化工原理課程設(shè)計(jì)乙醇和水(共28頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上設(shè)計(jì)任務(wù)書(一) 設(shè)計(jì)題目：試設(shè)計(jì)一座乙醇-水連續(xù)精餾塔提純乙醇。進(jìn)精餾塔的料液含乙醇 25% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為水；產(chǎn)品的乙醇含量不得低于 94% ；殘液中乙醇含量不得高于 0.1% ；要求年產(chǎn)量為17000噸/年。(二) 操作條件1) 塔頂壓力 4kPa（表壓） 2) 進(jìn)料熱狀態(tài) 自選 3) 回流比 自選 4) 塔底加熱蒸氣壓力 0.5Mpa（表壓）5) 單板壓降 0.7kPa。(三) 塔板類型自選(四) 工作日每年工作日為300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。(五) 設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容 1) 精餾塔的物料衡算； 2) 塔板數(shù)的確定； 3) 精餾塔的工

2、藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算； 4) 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算； 5) 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算； 6) 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算； 7) 塔板負(fù)荷性能圖； 8) 精餾塔接管尺寸計(jì)算； 9) 對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。2、設(shè)計(jì)圖紙要求： 1) 繪制生產(chǎn)工藝流程圖（A2號(hào)圖紙）； 2) 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖（A2號(hào)圖紙）。 目 錄1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 1 1.1設(shè)計(jì)方案的確定1 1.2操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)12.精餾塔的物料衡算12.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率12.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量1 2.3物料衡算23.塔板數(shù)的確定2 3.1理論板層數(shù)NT的求取 2 3.1.1 求最小回

3、流比及操作回流比 2 3.1.2 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 3 3.1.3 求操作線方程 3 3.1.4 圖解法求理論板層數(shù) 3 3.2 塔板效率的求取4 3.3 實(shí)際板層數(shù)的求取54.精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 5 4.1操作壓力計(jì)算5 4.2 操作溫度計(jì)算5 4.3 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算5 4.4 平均密度的計(jì)算6 4.4.1 氣相平均密度計(jì)算6 4.4.2 液相平均密度計(jì)算6 4.5液體平均表面張力計(jì)算 7 4.6液體平均黏度計(jì)算 75.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 8 5.1塔徑的計(jì)算 8 5.1.1精餾段塔徑的計(jì)算8 5.1.2提餾段塔徑的計(jì)算9 5.2精餾塔有效高度的計(jì)算9 5.

4、3精餾塔的高度計(jì)算 106.塔板主要工藝尺寸的計(jì)算10 6.1溢流裝置計(jì)算 10 6.1.1堰長(zhǎng)lw 10 6.1.2 溢流堰高度hw 11 6.1.3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af 11 6.1.4 降液管底隙高度ho 11 6.2塔板布置 12 6.2.1塔板的分塊 12 6.2.2邊緣區(qū)寬度確定 12 6.2.3開孔區(qū)面積計(jì)算 12 6.2.4篩孔計(jì)算及其排列 12 7.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 13 7.1塔板降 13 7.1.1干板阻力hc計(jì)算 13 7.1.2氣體通過液層的阻力hl計(jì)算13 7.1.3液體表面張力的阻力h計(jì)算13 7.2液面落差 13 7.3液沫夾帶 14 7.4漏液

5、14 7.5液泛 14 8.塔板負(fù)荷性能圖15 8.1漏液線 15 8.2液沫夾帶線 15 8.3液相負(fù)荷下限線 16 8.4液相負(fù)荷上限線 17 8.5液泛線 17 9.主要接管尺寸計(jì)算 19 9.1蒸汽出口管的管徑計(jì)算 199.2回流液管的管徑計(jì)算 199.3進(jìn)料液管的管徑計(jì)算 199.4釜液排出管的管徑計(jì)算 19 10.塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表 20 11.設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論 21 參考文獻(xiàn)23專心-專注-專業(yè)1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離乙醇水混合物提純乙醇，采用連續(xù)精餾塔提純流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸

