化工原理課程設計---分離乙醇-水混合物精餾塔設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p>　　分離乙醇-水混合物精餾塔設計</p><p>　　學 院： 化學工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　時 間： 2012年6月13日星期三 </p><p>　　化工原理課程設計任務

3、書</p><p>　　一、設計題目：分離乙醇-水混合物精餾塔設計</p><p><b>　　二、原始數(shù)據：</b></p><p>　　a） 原料液組成：乙醇 20 % 產品中： 乙醇 含量 ≥94% 殘液中 ≤4%</p><p>　　b） 生產能力：6萬噸/年 </p>&

4、lt;p><b>　　c）操作條件 </b></p><p>　　進料狀態(tài)：自定 操作壓力：自定 </p><p>　　加熱蒸汽壓力：自定 冷卻水溫度：自定</p><p>　　三、設計說明書內容：</p><p><b>　　a）概述</b><

5、/p><p>　　b）流程的確定與說明</p><p>　　c）塔板數(shù)的計算（板式塔）； 或填料層高度計算（填料塔）</p><p><b>　　d) 塔徑的計算</b></p><p>　　e）1）塔板結構計算；</p><p>　　a 塔板結構尺寸的確定； b塔板的流體力學驗算；c塔板的負荷性

6、能圖。</p><p>　　2）填料塔流體力學計算；</p><p>　　a 壓力降； b 噴淋密度計算</p><p><b>　　f）其它</b></p><p>　?。?） 熱量衡算—冷卻水與加熱蒸汽消耗量的計算</p><p>　?。?） 冷凝器與再沸器傳熱面的計算與選型（板式塔）<

7、/p><p><b>　?。?） 除沫器設計</b></p><p><b>　　g）料液泵的選型</b></p><p><b>　　h）計算結果一覽表</b></p><p>　　第一章 課程設計報告內容</p><p><b>　　一、精餾流

8、程的確定</b></p><p>　　乙醇、水混合料液經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，其余為塔頂產品經冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽向沸熱器供熱，塔底產品經冷卻后送入貯槽。</p><p><b>　　二、塔的物料衡算</b></p><p>　　(一) 料液及塔頂、塔底產

9、品含乙醇摩爾分數(shù)</p><p>　　(二) 平均摩爾質量</p><p><b>　　(三) 物料衡算</b></p><p>　　總物料衡算 </p><p>　　易揮發(fā)組分物料衡算 </p><p>　　聯(lián)立以上三式得 </p><p

10、><b>　　三、塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　(一) 理論塔板數(shù)的求取</p><p>　　根據乙醇、水的氣液平衡數(shù)據作y-x圖</p><p>　　乙醇—水氣液平衡數(shù)據</p><p>　　乙醇—水圖解法求理論塔板數(shù)</p><p>　　2. 乙醇—水體系的平衡曲線有下凹部分

11、，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 </p><p><b>　　取操作回流比</b></p><p>　　故精餾段操作線方程 </p><p><b>　　即</b></p><p>　　3.作圖法求理論塔板數(shù)得</p><p>　?。ú话ㄔ?/p>

12、沸器）。第16層為加料板。</p><p>　　(四) 物性參數(shù)和實際塔板數(shù)的計算</p><p><b>　　4.1溫度</b></p><p>　　常壓下乙醇—水氣液平衡組成與溫度的關系</p><p>　　利用表中數(shù)據由內差可求得tF tD tW</p><p>　?、?tF :=

13、 tF=87.39℃</p><p>　?、?tD: := tD =78.21℃</p><p>　　③ tW := tW =96.21℃ </p><p>　?、?精餾段平均溫度:===82.8℃</p><p>　?、?提留段平均溫度:===91.8℃</p><

14、;p><b>　　4.2氣液組成</b></p><p>　　塔頂溫度: tD=78.21℃</p><p>　　氣相組成yD: yD=0.8683</p><p>　　進料溫度: tF=87.39℃</p><p>　　氣相組成yF: yF=0.4230</p><p>

