化工原理課程設(shè)計(jì)乙醇—水溶液連續(xù)板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、前言轉(zhuǎn)眼之間，我們已經(jīng)結(jié)束了大三的學(xué)習(xí)。在這三年的學(xué)習(xí)當(dāng)中，我們系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了化工原理，物理化學(xué)，無(wú)機(jī)化學(xué)，有機(jī)化學(xué)，分析化學(xué)，化工設(shè)備與機(jī)械基礎(chǔ)，機(jī)械制圖，化工熱力學(xué)等方面的知識(shí)，初步掌握了化學(xué)生產(chǎn)與化學(xué)設(shè)備之間的相互關(guān)系。在李志禮老師的指導(dǎo)下，我們開(kāi)始了化工原理課程設(shè)計(jì)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)了那么多的理論知識(shí)以后，終于有機(jī)會(huì)在現(xiàn)實(shí)過(guò)程中運(yùn)用自己學(xué)習(xí)到的知識(shí)。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們得到了老師學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐們很多的幫助，在此對(duì)他們表示衷心的感謝，由于我們所知識(shí)的有限和能力的不足，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免會(huì)遇到設(shè)計(jì)不合理，考慮不周全的地方，希望老師給予理解與指導(dǎo)，我們會(huì)更加努力，爭(zhēng)取做得更好。 設(shè)計(jì)者

2、：目錄第一章 設(shè)計(jì)題目與要求1.1 設(shè)計(jì)題目1.2 任務(wù)要求與數(shù)據(jù) 第二章篩板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1 塔板數(shù)的確定2.2 塔徑的確定第一章 設(shè)計(jì)題目與要求1.1設(shè)計(jì)題目：乙醇水溶液連續(xù)板式精餾塔設(shè)計(jì)1.2任務(wù)要求與數(shù)據(jù)：1、設(shè)計(jì)一連續(xù)精餾塔分離乙醇和水，具體工藝參數(shù)如下：（1）原料乙醇含量：質(zhì)量分率40%（2）年產(chǎn)量：30000t（3）摩爾分率：xD=0.82；xW=0.022、工藝操作條件：常壓精餾，塔頂全凝，泡點(diǎn)進(jìn)料，泡點(diǎn)回流，R=（1.22）Rmin。3、 設(shè)備形式篩板塔。4、 設(shè)計(jì)工作日每年330天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。第二章 篩板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1 塔板數(shù)的確定

3、2.1.1全塔物料衡算原料液中：設(shè) 乙醇（A）; 水（B）查附表得: MA =46.07 MB=18.02由已知條件可知： =0.4 =0.82=0.02年產(chǎn)量：30000t 每年330天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行由 F =D + W*F=*D+*W得 F=194.4（kmol/h）， W=102.6（kmol/h），表2-1 不同溫度下乙醇水的汽液平衡組成t（）10095.589.086.785.384.182.782.3x0.000.01900.07210.09660.12380.16610.23370.2608y0.000.17000.38910.43750.47040.50890.5445

4、0.5580t（）81.580.779.879.779.378.7478.4178.15x0.32730.39650.50790.51980.57320.67630.74720.8943y0.58260.61220.65640.65990.68410.73850.78150.8943由t-x(y)圖用內(nèi)插法可知: 塔頂溫度t= 78.3，塔底溫度t= 95.3平均溫度進(jìn)料溫度：80.7相對(duì)揮發(fā)度的確定當(dāng)t=95.5時(shí)：=10.58當(dāng)t=89.0時(shí)：當(dāng)t=86.7時(shí)：當(dāng)t=85.3時(shí)：當(dāng)t=84.1時(shí)：=5.20當(dāng)t=82.7時(shí)：當(dāng)t=82.3時(shí)：當(dāng)t=81.5時(shí)：當(dāng)t=80.7時(shí)：=2.40當(dāng)

5、t=79.8時(shí)：當(dāng)t=79.7時(shí)：當(dāng)t=79.3時(shí)：當(dāng)t=78.74時(shí)：當(dāng)t=78.41時(shí)：=1.21平均相對(duì)揮發(fā)度=泡點(diǎn)進(jìn)料，泡點(diǎn)回流=0.82=3.29回流比系數(shù)我們?nèi)≌壑兄?.6 R=1.6Rmin=0.73根據(jù)理論板數(shù)的捷算法有=0.156由吉利蘭關(guān)聯(lián)圖得N=10塊操作方程的確定精餾段：=(R+1)D=(0.73+1)92.34=159.25（kmol/h），=RD=0.73×92.34 =67.41（kmol/h），提餾段：=V(1-q)F =159.75kmol/h），=LqF = 67.41+ 1×194.4=261.8（kmol/h），則精餾段操作線方程：=

