乙醇—水溶液精餾塔設(shè)計

1、南京工程學(xué)院化工原理課程設(shè)計 第一章 緒論2一、目的：2二、已知參數(shù)：3三、設(shè)計內(nèi)容：3第二章 課程設(shè)計報告內(nèi)容3一、精餾流程的確定3二、塔的物料衡算4三、塔板數(shù)的確定4四、塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算6五、精餾段氣液負荷計算10六、塔和塔板主要工藝尺寸計算10七、篩板的流體力學(xué)驗算16八、塔板負荷性能圖18九、篩板塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果總表22十、精餾塔的附屬設(shè)備及接管尺寸23第三章 總結(jié)23.乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計第一章 緒論一、目的：通過課程設(shè)計進一步鞏固課本所學(xué)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論知識進行化工單元過程設(shè)計的初步能力，使所學(xué)的知識系統(tǒng)化，通過本次設(shè)計，應(yīng)了解設(shè)計的內(nèi)容，方法及步驟，使

2、學(xué)生具有調(diào)節(jié)技術(shù)資料，自行確定設(shè)計方案，進行設(shè)計計算，并繪制設(shè)備條件圖、編寫設(shè)計說明書。在常壓連續(xù)精餾塔中精餾分離含乙醇25%的乙醇水混合液，分離后塔頂餾出液中含乙醇量不小于94%，塔底釜液中含乙醇不高于0.1%（均為質(zhì)量分數(shù)）。二、已知參數(shù)：（1）設(shè)計任務(wù)l 進料乙醇 X = 25 %（質(zhì)量分數(shù)，下同）l 生產(chǎn)能力 Q = 80t/dl 塔頂產(chǎn)品組成 > 94 %l 塔底產(chǎn)品組成 < 0.1 % （2）操作條件 l 操作壓強：常壓l 精餾塔塔頂壓強：Z = 4 KPal 進料熱狀態(tài)：泡點進料l 回流比：自定待測l 冷卻水： 20 l 加熱蒸汽：低壓蒸汽，0.2 MPal 單板壓強

3、： 0.7l 全塔效率：ET = 52 %l 建廠地址：南京地區(qū)l 塔頂為全凝器，中間泡點進料，篩板式連續(xù)精餾三、設(shè)計內(nèi)容：（1） 設(shè)計方案的確定及流程說明（2） 塔的工藝計算（3） 塔和塔板主要工藝尺寸的計算（a、塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定；b、塔板的流體力學(xué)驗算；c、塔板的負荷性能圖）（4） 設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表（5） 精餾塔工藝條件圖（6） 對本設(shè)計的評論或有關(guān)問題的分析討論第二章 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

4、，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)品含乙醇摩爾分數(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 日生產(chǎn)能力Y=90噸 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 乙醇、水屬理想物系，可采用M.T.圖解法求1.根據(jù)乙醇、水的氣液平衡數(shù)據(jù)作y-x圖附表 乙醇水氣液平衡數(shù)據(jù)液相中乙醇的摩爾分數(shù)氣相中乙醇的摩爾分數(shù)液相中乙醇的摩爾分數(shù)氣相中乙醇的摩爾分數(shù)0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.39

5、20.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0 圖：乙醇水的y-x圖及圖解理論板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（包括再沸器）。其中精餾段理論板數(shù)為22層，提留段為5層（包括再沸器），第18層為加料板。(二)全塔效率已知=52%(三)實際塔板數(shù)N精餾段層提留段層四、塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算以精餾段為例進行計算（一）操作壓強Pm塔頂壓力取每層塔板壓強降則進料板壓強精餾段平均