15、;　　塔底溫度: tW=99.91℃</p><p>　　氣相組成yw: yw=0.04923</p><p><b>　　(1)精餾段</b></p><p><b>　　液相組成x1:</b></p><p><b>　　氣相組成y1:</b></

16、p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　(2)提留段</b></p><p><b>　　液相組成x2:</b></p><p><b>　　氣相組成y2:</b></p><p><b>　　所以&

17、lt;/b></p><p><b>　　4.3液體粘度</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┮掖嫉恼扯?lt;/b></p><p>　　1），塔頂溫度: tD=78.21℃ 查表，得μ乙醇=0.45mpa·s, </p><p>　　2), 進料溫度: tF=87.39℃

18、 查表，得μ乙醇=0.38mpa·s, </p><p>　　3），塔底溫度: tW=99.91℃ 查表，得μ乙醇=0.335mpa·s,</p><p><b>　?。ǘ┧酿ざ?lt;/b></p><p>　　1），塔頂溫度: tD=78.21℃ </p><p>　　2), 進料溫

19、度: tF=87.39℃ </p><p>　　3），塔底溫度: tW=99.91℃ </p><p><b>　　4),</b></p><p><b>　　5)</b></p><p><b>　　全塔平均液相黏度為</b></p><p>

20、;<b>　　4.4相對揮發(fā)度</b></p><p>　　由 xF=0.0892 yF=0.4230 得</p><p>　　由 xD=0.86 yD=0.08683 得</p><p>　　由 xW=0.016 yw=0.04923 得</p><p>　　4.5全塔效率的估算</p>

21、<p>　?。?）用對全塔效率進行估算：</p><p><b>　　全塔平均液相黏度為</b></p><p><b>　　全塔效率</b></p><p><b>　?。?） 實際塔板數(shù)</b></p><p><b>　　塊</b><

22、/p><p>　　其中，精餾段的塔板數(shù)為：塊</p><p><b>　　4.6 操作壓力</b></p><p>　?。?）操作壓力計算 塔頂操作壓力＝ 101.3 kPa</p><p>　　每層塔板壓降 △P＝0.7 kPa</p><p>　　進料板壓力＝101.3＋0.7×15＝

23、125.72kPa</p><p>　　塔底操作壓力=101.3＋0.7×42＝130.7kPa</p><p>　　精餾段平均壓力 kPa</p><p>　　提餾段平均壓力 kPa</p><p><b>　?。?）密度</b></p><p><b>　　乙醇與水的

24、密度</b></p><p>　　已知：（為質量分數(shù)）</p><p><b>　　1, 液相密度</b></p><p>　　(1) 塔頂 因為 tD =78.21℃ </p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　(2)

25、 進料板 因為℃ </p><p>　　所以 </p><p><b>　?。?）塔釜 </b></p><p>　　因為tW =96.21℃</p><p>　　所以 </p><p>　　（4）精餾段平均液相密度</p><p>　?。?/p>

26、5）精餾段平均液相密度</p><p><b>　　2.氣相密度</b></p><p><b>　　（1）精餾段 </b></p><p><b>　?。?）提餾段 </b></p><p>　　4.7 液體表面張力</p><p><b>

27、　　乙醇表面張力：</b></p><p><b>　　水表面張力</b></p><p>　　(1) 塔頂 因為 tD =78.21℃ </p><p>　　所以 </p><p>　　(2) 進料板 因為℃ </p><p>　　所以 &

28、lt;/p><p>　?。?）塔釜 因為tW =96.21℃</p><p>　　所以 </p><p>　?。?）塔頂表面張力 </p><p>　?。?）進料板表面張力</p><p>　　（6）塔底表面張力 </p><p>　?。?）精餾段平均表面張力</p&g

29、t;<p>　　（8）提餾段平均表面張力</p><p><b>　　五、氣液負荷計算</b></p><p><b>　　（1）精餾段</b></p><p><b>　?。?）提餾段</b></p><p>　　六、塔和塔板主要工藝尺寸計算</p>

