化工原理乙醇水课程设计分离乙醇水混合物精馏塔设计

长春工业大学化学工程学院化工原理课程设计化工原理课程设计分离乙醇-水混合物精馏塔设计学 院： 化学工程学院 专 业： 环境工程 学 号： 20092242 姓 名： 张 艺 指导教师： 杜长海 时 间： 2012年6月13日星期三 化工原理课程设计任务书 一、设计题目：分离乙醇-水混合物精馏塔设计二、原始数据：a） 原料液组成：乙醇 20 % 产品中： 乙醇 含量 94% 残液中 4%b） 生产能力：6万吨/年 c）操作条件 进料状态：自定 操作压力：自定 加热蒸汽压力：自定 冷却水温度：自定三、设计说明书内容：a）概述b）流程的确定与说明c）塔板数的计算（板式塔）； 或填料层高度计算（填料塔）d) 塔径的计算e）1）塔板结构计算；a 塔板结构尺寸的确定； b塔板的流体力学验算；c塔板的负荷性能图。 2）填料塔流体力学计算； a 压力降； b 喷淋密度计算 f）其它（1） 热量衡算冷却水与加热蒸汽消耗量的计算（2） 冷凝器与再沸器传热面的计算与选型（板式塔）（3） 除沫器设计g）料液泵的选型h）计算结果一览表第一章 课程设计报告内容一、精馏流程的确定乙醇、水混合料液经原料预热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽向沸热器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。二、塔的物料衡算(一) 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数(二) 平均摩尔质量(三) 物料衡算总物料衡算 易挥发组分物料衡算 联立以上三式得 三、塔板数的确定(一) 理论塔板数的求取 根据乙醇、水的气液平衡数据作y-x图乙醇水气液平衡数据液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数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乙醇水图解法求理论塔板数2. 乙醇水体系的平衡曲线有下凹部分，求最小回流比自a（）作平衡线的切线并延长与y轴相交，截距 取操作回流比故精馏段操作线方程 即3.作图法求理论塔板数得（不包括再沸器）。第16层为加料板。 (四) 物性参数和实际塔板数的计算4.1温度 常压下乙醇水气液平衡组成与温度的关系温度T液相中乙醇的摩尔分率%气相中乙醇的摩尔分率%1000.000.0095.50.01900.170089.00.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23370.544582.30.26080.558081.60.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.0656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943利用表中数据由内差可求得tF tD tW tF := tF=87.39 tD: := tD =78.21 tW := tW =96.21 精馏段平均温度:=82.8 提留段平均温度:=91.84.2气液组成塔顶温度: tD=78.21气相组成yD: yD=0.8683进料温度: tF=87.39气相组成yF: yF=0.4230塔底温度: tW=99.91气相组成yw: yw=0.04923(1)精馏段液相组成x1:气相组成y1:所以 (2)提留段液相组成x2:气相组成y2:所以4.3液体粘度（一）乙醇的粘度1），塔顶温度: tD=78.21 查表，得乙醇=0.45mpa·s, 2), 进料温度: tF=87.39 查表，得乙醇=0.38mpa·s, 3），塔底温度: tW=99.91 查表，得乙醇=0.335mpa·s,（二）水的黏度1），塔顶温度: tD=78.21 2), 进料温度: tF=87.39 3），塔底温度: tW=99.91 4), 5)全塔平均液相黏度为4.4相对挥发度由 xF=0.0892 yF=0.4230 得由 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）用对全塔效率进行估算：全塔平均液相黏度为全塔效率 （2） 实际塔板数 块 其中，精馏段的塔板数为：块4.6 操作压力（1）操作压力计算 塔顶操作压力 101.3 kPa每层塔板压降 P0.7 kPa进料板压力101.30.7×15125.72kPa塔底操作压力=101.30.7×42130.7kPa精馏段平均压力 kPa提馏段平均压力 kPa（2）密度乙醇与水的密度温度/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0已知：（为质量分数）1, 液相密度(1) 塔顶 因为 tD =78.21 所以 (2) 进料板 因为 所以 （3）塔釜 因为tW =96.21所以 （4）精馏段平均液相密度（5）精馏段平均液相密度2.