課程設(shè)計(jì)報(bào)告-乙醇—水連續(xù)精餾塔篩板塔的設(shè)計(jì)CJP

1、-. z.*石油化工學(xué)院學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)題目乙醇水連續(xù)精餾塔篩板塔的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師成績評閱教師* CJP 陳平平班級化工卓越14-1 *完成時(shí)間 2017年1月11日化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目題目：乙醇水連續(xù)精餾塔篩板塔的設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)：原料含乙醇35+0.05*后兩位(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)塔頂產(chǎn)品中乙醇含量為：不小于70，塔底殘液中含乙醇為：不高于10。該塔的生產(chǎn)能力為：質(zhì)量流量=10+0.1*后兩位噸/小時(shí)根本條件：頂壓強(qiáng)為4kPa(表壓)，單板壓降0.7kPa，料液以泡點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)入塔內(nèi)，塔底供熱可間接加熱再沸器和直接水蒸氣加熱?；亓鞅龋鹤赃x。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)方案確實(shí)定及流程說：

2、確定全套精餾裝置的流程，并對操作條件和主要設(shè)備做簡要說明。2、塔的工藝計(jì)算：物料衡算、理論板數(shù)、實(shí)際板數(shù)、熱量衡算、精餾塔主要物性。3、塔和塔板的工藝尺寸設(shè)計(jì)：1塔高、塔高及塔徑確實(shí)定并圓整；2塔板構(gòu)造尺寸確實(shí)定；3塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；繪出塔板的負(fù)荷性能圖。4、輔助設(shè)備選型與計(jì)算：1塔頂冷凝器的熱負(fù)荷和冷卻水用量；2塔底再沸器的熱負(fù)荷和水蒸汽用量；5、接收尺寸計(jì)算；6、繪制塔板構(gòu)造圖大號(hào)坐標(biāo)紙；7、設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表；8、對本設(shè)計(jì)的評述或有關(guān)問題的分析討論。三、設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)說明書一份。設(shè)計(jì)說明書包括：封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、塔板的負(fù)荷性能圖、

3、塔板構(gòu)造圖、參考文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)自評表等。2、設(shè)計(jì)計(jì)算書主要包括：設(shè)計(jì)內(nèi)容四、參考文獻(xiàn)格式：作者題名書刊名出版地出版者出版日期參考章節(jié)五、參考書目:姚玉英 . 化工原理 ,上冊,1版.*:*大學(xué),1999柴誠敬.化工原理課程設(shè)計(jì). 1版.*:*大學(xué),1994匡國柱.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì). 1版.:化學(xué)工業(yè),2002李功祥.常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì).1版.*:華南理工大學(xué),2003六、設(shè)計(jì)根底數(shù)據(jù)常壓下乙醇水系統(tǒng)t*y數(shù)據(jù)如表16所示。表16 乙醇水系統(tǒng)t*y數(shù)據(jù)沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%液相氣相液相氣相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181

4、.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.677

5、8.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41乙醇相對分子質(zhì)量：46；水相對分子質(zhì)量：1825時(shí)的乙醇和水的混合液的外表*力與乙醇濃度之間的關(guān)系為：式中25時(shí)的乙醇和水的混合液的外表*力，Nm；*乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，。其他溫度下的外表*力可利用下式求得 (1-54)式中1溫度為T1時(shí)的外表*力；Nm；2溫度為T2時(shí)的外表*力；Nm；TC混合物的臨界溫度，TC*iTci，K；*i組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；TCi組分i的臨界溫度， K。板效率計(jì)算公式：ET=0.49*(l)-0.245設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)方案確實(shí)定抄書2.塔的物料衡算2.1料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分率*F=1

6、7.78%*D=77.88%*W=2.01%2.2平均摩爾質(zhì)量MF=17.78%46+82.12%18=22.98kg/kmolMD=77.88%46+22.11%18=39.80kg/kmolMW=2.01%46+97.99%18=18.56 kg/kmol 2.3物料衡算生產(chǎn)能力質(zhì)量流量=11.2噸/h總物料衡算F=D+W易揮發(fā)組分物料衡算F*F=D*D+W*W聯(lián)立總物料衡算和易揮發(fā)組分物料衡算解得：F=(11.2 103 kg/h)/22.98mol/kg=487.38kmol/hW=357.24kmol/h D=114.82kmol/h3塔板數(shù)確實(shí)定3. 1理論塔板數(shù)NT的求取求最小回

7、流比Rmin及操作回流比R。乙醇水體系的y-*平衡曲線有下凹局部，自a*D，YD作平衡線的切線切于其下凹局部，并延長與y軸相交，截距0.42，解得Rmin=0.8182。所以操作回流比R=2Rmin=1.636求理論板NT精餾段操作線方程Y=0.62*+0.295根據(jù)乙醇水的氣液平衡數(shù)據(jù)表1作y-*圖，如圖1。圖1乙醇、水的y-*圖及圖解理論板如圖2所示，按M.T.圖解法求得：不包括再沸器精餾段理論板數(shù)為6層，提餾段為2層不包括再沸器，第2層為加料板。3.2全塔效率ET的求取根據(jù)塔頂、塔底液相組成用內(nèi)插法求溫度得：=,解出tD=78.50，同理tW=98.75tM=tD+tW/2=88.638