30、<p>　　(一) 塔的有效高度計算</p><p><b>　　初選板間距，</b></p><p><b>　　則由公式 </b></p><p><b>　　塔徑D</b></p><p>　　參考表4-1，初選板間距,取板上液層高度</p>

31、<p>　　表4-1 板間距與塔徑的關系</p><p>　　(1)精餾段塔經計算</p><p>　　圖4-5 Sminth關聯(lián)圖</p><p>　　查圖4-5可知，，依照下式校正C</p><p>　　取安全系數(shù)為0.60，則</p><p><b>　　故</b></p&

32、gt;<p>　　按標準，塔徑圓整為2.6m，</p><p><b>　　塔截面積為</b></p><p><b>　　實際空塔氣速為</b></p><p><b>　　提留段塔徑計算</b></p><p><b>　　橫坐標數(shù)值： </b

33、></p><p>　　取板間距：Ht=0.45m , hL=0.07m .則Ht- hL=0.38m</p><p>　　查圖可知C20=0.078 , </p><p>　　取安全系數(shù)為0.6 </p><p><b>　　則空塔氣速</b></p><p>　　按標準塔徑圓整后為=2.

34、6m</p><p>　　綜上：塔徑D=2.6m，選擇雙流型塔板，截面積</p><p><b>　?。ㄈ┮缌餮b置</b></p><p>　　采用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰，不設進口堰。各項計算如下。</p><p><b>　　1.溢流堰長</b></p><

35、;p>　　單溢流 為0.6D，即 </p><p><b>　　2.出口堰高</b></p><p><b>　　由 ，</b></p><p><b>　　精餾段</b></p><p>　　圖4-9 液流收縮系數(shù)計算圖</p><p>　　

36、查圖4-9，知E =1 </p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　故 </b></p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　查圖4-9，知E =1 </p><p><b>　　則</b&g

37、t;</p><p><b>　　故 </b></p><p>　　3.弓形降液管滴面積</p><p><b>　　由 </b></p><p>　　圖4-11 弓形降液管的寬度和面積</p><p>　　查圖4-11，得 ，</p><p>&

38、lt;b>　　故</b></p><p><b>　　=5.31 </b></p><p>　　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</p><p>　　提餾段： (符合要求)</p><p>　　提餾段： (符合要求)</p><p>　　4.1.2.4降液管底

39、隙高度</p><p><b>　?。?）精餾段</b></p><p><b>　?。?）提餾段</b></p><p>　　4.1.2.5受液盤</p><p>　　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，這種結構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

40、盤的的深度一般在50mm以上。</p><p>　　選用凹形受液盤：深度</p><p><b>　?。ㄈ┧宀贾?lt;/b></p><p>　　1.取邊緣區(qū)寬度，安定區(qū)寬度</p><p>　　2.依下式計算開孔區(qū)面積</p><p><b>　　其中 </b></p

41、><p>　　其中:——出口堰高 how——堰上液層高度 ——降液管底隙高度 </p><p>　　——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 </p><p>　　——無效周邊高度

42、 ——安定區(qū)寬度 D——塔徑 </p><p>　　R——鼓泡區(qū)半徑 x——鼓泡區(qū)寬度的1/2 </p><p>　　t——同一橫排的閥孔中心距 (單位均為m) </p><p>　　（四）篩孔數(shù)n與開孔率</p><p>　　取篩孔的孔徑，正三角形排列，一般碳鋼的板厚，取，</p><

43、;p><b>　　故孔中心距</b></p><p>　　依下式計算塔板上的篩孔數(shù)n，即</p><p><b>　　個</b></p><p>　　依下式計算塔板上的開孔區(qū)的開孔率，即</p><p>　?。ㄔ?%～15%范圍內）</p><p>　　每層塔板上的開孔