6、氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，回流比較大，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。1.2操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)料中乙醇含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wF = 0.25；產(chǎn)品中乙醇含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wD = 0.94；塔釜中乙醇含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wW = 0.001；處理能力 GF = 17000噸/年；塔頂操作壓力 4 kPa； 進(jìn)料熱狀況 泡點(diǎn)進(jìn)料； 單板壓降 0.7kPa；2. 精餾塔的物料衡算2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 乙醇的摩爾質(zhì)量 MA =46.07kg/kmol

7、水的摩爾質(zhì)量 MB =18.02kg/kmolxF =0.115xD =0.860xW =0.00042.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 MF =21.25kg/kmol MD =42.14kg/kmol MW =18.05kg/kmol2.3物料衡算每年300天，每天工作24小時(shí)，其處理量為17000噸/年故原料液的處理量為 F=111.11kmol/h總物料衡算 111.11= D + W乙醇的物料衡算 111.110.115 = 0.860D + 0.0004W聯(lián)立解得 D = 14.81kmol/h W = 96.30kmol/h3. 塔板數(shù)的確定3.1理論板層數(shù)NT的求取3.

8、1.1 求最小回流比及操作回流比乙醇-水是非理想物系，先根據(jù)乙醇-水平衡數(shù)據(jù)（見下表1），繪出平衡線，如下圖所示。 表1乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相氣相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.799.20.232.979.8552.6866.28990.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568

9、.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.482.325.7555.7478.1589.4189.41 在上圖對(duì)角線上，自點(diǎn)c（0.115,0.115）作垂線ec即為q線，該線與相平衡線的由a點(diǎn)引出的切線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 y=0.354 ， x=0.115故最小回流比為 Rmin R =1.5Rmin =1.52.12=3.183.1.2 求精餾塔的氣

10、、液相負(fù)荷 Lkmol/h Vkmol/h Lkmol/h Vkmol/h3.1.3 求操作線方程精餾段操作線方程為 y提餾段操作線方程為 y3.1.4 圖解法求理論板層數(shù) 采用圖解法求理論板層數(shù)，結(jié)果見上圖，得理論塔板數(shù)N=15塊（不包括再沸器），精餾段12塊，提餾段3塊（不包括再沸器）3.2 塔板效率的求取操作溫度計(jì)算：由乙醇水的氣液兩相平衡圖【1】可查得組成分別為的泡點(diǎn)溫度：由乙醇水的氣液兩相平衡圖可查得：塔頂和塔釜的氣液兩相組成為： 查化工物性算圖手冊(cè)得：則塔內(nèi)相對(duì)揮發(fā)度：全塔液體平均粘度的計(jì)算：液相平均粘度的計(jì)算，即 塔頂液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)【2】得： 解出 塔底液相平均粘度

11、的計(jì)算由，查手冊(cè)【3】得： 【1】 解出 則全塔液相平均粘度為 故 查奧康內(nèi)爾（o'connell）關(guān)聯(lián)圖【1】得： 因?yàn)楹Y板塔全塔效率相對(duì)值為1.1【1】，故精餾塔的全塔效率為 3.3 實(shí)際板層數(shù)的求取精餾段實(shí)際板層數(shù) N提餾段實(shí)際板層數(shù) N64.精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算4.1操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力 kpa每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 kpa精餾段平均壓力 kpa4.2 操作溫度計(jì)算從乙醇-水溶液的氣液相平衡圖【1】查得泡點(diǎn)溫度（近似看作是操作溫度）為：塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 精餾段平均溫度為：4.3 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由，查平衡曲線（x-y圖），得 進(jìn)料

