乙醇精餾塔化工原理課程設(shè)計分離乙醇水混合物精餾塔設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計分離乙醇-水混合物精餾塔設(shè)計學(xué) 院： 化學(xué)工程學(xué)院 專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 時 間： 2012年6月13日星期三 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 一、設(shè)計題目：分離乙醇-水混合物精餾塔設(shè)計二、原始數(shù)據(jù)：a） 原料液組成：乙醇 20 % 產(chǎn)品中： 乙醇 含量 94% 殘液中 4%b） 生產(chǎn)能力：6萬噸/年c）操作條件 進(jìn)料狀態(tài)：自定 操作壓力：自定 加熱蒸汽壓力：自定 冷卻水溫度：自定三、設(shè)計說明書內(nèi)容：a）概述b）流程的確定與說明c）塔板數(shù)的計算（板式塔）； 或填料層高度計算（填料塔）d) 塔徑的計算e）1）塔板結(jié)構(gòu)計算；a 塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定； b塔板的流體力學(xué)驗算

2、；c塔板的負(fù)荷性能圖。 2）填料塔流體力學(xué)計算； a 壓力降； b 噴淋密度計算 f）其它（1） 熱量衡算冷卻水與加熱蒸汽消耗量的計算（2） 冷凝器與再沸器傳熱面的計算與選型（板式塔）（3） 除沫器設(shè)計g）料液泵的選型h）計算結(jié)果一覽表目錄前言 2一、概述 2二、精餾系統(tǒng)工藝流程的確定 3三、物料衡算 3四、塔板數(shù)計算 3 1、理論塔板數(shù)的確定 2、總板效率估計 3、計算實際塔板數(shù)五、塔板結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計 5 1、初選塔板間距 2、塔徑計算 3、塔板上溢流型式的確定 4、塔板布置 5、塔板各部分面積和對應(yīng)氣速計算六、塔板流體力學(xué)校核 10 1、板上溢流強(qiáng)度檢查2、氣體通過塔板的壓力降計算3、液面

3、落差校核 4、漏液點氣速校核 5、降液管內(nèi)液面高度和液體停留時間校核七、塔板負(fù)荷性能圖 12 1、負(fù)荷性能圖的繪制 2、塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計評述八、塔總體結(jié)構(gòu) 13 1、塔高的計算 2、接管 3、人孔和手孔九、精餾塔附屬設(shè)備選型設(shè)算 18參考資料 18附錄 1、乙醇水溶液的密度 182、乙醇水溶液汽液平衡數(shù)據(jù)（常壓） 193、乙醇水蒸汽在沸騰條件下的密度 204、苯、甲苯的密度、表面張力和汽化潛熱 205、總傳熱系數(shù)（列管換熱器）的大致范圍 206、乙醇水混合物的熱焓 21摘 要精餾是利用物質(zhì)沸點的不同，多次的進(jìn)行混合蒸氣的部分冷凝和混合液的部分蒸發(fā)的過程，以達(dá)到分離的目的。塔設(shè)備是煉油和化工生產(chǎn)的重

4、要設(shè)備，其作用在于提供氣液兩相充分接觸的場所，有效地實現(xiàn)氣液兩相間的傳熱、傳質(zhì)，以達(dá)到理想的分離效果，因此它在石油化工生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。一個完整的板式塔主要是由圓柱形塔體、塔板、降液管、溢流堰、受液盤及氣體和液體進(jìn)、出口管等部件組成，同時考慮到安裝和檢修的需要，塔體上還要設(shè)置人孔和手孔。平臺扶梯和吊柱等部件，整個塔體由塔裙座支撐，在塔內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)公益要求，裝有多層塔板，為氣液亮相提供接觸的場所，塔板性能的好壞直接影響傳質(zhì)效果，是塔板塔的核心部件設(shè)計目的：1著重加深學(xué)生對于化工原理理論知識的掌握。2積極引導(dǎo)學(xué)生去思考，培養(yǎng)他們靈活運(yùn)用所學(xué)知識去解決問題的能力，以及查閱資料、處理數(shù)據(jù)的能力。第一

5、章 課程設(shè)計報告內(nèi)容一、精餾流程的確定乙醇、水混合料液經(jīng)原料預(yù)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(chǎn)品經(jīng)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(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。二、塔的物料衡算(一)料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分?jǐn)?shù)(二)平均摩爾質(zhì)量(三)物料衡算總物料衡算 易揮發(fā)組分物料衡算聯(lián)立以上三式得 三、塔板數(shù)的確定(一)理論塔板數(shù)的求取根據(jù)乙醇、水的氣液平衡數(shù)據(jù)作y-x圖乙醇水氣液平衡數(shù)據(jù)液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)0.00.00.250.5510.010.110.300.57

6、50.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0乙醇水圖解法求理論塔板數(shù)2.乙醇水體系的平衡曲線有下凹部分，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 取操作回流比故精餾段操作線方程即3.作圖法求理論塔板數(shù)得（不包括再沸器）。第10層為加料板。(四)物性參數(shù)和實際塔板數(shù)的計算4.1溫度常壓下乙醇水氣液平衡組成與溫度的關(guān)系溫度T液相中乙醇的摩爾分率%氣相中乙醇的摩爾分