44、面積為</p><p><b>　　精餾段：：</b></p><p>　　氣體通過篩孔的氣速 </p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　氣體通過篩孔的氣速 </p><p>　　七、篩板的流體力學驗算</p><p>　

45、　（一）氣體通過篩板壓強降的液柱高度</p><p><b>　　依式 </b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　干板壓強降相當?shù)囊褐叨?lt;/p><p><b>　　依 </b></p><p>　　圖

46、4-13 干篩孔的流量系數(shù)</p><p><b>　　查圖4-13，</b></p><p>　　氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?</p><p>　　圖4-14 充氣系數(shù)關系圖</p><p>　　由圖4-14查取板上液層充氣系數(shù)為0.58。</p><p><b>　　依右式

47、 </b></p><p>　　克服液體表面張力壓強降相當?shù)囊褐叨?lt;/p><p><b>　　依式（4-41）</b></p><p>　　故 m</p><p>　　單板壓強降<0.7kPa(設計允許值)</p><p><b>　　提餾段<

48、;/b></p><p>　　干板壓強降相當?shù)囊褐叨?lt;/p><p><b>　　依 </b></p><p><b>　　查圖得，</b></p><p>　　氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?</p><p>　　由圖查取板上液層充氣系數(shù)為0.61

49、。</p><p><b>　　依右式 </b></p><p>　　克服液體表面張力壓強降相當?shù)囊褐叨?lt;/p><p><b>　　依式（4-41）</b></p><p>　　故 m</p><p>　　單板壓強降 kPa <0.7kPa(設計允

50、許值)</p><p>　?。ǘ╈F沫夾帶量的驗算</p><p><b>　　（1）精餾段 </b></p><p>　　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</p><p>　　=（∕0.4）=2.5=2.5×0.07=0.175</p><p>　　故在設

51、計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。</p><p><b>　?。?）提餾段 </b></p><p>　　故在設計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶</p><p><b>　　漏液的驗算</b></p><p><b>　　（1）精餾段</b></p><p>

52、　　篩板的穩(wěn)定性系數(shù) </p><p>　　故在設計負荷下不會產生過量漏液。</p><p><b>　?。?）提餾段</b></p><p>　　篩板的穩(wěn)定性系數(shù) </p><p>　　故在設計負荷下不會產生過量漏液。</p><p><b>　　（四）液泛的驗算</b&

53、gt;</p><p><b>　　（1）精餾段</b></p><p>　　為防止降液管液泛的發(fā)生，應使降液管中清液層高度。</p><p><b>　　取，則</b></p><p>　　故，在設計負荷下不會發(fā)生液泛。</p><p><b>　?。?）提餾段

54、</b></p><p><b>　　取，則</b></p><p>　　故，在設計負荷下不會發(fā)生液泛。</p><p>　　根據以上塔板的各項流體體力學驗算，是合適的。</p><p><b>　　八、塔板負荷性能圖</b></p><p><b>　

55、?。ㄒ唬╈F沫夾帶線</b></p><p><b>　?。?）精餾段</b></p><p><b>　?。╝） </b></p><p><b>　　近似取 ，，</b></p><p><b>　　故 </b></p&g

56、t;<p><b>　?。╞）</b></p><p>　　取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知，，</p><p>　　并將式（a）、（b）代入,得下式：</p><p><b>　　整理得 </b></p><p><b>　　（2）提餾段</b&

57、gt;</p><p><b>　　近似取 ，，</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知，，</p><p>　　并將式（a）、（b）代入,得下式：</p><p>　　整理得

58、 （1）</p><p><b>　　做出霧沫夾帶 </b></p><p><b>　?。ǘ┮悍壕€</b></p><p><b>　?。?）精餾段</b></p><p><b>　

59、?。?）</b></p><p><b>　　近似取 ， </b></p><p><b>　?、?</b></p><p>　　故 </p><p><b>　　②

60、</b></p><p><b>　　(已算出)</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　③ </p><p>　　將為0.45m，為0.05m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：</p><