6、0.422xn 0.474提餾段操作線方程：yn+1 =全塔效率塔頂溫度t= 78.3，塔底溫度t= 95.3 ， 進(jìn)料溫度：80.7平均溫度表3-1乙醇在不同溫度下的粘度8t/20406080100/mpa.s1.150.8140.6010.4950.361表3-2水在不同溫度下的粘度8t/20406080100/mpa.s1.00500.65600.46880.35650.2838由表用內(nèi)差法求86.8 下的粘度：A= 0.449mpas ，B=0.332mpas則平均粘度L= xF A（1xF）B=0.4*0.449+（1-0.4）*0.332=0.379mpasL=3.29*0.379

7、=1.246求全塔效率ET由L=1.246，由化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)164頁(yè)圖10-20查得 求實(shí)際板數(shù)由 得N=21.522塊2.2精餾段物料衡算物料組成：塔頂溫度t= 78.3，塔底溫度t= 95.3 ， 進(jìn)料溫度：80.7平均溫度查表2-1 得(1)塔頂 y= X= 0.82=3.29 x=0.58(2) 進(jìn)料 x=0.3965 y=0.6122平均分子量 （1）塔頂：=0.8246.07+(1-0.82)18.02=41.54（）=0.5846.07+(1-058)18.02=34.29（）(3) (2)進(jìn)料: =0.612246.07+(1-0.6122)18.02=35.19（）=0

8、.396546.07+(1-0.3965)18.02=29.14（）平均分子量=38.37（）=31.72（）平均密度 由書(shū)：1/=a/+a/塔頂：在78.3下：=744.5()=972.96()=0.82/744.5+0.18/972.96 則=777.36()進(jìn)料:在進(jìn)料溫度80.7下：=741.5 ()=971.4()a = 則=813.01() 即精餾段的平均液相密=(777.36+813.01)/2=795.18() 平均氣相密度=()液體表面張力5、 塔頂: 查圖表求得在78.3下：（物化手冊(cè)）()6、 進(jìn)料: 在80.7下： ()則 =(+)/2=(26.00+44.78)/2=

9、35.39()氣液負(fù)荷的計(jì)算由已知條件=159.75=67.41 得 = ()= ()塔徑D的計(jì)算兩相流動(dòng)參數(shù)計(jì)算如下=參考化工原理下表10-1(p129)，我們?nèi)“彘g距H=0.45m H- 參考化工原理下圖10-42篩板的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)得：C=0.081=u=本物系不易起泡,取泛點(diǎn)百分率為85%，可求出設(shè)計(jì)氣速=0.852.25=1.91)根據(jù)塔設(shè)備系列化規(guī)格，將圓整到D=1m 作為初選塔徑，因此重新校核流速u(mài)實(shí)際泛點(diǎn)百分率為 塔板詳細(xì)設(shè)計(jì)由于=0.00075/s，D=1m，所以2.7（m3/h）<45(m3/h).根據(jù)化工原理（下）表10-2選擇單溢流,弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰。因?yàn)楣谓狄?/p>

10、管具有較大容積，又能充分利用塔面積，且單溢流液體流徑長(zhǎng)，塔板效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛用于直徑小于2.2米的塔中。(1)溢流裝置取堰長(zhǎng)=0.7D=0.7×1=0.7m, 選擇平流溢流堰出口堰高,已取=0.06=2.84×E由=0.00075×3600/0.72.5=6.59查化工原理下圖10-48得：E=1.020=2.84××1.020×(0.00092×3600/0.7)2/3=0.0082m=0.06-0.0082=0.0518m取0.06是符合的。hL=hW+hOW=0.06+0.0082=0.0682m修正后hL對(duì)un