7、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利用表中數(shù)據(jù)由內(nèi)差可求得tF tD tWtF=83.1tD =78.5tW =92.1

8、 精餾段平均溫度:=80.8提留段平均溫度:=87.64.2氣液組成塔頂溫度: tD=78.5氣相組成: yD=0.8042進(jìn)料溫度: tF=83.1氣相組成 yF=塔底溫度: tW=92.1氣相組成 yw=0.2621(1) 精餾段定性溫度tm =80.8 查x-y-t圖得液相組成x1:氣相組成y1:所以(2) 提留段定性溫度：=87.6查x-y-t圖得液相組成x2:氣相組成y2:所以4.3液體粘度全塔溫度：（一）乙醇的粘度1），溫度: =85.3 查表，得乙醇=0.429mpa·s, （二）水的黏度1），溫度: =85.34),4.4相對揮發(fā)度在85.3查x-y-t圖得4.5全塔

9、效率的估算全塔效率 （2） 實際塔板數(shù)塊 其中，精餾段的塔板數(shù)為：17塊 提留段：4塊4.6 操作壓力（1）操作壓力計算 塔頂操作壓力 101.35+0.5=101.85kPa每層塔板壓降 P0.5kPa進(jìn)料板壓力101.30.5×7109.85kPa精餾段平均壓力 kPa提餾段平均壓力 kPa（2）密度乙醇與水的密度溫度/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0已知：（為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）1

10、,液相密度(1) 塔頂 因為 tD =78.5 查的(2) 進(jìn)料板 因為查的所以 =0.4（3）塔釜因為tW =92.1 查表的=0.07998（4）精餾段平均液相密度（5）精餾段平均液相密度2.氣相密度（1）精餾段 （1）提餾段 4.7 液體表面張力乙醇表面張力：溫度，2030405060708090100110，m N/m22.321.220.419.818.81817.1516.215.214.4水表面張力溫度，020406080100，m N/m75.6472.7569.6066.2462.6758.91乙醇臨界溫度 水臨界溫度 查的x=0.3895在80時 精餾段在80.8提留段 x

11、=0.0772五、氣液負(fù)荷計算（1）精餾段（1）提餾段六、塔和塔板主要工藝尺寸計算(一) 塔的有效高度計算初選板間距，則由公式（二） 塔徑D參考表4-1，初選板間距,取板上液層高度表4-1 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(1)精餾段塔經(jīng)計算圖4-5 Sminth關(guān)聯(lián)圖查圖4-5可知，依照下式校正C取安全系數(shù)為0.75，則故按標(biāo)準(zhǔn)，塔徑圓整為1m，塔截面積為實際空塔氣速為在范圍內(nèi)提留段塔徑計算 橫坐標(biāo)數(shù)值： 查圖可知C20=0.06 , 取安全系數(shù)為0.75 則空

12、塔氣速按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為=1m在范圍內(nèi)（三）溢流裝置 采用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進(jìn)口堰。各項計算如下。1.溢流堰長 單溢流 為0.7D，即 2.出口堰高由 ，（1） 精餾段圖4-9 液流收縮系數(shù)計算圖查圖4-9，知E =1 則故 （2） 提餾段查圖4-9，知E =1 則故 3.弓形降液管滴面積 由 圖4-11 弓形降液管的寬度和面積查圖4-11，得 ，故=0.785 由下式計算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積，即提餾段： (符合要求)提餾段： (符合要求)4.1.2.4降液管底隙高度（1）精餾段（2）提餾段.5受液盤受液盤凹形和平形兩種，對于塔徑為以上的塔，常采

13、用凹形受液盤，這種結(jié)構(gòu)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。凹形受液盤的的深度一般在50mm以上。選用凹形受液盤：深度（三）塔板布置1.取邊緣區(qū)寬度，安定區(qū)寬度2.依下式計算開孔區(qū)面積見附圖其中:出口堰高 how堰上液層高度 降液管底隙高度 進(jìn)口堰與降液管的水平距離 進(jìn)口堰高 降液管中清液層高度 板間距 堰長 弓形降液管高度 無效周邊高度 安定區(qū)寬度 D塔徑 R鼓泡區(qū)半徑 x鼓泡區(qū)寬度的1/2 t同一橫排的閥孔中心距 (單位均為m) （四）篩孔數(shù)n與開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，一般碳鋼的板厚，取，故孔中心距依下式計算塔板上的篩孔數(shù)n，即個依下式計算塔板上的開孔區(qū)的開孔率，

14、即（在5%15%范圍內(nèi)）每層塔板上的開孔面積為七、篩板的流體力學(xué)驗算（一）氣體通過篩板壓強(qiáng)降的液柱高度 依式 1. 精餾段：（1） 干板壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨纫缊D4-13 干篩孔的流量系數(shù)查圖4-13，（2） 氣流穿過板上液層壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨葓D4-14 充氣系數(shù)關(guān)系圖由圖4-14查取板上液層充氣系數(shù)為0.59。 依右式 （3） 克服液體表面張力壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨纫朗剑?-41）故 m 單板壓強(qiáng)降<0.7kPa(設(shè)計允許值)2. 提餾段（1） 干板壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨纫啦閳D得，（2） 氣流穿過板上液層壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨扔蓤D查取板上液層充氣系數(shù)為0.6。 依右式 （3） 克服液體表面張