61、;p>　　整理得： </p><p><b>　?。?） 提留段 </b></p><p><b>　?、?</b></p><p>　　故

62、 </p><p><b>　　② </b></p><p><b>　　(已算出)</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　?、?</p><p>　　將為0.4

63、5m，為0.04m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：</p><p><b>　　整理得：</b></p><p>　　依表中數(shù)據做出液泛線（2），如圖4-24中線（2）所示。</p><p>　?。ㄈ┮合嘭摵缮舷蘧€（3）</p><p>　　取液體在降液管中停留時間為5s， </p><p&

64、gt;　?。ㄋ模┞┮壕€（氣相負荷下限線）（4）</p><p>　　(1) 精餾段 v=m。</p><p>　　(2) 提留段 v=m。</p><p>　?。ㄎ澹┮合嘭摵上孪蘧€（5）</p><p>　　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 </p><p>　　整理上式得

65、 （5） </p><p><b>　　各接管尺寸的確定</b></p><p><b>　　進料管</b></p><p><b>　　進料體積流量;</b></p><p>　　取適宜的輸送速度uf=3.

66、0m/s, 故</p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，規(guī)格：φ89×5.5mm</p><p><b>　　釜殘液出料管</b></p><p><b>　　釜殘液的體積流量：</b></p><p>　　取適宜的輸送速度：uf=3m/s, 則 </p&g

67、t;<p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：φ76×3.5mm</p><p><b>　　回流液管</b></p><p><b>　　回流液體積流量：</b></p><p>　　利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度uL=0.8m/s</p><p><b&g

68、t;　　那么</b></p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：φ108×5mm</p><p><b>　　塔頂上升蒸汽管</b></p><p>　　塔頂上升蒸汽的體積流量：</p><p>　　取適宜速度uV=20m/s，那么 </p><p>　　經圓整選取拉

69、制黃銅管，規(guī)格：φ540×5mm </p><p>　　輔助設備的計算及選型</p><p><b>　　冷凝器熱負荷</b></p><p>　　按泡點回流設計，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</p><p>　　查液體的汽化潛熱圖，可知塔頂溫

70、度78.21℃下，</p><p>　　乙醇汽化潛熱：rA=750KJ/kg</p><p>　　水的汽化潛熱：rB=1750KJ/kg</p><p>　　r1=∑rixi=750×0.86×46+（1-0.86）×1750×18=34080KJ/Kmol</p><p>　　故Q=2085.37&#

71、215;34080/3600=1372.15KJ/s</p><p>　　又由于Q=KAΔtm</p><p><b>　　則</b></p><p>　　因為 K=750J/s·(m2·K)</p><p><b>　　所以 </b></p><p>&

72、lt;b>　　再沸器熱負荷</b></p><p>　　采用飽和水蒸氣間接加熱，逆流操作，則 Q=Wh2r2</p><p>　　查得塔釜溫度96.21℃下</p><p>　　乙醇汽化潛熱rA=775KJ/kg</p><p>　　水的汽化潛熱：rB=1800KJ/kg</p><p>　　r2=∑

73、rixi=775×0.016×46+（1-0.016）×1800×18=32452KJ/Kmol</p><p>　　故Q=（L′-W）Mflr=(3039.92-2085.37)×32452=8605KJ/s</p><p>　　又由于Q=KAΔtm</p><p>　　\因為K=900J/s·(m2&#

74、183;K)</p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　設計結果一覽表</b></p><p><b>　　浮閥塔工藝設計結果</b></p><p><b>　　附錄：參考文獻</b></p><p>

75、;　　【1】王志魁編,化工原理。北京：化學工業(yè)出版社。2005.01</p><p>　　【2】賈紹義，柴誠敬編?；ぴ碚n程設計。天津：天津大學出版社。2003.12</p><p>　　【3】華東理工大學化工原理教研室編?；み^程開發(fā)設計。廣州：華南理工大學出版社。1996.02</p><p>　　【4】劉道德編?；ぴO備的選擇與設計。長沙：中南大學出版社。2