11、影響不大,故塔徑計(jì)算不用修正.(2) 降液管寬度Wd與降液管面積Af 由/D=0.7查化工原理下圖10-40得:=0.140×1=0.140m(3) 降液管底隙高度hO為了保證降液管底端有良好的液封。hO要小于h.同時(shí)為了防止因安裝偏差而使液流不暢造成液泛，hO一般不宜小于20-25mm。而hO=，取液體通過(guò)降液管底隙速度=0.07m/s. 過(guò)小,取ho=0.04m(4)塔板布置 取安定區(qū)寬度W=0.07m, 取邊緣區(qū)寬度W=0.05m，從圖10-40求出Wd=0.140D=0.140 m。(5)篩板數(shù)與開(kāi)孔率按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取塞班孔徑，因空心t與的比值過(guò)小會(huì)使氣流易相互干擾，過(guò)大則鼓泡不

12、均勻，均會(huì)影響傳質(zhì)效率。故選擇推薦值內(nèi)的=呈正三角形排列依下式計(jì)算塔板上的開(kāi)孔率=10.1% 則每層塔板上的開(kāi)孔面積為：=2.3篩板能校塔流體力學(xué)校核板壓降的校核 氣體通過(guò)篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋篽p=hc+hl+h(1)干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?取板厚，,=10.1%查化工原理下圖10-45得: Co=0.74m/shc=0.051=液柱(2)氣體穿過(guò)板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮l相應(yīng)的氣體動(dòng)能因子 (m·s-1·kg·m-3)1/2查化工原理下圖10-46得：=0.58液柱(3)克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮板壓降 =0.1097+0.0396+0.003

13、63=0.1529m本設(shè)計(jì)系常壓操作，對(duì)板壓降本身無(wú)特殊要求。液沫夾帶量的校核 Kg液/Kg氣0.0314Kg液/Kg氣0.1Kg液/Kg氣同樣得到：液沫夾帶量不超過(guò)10%，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)量液沫夾帶。溢流液泛條件的校核溢流管中的當(dāng)量清液高度可由式計(jì)液體沿篩板流動(dòng)時(shí),阻力損失很小,其液面落差可忽略不計(jì),即 。已知: hL=0.0396, ，故降液管內(nèi)的當(dāng)量清液高度： 乙醇-水混合液不易起泡,取=0.6,則降液管內(nèi)泡沫層高度：<0.5m不會(huì)產(chǎn)生溢流液泛。液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的校核 降液管內(nèi)的停留時(shí)間 >5s不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣泡夾帶。漏液點(diǎn)的校核 漏液點(diǎn)的孔速為： =篩孔氣速=

14、 26.84m/s塔板穩(wěn)定系數(shù) >表明具有足夠的操作彈性。根據(jù)以上各項(xiàng)流體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為設(shè)計(jì)的塔徑及各工藝尺寸合適。 2.4塔板負(fù)荷性能圖注:以下計(jì)算常用得,E 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算,取E=1.0則=2/3過(guò)量液沫夾帶線依下式計(jì)算: =3.2 (2-1)式中：=(h+h)=令=0.1kg液/kg氣，由= 35.3910, H=0.45代入式(2-1)得：0.1=()整理得：在操作范圍中，任取幾個(gè)值，根據(jù)上式算出值列于表2-3中：表230.0020.0040.0060.0081.5381.4321.3441.264依表中數(shù)據(jù)在作出過(guò)量液沫夾帶線（1）(參見(jiàn)圖2-1)溢流液泛線由式 和 聯(lián)立求解。(1

15、)=（）（）=（） =（）=（h+h）=故 =+0.00409=+ 0.03409(2)=0.153（）=（）= 則： +0.03409+0.0518+0.8462+195.2取若干值依(2-18)式計(jì)算值，見(jiàn)表2-4，作出液泛線（3）表2-400020004000600081.940 1.907 1.870 1.826 液相上限線取液體在降液管中停留時(shí)間為5秒。則 =（）在=處作出垂線得液相負(fù)荷上限線(4)，可知在圖上它為與氣體流量 V無(wú)關(guān)的垂直線。漏液線（氣相負(fù)荷下限線）由 h=h+h=0.0518+0.8462，u=代入下式求漏液點(diǎn)氣速式： u=4.4C將=0.0488 代入上式并整理得：V=0.1365據(jù)上式，取若干個(gè)值計(jì)算相應(yīng)值，見(jiàn)表2-5，作漏液線（2）表250.0020.0040.0060.0080.4320.490