6、操作壓強（二）溫度tm 依據(jù)操作壓力，通過方程試差法計算出泡點溫度，其中水、乙醇的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算。 方程為式中：溶液中組分的摩爾分數(shù)；溶液上方的總壓，Pa；同溫度下純組分的飽和蒸汽壓，Pa。（下標A表示易揮發(fā)組分，B表示難揮發(fā)組分） 安托因方程為式中：在溫度為T時的飽和蒸汽壓，mmHgT溫度，A,B,CAntoine常數(shù)，其值見下表。附表 Antoine常數(shù)組分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228計算結(jié)果如下：塔頂溫度公式：進料板溫度公式：則精餾段平均溫度（三）平均摩爾質(zhì)量Mm塔頂 查氣液平衡曲線，可得2進料板 即查氣液平衡曲線，可得

7、 則精餾段平均摩爾質(zhì)量：（四） 平均密度1.液體密度 附表 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)量分數(shù)）塔頂 因為 所以 進料板 由加料板液相組成因為所以 故精餾段平均液相密度2.氣相密度（五）液體表面張力附表 乙醇與水的表面張力溫度/2030405060708090100110乙醇表面張力×103/N/m22.321.220.419.818.818

8、17.1516.215.214.4水表面張力×103/N/m72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9塔頂 因為 所以 進料板 因為 所以 則精餾段平均表面張力為（六）液體黏度已知： 乙醇的A=686.64 B=300.88塔頂 水的黏度 進料板 水的黏度 則精餾段平均液相黏度為五、精餾段氣液負荷計算六、塔和塔板主要工藝尺寸計算（一） 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/mm200300250350300450350600400

9、600 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0.70，則故按標準，塔徑圓整為1.6m，則空塔氣速（二）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)進口堰。各項計算如下。1.溢流堰長 為0.66D，即 2.出口堰高由 ，圖4-9 液流收縮系數(shù)計算圖查圖4-9，知E =1 則故 3.管滴寬度與降液管滴面積 由 圖4-11 弓形降液管的寬度和面積查圖4-11，得 ，故 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 (符合要求)4.降液管底隙高度取液體通過降液管底隙得流速 ，依下式計算降液管底隙高度 （符合要求）（三）塔板布置1.取邊緣區(qū)寬度

10、，安定區(qū)寬度2.依下式計算開孔區(qū)面積其中 其中:出口堰高 how堰上液層高度 降液管底隙高度 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 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，即依下式計算塔板上的開孔區(qū)的開孔率，即 （在5%15%范圍內(nèi)）每層塔板上的開孔面積為氣體通過篩孔的氣速 （五）塔有效高度Z（精餾段）(六) 塔高計算七、篩板的流體力學(xué)驗算（一）氣體通過篩板壓強降的液柱高

11、度 依式 1. 干板壓強降相當?shù)囊褐叨纫?圖4-13 干篩孔的流量系數(shù)查圖4-13， 2. 氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?圖4-14 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0.6。 依右式 3. 克服液體表面張力壓強降相當?shù)囊褐叨纫朗剑?-41）故 單板壓強降<0.7kPa(設(shè)計允許值)（二）霧沫夾帶量的驗算 依式（4-41） 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=2.5×0.07=0.175故在設(shè)計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。（三）漏液的驗算篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 故在設(shè)計負荷下不會產(chǎn)生過量漏液。（四）液泛的驗算為防止

12、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，可認為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。八、塔板負荷性能圖（一）霧沫夾帶線（1） （a） 近似取 ， 故 （b）取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知，并將式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （1） 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依（1）式算出相應(yīng)的值列于下表中。3.253.002.842.7 依表中數(shù)據(jù)在圖中做出霧沫夾帶線（1），如圖4-24所示。（二）液泛線（2） （*） 近似取 ， 故 （c） (已算出) 故 （d） （e）將為0.45m，為0.058m，及式（c）（d）（