8、8.63時(shí)，乙醇和水的粘度分別為：0.440mPas和0.322mPas，該溫度下進(jìn)料液相平均粘度為：M=0.1778乙醇+1-0.1778水=0.343mPas所以ET=0.49*(M)-0.245 =0.453. 3實(shí)際塔板數(shù)N精餾段N精=6/0.45=13.33，取14層提餾段N提=2/0.45=4.44，取5層4塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算4.1操作壓強(qiáng)Pm塔頂壓強(qiáng)PD=101.3+4=105.3kPa，取每層塔板壓強(qiáng)降P=0.6kPa，則進(jìn)料板壓強(qiáng)和塔底壓強(qiáng)分別為：PF=105.3+140.6=113.7kpaPW=105.3+190.6=116.8kpa精餾段和提餾段平均操作壓強(qiáng)為P

9、精餾=109.5kpaP提餾=115.25kpa4.2溫度tm依據(jù)操作壓強(qiáng)，依下式試差計(jì)算操作溫度：P= *A+ *B式中：*溶液中組分的摩爾分?jǐn)?shù)；P溶液上方的總壓，Pa；p0同溫度下純組分的飽和蒸汽壓，Pa下標(biāo)A表示易揮發(fā)組分，B表示難揮發(fā)組分。其中水、乙醇的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算。LgP0=A-式中：p0在溫度為T時(shí)的飽和蒸汽壓，mmHg；T溫度，；A,B,CAntoine常數(shù)，其值表1組分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228表1A,B,CAntoine常數(shù)計(jì)算結(jié)果如下：塔頂溫度解得tD = 82.78 。同理得：tF = 95.56 ，

10、tW = 101.02。則精餾段平均溫度和提餾段平均溫度為：4.3平均摩爾質(zhì)量Mm塔頂(由氣液平衡曲線得)進(jìn)料板同理得；塔底同理得；則精餾段和提餾段的平均摩爾質(zhì)量分別為：4.4平均密度m液相密度Lm塔頂溫度tD = 82.78 ，根據(jù)表2由內(nèi)插法得82.78時(shí)水和乙醇的密度溫度/2030405060708090100110乙醇密度kg/m3795785777765755746735730716703水密度kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0表2 乙醇和水液相密度依下式為質(zhì)量分?jǐn)?shù)同理求得進(jìn)料板和塔底液相密度；故精餾段和提餾

11、段的平均密度分別為；精餾段和提餾段的氣相密度mV4.5液體外表*力m25時(shí)的乙醇和水的混合液的外表*力與乙醇濃度之間的關(guān)系為：式中25時(shí)的乙醇和水的混合液的外表*力，Nm；*乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，。其他溫度下的外表*力可利用下式求得：式中1溫度為T1時(shí)的外表*力；Nm；2溫度為T2時(shí)的外表*力；Nm；TC混合物的臨界溫度，TC*iTci，K；*i組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；TCi組分i的臨界溫度， K。25時(shí)，=m66.77NmTC乙醇=516.2K TC水=647.3KF=89.77Nm 同理D=91.92 mNmW=89.70 mNm則精餾段和提餾段平均外表*力分別為4.6液體粘度Lm塔頂、進(jìn)料板、塔底所對

12、應(yīng)的溫度下水的粘度分別為塔頂、進(jìn)料板、塔底所對應(yīng)的溫度下乙醇的粘度分別為則精餾段和提餾段平均液相粘度分別為5氣液負(fù)荷計(jì)算精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算如下：同理得提餾段6塔體主要工藝尺寸計(jì)算6.1塔徑D表6 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/mm200300250350300450350600400600參考表6，初選板間距HT=0.40m ,取板上液層高度hL=0.06m，故圖3 Sminth關(guān)聯(lián)圖查圖3可知，依照下式校正C取平安系數(shù)為0.7，則故按標(biāo)準(zhǔn)，塔徑圓整為1.6m，則空塔氣速塔內(nèi)各段負(fù)荷差異不大，各段塔徑保持一致。則提餾段空塔氣

13、速6.2塔有效高度Z在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8米。故精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.8=5.2+1.6+0.8=7.6m7塔板主要工藝尺寸計(jì)算7.1溢流裝置根據(jù)塔徑和液體流量采用單流型、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰。不設(shè)進(jìn)口堰。各項(xiàng)計(jì)算如下。溢流堰長lw取lw =0.66D，即出口堰高h(yuǎn)w則故降液管管寬度Wd與降液管面積Af由查圖5圖5 弓形降液管的寬度和面積得，故由下式計(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積，即符合要求降液管底隙高度h0取液體通過降液管底隙的流速u0 = 0.08m/s，依下式計(jì)算降液管底隙高度： hw-ho=0.0501-0.0226=0.0275