12、板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由圖解理論板（x-y圖），得 查平衡曲線（x-y圖），得 精餾段平均摩爾質(zhì)量 4.4 平均密度的計(jì)算4.4.1 氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 kg/4.4.2 液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下式計(jì)算，即 塔頂液相平均密度的計(jì)算由，查手冊(cè)【2】得 塔頂液相的質(zhì)量分率 進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算由，查手冊(cè)【2】得 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率 精餾段液相平均密度為 4.5液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即 塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由，查手冊(cè)【2】得 進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算由，查手冊(cè)得 精餾段液相平均表面張力為 4.6液體平均黏度計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)

13、算，即 塔頂液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)【2】得： 解出 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)【3】得： 【1】 解出 精餾段液相平均粘度為 5.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算5.1塔徑的計(jì)算5.1.1精餾段塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為 m3/s m3/s由 式中C由式計(jì)算，式中C20由圖（史密斯關(guān)系圖）【4】查得，圖的橫坐標(biāo)為 取板間距，板上液層高度，則 查圖（史密斯關(guān)系圖）【4】得 取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 m/s m5.1.2提餾段塔徑的計(jì)算提餾段塔徑計(jì)算，所需數(shù)據(jù)可從相關(guān)手冊(cè)【1，2，4】查得，計(jì)算方法同精餾段。計(jì)算結(jié)果為 m比較精餾段與提餾段計(jì)算結(jié)果，兩段的塔徑相差不大，圓整

14、塔徑，取 m塔截面積為 m2實(shí)際空塔氣速為 m/s5.2精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為 m提餾段有效高度為 m故精餾塔的有效高度為 m5.3精餾塔的高度計(jì)算實(shí)際塔板數(shù) 進(jìn)料板數(shù) ；由于該設(shè)計(jì)中板式塔的塔徑，為安裝、檢修的需要，選取每6層塔板設(shè)置一個(gè)人孔【4】，故人孔數(shù) ；進(jìn)料板處板間距 ；設(shè)人孔處的板間距；為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距【4】，故選取塔頂間距 ；塔底空間高度 【4】封頭高度 ；【5】裙座高度 。故精餾塔的總高度為 16.33m6.塔板主要工藝尺寸的計(jì)算6.1溢流裝置計(jì)算因?yàn)樗絤，一般場(chǎng)合可選用單溢流弓形降液管【4】，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：6.1

15、.1堰長(zhǎng)lw取 m6.1.2 溢流堰高度hw由 選用平直堰，堰上液層高度hOW由下式計(jì)算，即 近似取E=1，則 0.007m取板上清液層高度 故 m6.1.3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由 查圖（弓形降液管的參數(shù)）【4】，得 故 依式 【4】驗(yàn)算液體在降液管中停留的時(shí)間，即 故降液管設(shè)計(jì)合理。6.1.4 降液管底隙高度ho 取 則 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤，深度 【4】6.2塔板布置6.2.1塔板的分塊因?yàn)椋仕宀捎梅謮K式。查表（塔板分塊數(shù)）【4】，則塔板分為3塊。6.2.2邊緣區(qū)寬度確定取 ，6.2.3開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積按下式計(jì)算，即 其中 故 0.31m26.2

16、.4篩孔計(jì)算及其排列本次所處理的物系無(wú)腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為 篩孔數(shù)目n為 個(gè)開孔率為 氣體通過閥孔的氣速為 m/s7.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算7.1塔板降7.1.1干板阻力hc計(jì)算干板阻力hc由下式計(jì)算，即 由，查圖（干篩孔的流量系數(shù)）【4】得，故 m液柱7.1.2氣體通過液層的阻力hl計(jì)算氣體通過液層的阻力hl由下式計(jì)算，即 查圖（充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖）【4】得：故 m液柱7.1.3液體表面張力的阻力h計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h由下式計(jì)算，即 氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計(jì)算，即 氣體通過每層塔板的壓降為 （設(shè)計(jì)允許值）7.2液面落差對(duì)于篩板