13、e）代入（*）式得：整理得： （2）在操作范圍內(nèi)取若干值，依式（2）計算值，列于下表中。4.574.394.274.12依表中數(shù)據(jù)做出液泛線（2），如圖4-24中線（2）所示。（三）液相負荷上限線（3） 取液體在降液管中停留時間為5s， 液泛負荷上限線（3）在坐標圖上為與氣體流量無關(guān)得垂直線，如圖4-24線（3）所示。（四）漏液線（氣相負荷下限線）（4）由 、代人式漏液點氣速式： 前已算出為0.14m2，代入上式并整理，得 此即氣相負荷下限關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任取n個值，依（4）式計算相應(yīng)得值。1.141.201.231.26列于下表中，依附表中數(shù)據(jù)作氣相負荷下限線（4），如圖4-24中線（4

14、）所示。（五）液相負荷下限線（5） 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 整理上式得 （5） 依此值在圖上作線（5）即為液相負荷下限線，如圖7所示。將以上5條線標繪于圖4-24（圖）中，即為精餾段負荷性能圖。5條線包圍區(qū)域為精餾段塔板操作區(qū)，P為操作點，OP為操作線。OP線與線(1)的交點相應(yīng)氣相負荷為，OP線與氣象負荷下限線（4）的交點相應(yīng)氣相負荷為。其中P(，)即（3.7×，33.3） 可知本設(shè)計塔板上限由霧沫夾帶控制，下限由漏液控制。 精餾段的操作彈性九、篩板塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果總表 篩板塔的工藝計算結(jié)果匯總見表10序號項目數(shù)值1平均溫度tm，92.9

15、92平均壓力Pm，kPa120.353氣相流量Vs，（m³/s）2.2984液相流量Ls，（m³/s）0.00265實際塔板數(shù)536有效段高度Z，m23.757塔徑，m1.68板間距，m0.459溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長，m1.05612堰高，m0.05813板上液層高度，m0.0714堰上液層高度，m0.01215降液管底隙高度，m0.03116安定區(qū)寬度，m0.08517邊緣區(qū)寬度，m0.0618開孔區(qū)面積，m²1.3919篩孔直徑，m0.00620孔中心距，m0.01821篩孔數(shù)目495522開孔率， %10.123空塔氣速，m/s1.232

16、4篩孔氣速，m/s16.3725穩(wěn)定系數(shù)1.8726每層塔板壓降，Pa69127負荷上限液沫夾帶控制28負荷下限漏液控制29液沫夾帶eV，(kg液/kg氣)0.01830氣相負荷上限，m³/s3.8231氣相負荷下限，m³/s1.1332操作彈性3.38十、精餾塔的附屬設(shè)備及接管尺寸選列管式原料預(yù)熱器，強制循環(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。第三章 總結(jié)兩個周的化工原理課程設(shè)計已經(jīng)圓滿結(jié)束。在此感謝我們的指導(dǎo)老師張老師對我們悉心的指導(dǎo)，感謝同學(xué)給予我的幫助。通過本次設(shè)計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結(jié)合設(shè)計的能力。既讓我們懂得了

17、怎樣把理論應(yīng)用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設(shè)計中，我們還需要大量的以前沒有學(xué)到過的知識，所以我們就上網(wǎng)，圖書館找資料。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。在設(shè)計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。驗算的時候只要一個不合格，那么必須全部重來，不斷的改正，不斷地吸取教訓(xùn)，才能不斷的進步，得到最終的設(shè)計成果。 通過該課程設(shè)計，全面系統(tǒng)的理解了精餾塔的一般原理和基本實現(xiàn)方法。把死板的課本知識變得生動有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。把學(xué)過的精餾塔的知識強化，能夠把課堂上學(xué)的知識通過自己設(shè)計的精餾塔表示出來，加深了對理論知識的理解。以前對與精餾塔 認識是模糊的，概念上的，現(xiàn)在通過自己動手做實驗，從實踐上認識了精餾塔是如何運行的，各個部件之間的關(guān)系，對精餾塔原理的認識更加深刻。課程設(shè)計中程序比較復(fù)雜。在這次課程設(shè)計中，我就是按照實驗指導(dǎo)的思想來完成。加深了理解精餾塔的內(nèi)部功能及內(nèi)部實現(xiàn)，培養(yǎng)實踐動手能力。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的