气相密度（1）精馏段 （1）提馏段 4.7 液体表面张力乙醇表面张力：温度，2030405060708090100110，m N/m22.321.220.419.818.81817.1516.215.214.4水表面张力温度，020406080100，m N/m75.6472.7569.6066.2462.6758.91(1) 塔顶 因为 tD =78.21 所以 (2) 进料板 因为 所以 （3）塔釜 因为tW =96.21所以 （4）塔顶表面张力 （5）进料板表面张力（6）塔底表面张力 （7）精馏段平均表面张力（8）提馏段平均表面张力五、气液负荷计算（1）精馏段（1）提馏段六、塔和塔板主要工艺尺寸计算(一) 塔的有效高度计算初选板间距，则由公式 （二） 塔径D参考表4-1，初选板间距,取板上液层高度表4-1 板间距与塔径的关系塔径D/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT/mm200300250350300450350600400600(1)精馏段塔经计算 图4-5 Sminth关联图查图4-5可知，依照下式校正C取安全系数为0.60，则故按标准，塔径圆整为2.6m，塔截面积为实际空塔气速为提留段塔径计算 横坐标数值： 取板间距：Ht=0.45m , hL=0.07m .则Ht- hL=0.38m 查图可知C20=0.078 , 取安全系数为0.6 则空塔气速 按标准塔径圆整后为=2.6m综上：塔径D=2.6m，选择双流型塔板，截面积（三）溢流装置 采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。1.溢流堰长 单溢流 为0.6D，即 2.出口堰高由 ，（1） 精馏段图4-9 液流收缩系数计算图查图4-9，知E =1 则故 （2） 提馏段查图4-9，知E =1 则故 3.弓形降液管滴面积 由 图4-11 弓形降液管的宽度和面积查图4-11，得 ，故 =5.31 由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即提馏段： (符合要求)提馏段： (符合要求)4.1.2.4降液管底隙高度（1）精馏段 （2）提馏段4.1.2.5受液盘受液盘凹形和平形两种，对于塔径为以上的塔，常采用凹形受液盘，这种结构在低流量时仍能造成正液封，且有改变液体流向的缓冲作用。凹形受液盘的的深度一般在50mm以上。选用凹形受液盘：深度（三）塔板布置1.取边缘区宽度，安定区宽度2.依下式计算开孔区面积其中 其中:出口堰高 how堰上液层高度 降液管底隙高度 进口堰与降液管的水平距离 进口堰高 降液管中清液层高度 板间距 堰长 弓形降液管高度 无效周边高度 安定区宽度 D塔径 R鼓泡区半径 x鼓泡区宽度的1/2 t同一横排的阀孔中心距 (单位均为m) （四）筛孔数n与开孔率取筛孔的孔径，正三角形排列，一般碳钢的板厚，取，故孔中心距依下式计算塔板上的筛孔数n，即个依下式计算塔板上的开孔区的开孔率，即 （在5%15%范围内）每层塔板上的开孔面积为精馏段：气体通过筛孔的气速 提馏段气体通过筛孔的气速 七、筛板的流体力学验算（一）气体通过筛板压强降的液柱高度 依式 1. 精馏段：（1） 干板压强降相当的液柱高度依 图4-13 干筛孔的流量系数查图4-13， （2） 气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度 图4-14 充气系数关系图由图4-14查取板上液层充气系数为0.58。 依右式 （3） 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度依式（4-41）故 m 单板压强降<0.7kPa(设计允许值)2. 提馏段（1） 干板压强降相当的液柱高度依 查图得， （2） 气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度 由图查取板上液层充气系数为0.61。 依右式 （3） 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度依式（4-41）故 m 单板压强降 kPa <0.7kPa(设计允许值)（二）雾沫夹带量的验算（1）精馏段 式中，塔板上鼓泡层高度，可按泡沫层相对密度为0.4考虑，即=（0.4）=2.5=2.5×0.07=0.175故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。（2）提馏段 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带（三） 漏液的验算 （1）精馏段筛板的稳定性系数 故在设计负荷下不会产生过量漏液。（2）提馏段筛板的稳定性系数 故在设计负荷下不会产生过量漏液。（四）液泛的验算（1）精馏段为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度。 