17、塔，液面落差很小，且本次的塔徑（）和液流量（）均不大，故可以忽略液面落差的影響。7.3液沫夾帶液沫夾帶量由下式計(jì)算，即 故 故在本次設(shè)計(jì)中液沫夾帶量eV在允許范圍內(nèi)。7.4漏液對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由下式計(jì)算，即 實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為 故在本次設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。7.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高Hd應(yīng)服從下式的關(guān)系，即 乙醇水物系屬一般物系，不易發(fā)泡，故安全系數(shù)取【4】，則 而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由下式計(jì)算，即 故在本次設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。8.塔板負(fù)荷性能圖8.1漏液線由 得 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表2。表2 0.0001 0.0

18、015 0.0030 0.0045 0.210 0.223 0.231 0.238由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。8.2液沫夾帶線以為限，求VsLs關(guān)系如下：由 故 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表3。表3 0.0001 0.0015 0.0030 0.0045 2.39 2.21 2.09 1.98 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。8.3液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。則 取，則 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。8.4液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由下式可得，即 故 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)

19、的垂直液相負(fù)荷上限線4。8.5液泛線令 由 聯(lián)立得 忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得 式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得 故 或 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表4。表4 0.0001 0.0015 0.0030 0.0045 0.98 0.85 0.69 0.47由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖所示。在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為液沫夾帶控制。由圖可查得 故操作彈性為 9.主要接管尺寸計(jì)算9.1塔頂蒸汽管的管徑計(jì)算由于塔頂操作壓力為4kpa，

20、故選取6，則 圓整直徑為9.2回流液管的管徑計(jì)算冷凝器安裝在塔頂，故選取6，則 圓整直徑為9.3進(jìn)料液管的管徑計(jì)算由于料液是由泵輸送的，故選取6；進(jìn)料管中料液的體積流量 故 圓整直徑為9.4釜液排出管的管徑計(jì)算釜液流出速度一般范圍為6，故選??；塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由，得：塔底液相平均密度的計(jì)算由，查手冊(cè)【2】得 塔底液相的質(zhì)量分率 塔釜排液管的體積流量 故 圓整直徑為10.塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表所設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總于表5。表5 篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果參數(shù)表 序 號(hào)項(xiàng) 目數(shù) 值12345678910111213141516171819202122232425262728293031平均溫度tm，平均

21、壓力Pm，kPa氣相流量Vs，（m3/s）液相流量Ls，（m3/s）實(shí)際塔板數(shù)有效段高度Z，m塔徑D，m板間距HT，m溢流形式降液管形式堰長(zhǎng)lW，m堰高h(yuǎn)W，m板上液層高度hL，m堰上液層高度hOW，m降液管底隙高度ho，m安定區(qū)寬度Ws，m邊緣區(qū)寬度Wc，m開孔區(qū)面積Aa，m2篩孔直徑d0，m篩孔數(shù)目n孔中心距t，m開孔率，%空塔氣速，m/s篩孔氣速，m/s穩(wěn)定系數(shù)每層塔板壓降，Pa負(fù)荷上限負(fù)荷下限液沫夾帶eV，（kg液/kg氣）氣相負(fù)荷上限Vs，max，m3/s氣相負(fù)荷下限Vs，min，m3/s操作彈性82113.70.400.00063011.20.80.40單溢流弓形0.530.053

22、0.060.0070.0140.070.0350.310.00515920.0150.1010.8612.781.89500.6液泛控制液沫夾帶控制0.860.471.8311.設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論111 篩板塔的特性討論篩板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)較低；在相同條件下，生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%40%；踏板效率較高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮閥塔；氣體壓降較小，約比泡罩塔低30%；但也有一些缺點(diǎn)，即是：小孔篩板易堵塞，不易處理一些粘性較大或帶固體粒子的料液；操作彈性相對(duì)較小。本次設(shè)計(jì)中的物系是乙醇水體系，故選用篩板塔。112 進(jìn)料熱狀況的選取 本次設(shè)計(jì)中選用泡點(diǎn)進(jìn)料，原因是泡點(diǎn)進(jìn)料的操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響。113 回流比的選取 一般篩板塔設(shè)計(jì)中，回流