22638開孔率 %10.08%塔板壓降精餾段 hp/m0.081提餾段hP/m 0.071霧沫夾帶精餾段e