14、m0.006m故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理7.2塔板布置塔板的分塊因D800mm，故塔板采用分塊式，查表5-3得，塔板分為4塊。邊緣區(qū)寬度確定取邊緣區(qū)寬度Wc = 0.035m ，安定區(qū)寬度Ws = 0.065m 開孔區(qū)面積Aa計(jì)算其中篩孔計(jì)算及其排列取篩孔的孔徑d0 = 5mm，正三角形排列，一般碳鋼的板厚為3mm，取t/d0 = 3.0，故孔中心距依下式計(jì)算塔板上的篩孔數(shù)n依下式計(jì)算塔板上的開孔區(qū)的開孔率，即氣體通過篩孔的氣速；8篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算8.1塔板壓降計(jì)算干板阻力hc計(jì)算依，查圖7，C0=0.772 圖7 干篩孔的流量系數(shù)液柱氣體通過液層的阻力hl計(jì)算由圖8查取板上液層充氣系數(shù)為0.

15、61。圖8 充氣系數(shù)關(guān)系圖依式液柱液體外表*力的阻力h計(jì)算依式故m單板壓強(qiáng)降為 (設(shè)計(jì)允許值)8.2液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響8.3液沫夾帶量依式式中， hf塔板上鼓泡層高度，可按泡沫層相對密度為0.4考慮，即故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶。8.4漏液依式篩板的穩(wěn)定性系數(shù)故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下無明顯漏液。8.5液泛的驗(yàn)算為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度。液柱取，則液柱故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。9塔板負(fù)荷性能圖9.1漏液線氣相負(fù)荷下限線1由、代人漏液點(diǎn)氣速式：A0前已算出為0.248m2，代入上式并整理，得在操作*圍內(nèi)任取

16、n個(gè)值，依上式計(jì)算相應(yīng)值,列于表9中，依表9中數(shù)據(jù)作漏液線1，如圖9中線1所示。表9，0.2710.2960.3260.3499.2液沫夾帶線2近似取，故取液沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，根據(jù),得下式：整理得在操作*圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式算出相應(yīng)的值列于表7中。并依表中數(shù)據(jù)在圖中做出液沫夾帶線2，如圖9中線2所示。表7，5.0204.8404.6094.4169.3液相負(fù)荷下限線3取平堰、堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件，取,依下式計(jì)算，則整理上式得液相負(fù)荷下限線3在坐標(biāo)圖上為與氣體流量無關(guān)得垂直線，如圖9線3所示。9.4液相負(fù)荷上限線4取液體在降液管中停留時(shí)間為4s，則液相負(fù)荷上限線

17、4在坐標(biāo)圖上為與氣體流量無關(guān)得垂直線，如圖9線4所示。9.5液泛線5近似取，c故de將為0.4m，為0.0501m，及式c、d、e代入式和得：整理得：在操作*圍內(nèi)取假設(shè)干值，依上式計(jì)算值，列于表8中，并依表中數(shù)據(jù)在圖9中做出液泛線5，如圖9中線5所示。表8，7.7727.5817.3077.039根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖篩板塔的負(fù)荷性能圖10篩板塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表序號(hào)工程數(shù)值1平均溫度tm/2平均壓力pm/kPa3氣相流量Vs/m3s-14液相流量Ls/m3s-15實(shí)際塔板數(shù)6有效段高度Z/m7塔徑/m8板間距/m9溢流形式10降液管形式11堰長/m12堰高/m

18、13板上液層高度/m14堰上液層高度/m15降液管底隙高度/m16安定區(qū)寬度/m17邊緣區(qū)寬度/m18開孔區(qū)面積/m219篩孔直徑/m20篩孔數(shù)目21孔中心距/m22開孔率/%23空塔氣速/ms-124篩孔氣速/ms-125穩(wěn)定系數(shù)26每層塔板壓降/Pa27負(fù)荷上限28負(fù)荷下限29液沫夾帶ev/(kg液/kg氣)30氣相負(fù)荷上限/m3s-131氣相負(fù)荷下限/m3s-132操作彈性11精餾塔附屬設(shè)備選型與計(jì)算選列管式原料預(yù)熱器，強(qiáng)制循環(huán)式列管全凝器，列管式塔頂及塔底產(chǎn)品冷卻器，熱虹吸式再沸器。11.1冷凝器計(jì)算設(shè)原料液初始溫度為43，由汽液平衡數(shù)據(jù)查得組成*F = 0.1778的乙醇水溶液泡點(diǎn)溫度為99.33，在平均溫度99.33+43/2 =71.17下：乙醇的汽化潛熱r乙=1000kJ/kg水的汽化潛熱r水=2499kJ/kg。則可得平均汽化潛熱取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別為20和30則平均溫度下的比熱2，于是冷凝水用量可求得：11.2預(yù)熱器計(jì)算加熱蒸汽量以釜?dú)堃侯A(yù)熱原料液，則將原料加熱至泡點(diǎn)所需的