取，则故，在设计负荷下不会发生液泛。（2）提馏段 取，则故，在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项流体体力学验算，是合适的。八、塔板负荷性能图（一）雾沫夹带线（1）精馏段 （a） 近似取 ， 故 （b）取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知，并将式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （2）提馏段 近似取 ， 故 取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知，并将式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （1） 做出雾沫夹带 （二）液泛线（1）精馏段 （*） 近似取 ， 故 (已算出) 故 将为0.45m，为0.05m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：整理得： （2） 提留段 故 (已算出) 故 将为0.45m，为0.04m，及式（c）（d）（e）代入（*）式得：整理得：依表中数据做出液泛线（2），如图4-24中线（2）所示。（三）液相负荷上限线（3） 取液体在降液管中停留时间为5s， （四）漏液线（气相负荷下限线）（4）(1) 精馏段 v=m。(2) 提留段 v=m。（五）液相负荷下限线（5） 取平堰、堰上液层高度，作为液相负荷下限条件，依下式计算，取，则 整理上式得 （5） 1. 各接管尺寸的确定5.1. 进料管进料体积流量;取适宜的输送速度uf=3.0m/s, 故经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：89×5.5mm 5.2. 釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度：uf=3m/s, 则 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：76×3.5mm 5.3. 回流液管回流液体积流量：利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度uL=0.8m/s那么经圆整选取热轧无缝钢管，规格：108×5mm5.4. 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量：取适宜速度uV=20m/s，那么 经圆整选取拉制黄铜管，规格：540×5mm 一、 辅助设备的计算及选型1. 冷凝器热负荷 按泡点回流设计，即饱和蒸汽冷凝且饱和回流，采用30的水作为冷却剂，逆流操作，则 Q=Wr1r1=VMVDr1 查液体的汽化潜热图，可知塔顶温度78.21下， 乙醇汽化潜热：rA=750KJ/kg 水的汽化潜热：rB=1750KJ/kgr1=rixi=750×0.86×46+（1-0.86）×1750×18=34080KJ/Kmol故Q=2085.37×34080/3600=1372.15KJ/s又由于Q=KAtm则因为 K=750J/s·(m2·K)所以 2. 再沸器热负荷 采用饱和水蒸气间接加热，逆流操作，则 Q=Wh2r2 查得塔釜温度96.21下乙醇汽化潜热rA=775KJ/kg 水的汽化潜热：rB=1800KJ/kgr2=rixi=775×0.016×46+（1-0.016）×1800×18=32452KJ/Kmol故Q=（L-W）Mflr=(3039.92-2085.37)×32452=8605KJ/s又由于Q=KAtm因为K=900J/s·(m2·K)所以 二、 设计结果一览表浮阀塔工艺设计结果项目数值塔径D/m2.6板间距HT/m0.45板上液层高度hL/m0.07空塔气速精馏塔u/(m·s-1)1.33提馏塔u/(m·s-1)1.73溢流堰长度lW/m1.56溢流堰高度精馏段hw/m0.05提馏段 hw/m0.04降液管截面积Af/m20.0292降液管高度Wd/m0.286降液管底隙高度精馏段h0/m0.044提馏段 h0/m0.034筛孔数N/个22638开孔率 %10.08%塔板压降精馏段 hp/m0.081提馏段hP/m 0.071雾沫夹带精馏段ev0.0261提馏段ev0.0166降液管内的清液高度精馏段Hd/m气相负荷下限提馏段2.18精馏段1.9液相负荷上限提馏段0.026精馏段0.026液相负荷下限提馏段0.00133精馏段0.00133三、 附录：参考文献【1】王志魁编,化工原理。北京：化学工业出版社。2005.01【2】贾绍义，柴诚敬编。化工原理课程设计。天津：天津大学出版社。2003.12【3】华东理工大学化工原理教研室编。化工过程开发设计。广州：华南理工大学出版社。1996.02【4】刘道德编。化工设备的选择与设计。长沙：中南大学出版社。2003.04【5】袁惠新编。分离过程与设备。北京：化学工业出版社。2003.03 29