15、力壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨纫朗剑?-41）故 m 單板壓強(qiáng)降 <0.7kPa(設(shè)計允許值)（二）霧沫夾帶量的驗算（1）精餾段 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=（0.4）=2.5=2.5×0.05=0.125故在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。（2）提餾段 故在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶（三） 漏液的驗算 （1）精餾段篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 故在設(shè)計負(fù)荷下不會產(chǎn)生過量漏液。（2）提餾段篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 故在設(shè)計負(fù)荷下不會產(chǎn)生過量漏液。（四）液泛的驗算（1）精餾段為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度。取，則故，在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生液泛。（2）提餾段取

16、，則故，在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生液泛。根據(jù)以上塔板的各項流體體力學(xué)驗算，是合適的。八、塔板負(fù)荷性能圖（一）霧沫夾帶線（1）精餾段 （a）近似取 ，故 （b）取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，并將式（a）、（b）代入,得下式：整理得 0.0020.0040.0060.0081.4261.321.2251.143（2）提餾段取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，并將式（a）、（b）代入,得下式：整理得 0.0020.0040.0060.0080.4340.3260.2340.153做出霧沫夾帶（二）液泛線令=聯(lián)立整理帶入得式中 其中 b= c=0.153/ d=精餾段0.0040.0060.0

17、080.0101.5541.4351.3051,141提留段0.0040.0060.0080.0101,6191.4681.2851.057（三）液相負(fù)荷上限線（3）取液體在降液管中停留時間為5s，精餾段提留段（四）漏液線（氣相負(fù)荷下限線）（4）(1) 精餾段 v=m。(2) 提留段 v=m。（五）液相負(fù)荷下限線（5） 取平堰、堰上液層高度，作為液相負(fù)荷下限條件，依下式計算，取=0.006整理上式得1. 各接管尺寸的確定5.1. 進(jìn)料管進(jìn)料體積流量;取適宜的輸送速度uf=2.0m/s, 故經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，規(guī)格：42×4.5mm5.2. 釜?dú)堃撼隽瞎芨獨(dú)堃?/p>

18、的體積流量：取適宜的輸送速度：uf=3m/s, 則 經(jīng)圓整選取冷拔無縫鋼管，規(guī)格：28×2mm5.3. 回流液管回流液體積流量：利用液體的重力進(jìn)行回流，取適宜的回流速度uL=2m/s那么經(jīng)圓整選取冷拔無縫鋼管，規(guī)格：23×1mm5.4. 塔頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽的體積流量：取適宜速度uV=50m/s，那么 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87)，規(guī)格：180×12mm一、 輔助設(shè)備的計算及選型1. 冷凝器熱負(fù)荷 按泡點回流設(shè)計，即飽和蒸汽冷凝且飽和回流，采用12的水作為冷卻劑，逆流操作，則 Q=Wr1r1=VMVDr1 查液體的汽化潛熱圖，可知塔頂溫度78

19、.5下， 乙醇汽化潛熱：rA=595KJ/kg 水的汽化潛熱：rB=1375KJ/kgr1=rixi=595×0.7788×46+（1-0.7788）×1375×18=26790.46KJ/Kmol故Q=164.92×26790.46/3600=1227.3KJ/s又由于Q=KAtm則因為 K=600J/s·(m2·K)所以 2. 再沸器熱負(fù)荷 采用飽和水蒸氣間接加熱，逆流操作，則 Q=Wh2r2 查得塔釜溫度92.1下乙醇汽化潛熱rA=405KJ/kg 水的汽化潛熱：rB=1543KJ/kgr2=rixi=405×

20、;0.007923×46+（1-0.007923）×1543×18=27701.55KJ/Kmol故Q=（L-W）Mflr=(3039.92-2085.37)×32452=8605KJ/s又由于Q=KAtm因為K=900J/s·(m2·K)所以 二、 設(shè)計結(jié)果一覽表浮閥塔工藝設(shè)計結(jié)果項目數(shù)值塔徑D/m1板間距HT/m精餾0.45提餾0.35板上液層高度hL/m0.05空塔氣速精餾塔u/(m·s-1)1.247提餾塔u/(m·s-1)1.312溢流堰長度lW/m0.7溢流堰高度精餾段hw/m0.0434提餾段 hw/m0.0452降液管截面積Af/m20.07065降液管高度Wd/m0.15降液管底隙高度精餾段h0/m0.0334提餾段 h0/m0.0352篩孔數(shù)N/個2470開孔率 %10.08%塔板壓降精餾段 hp/m0.079提餾段hP/m 0.0658霧沫夾帶精餾段ev0.0244提餾段ev0.056降液管內(nèi)的清液高度精餾段Hd/m氣相負(fù)荷下限提餾段2.18精餾段1.9液相負(fù)荷上限提餾