乙醇水溶液常壓篩板精餾塔化工原理課程設(shè)計(jì)

1、化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 乙醇-水溶液分離過(guò)程常壓篩板精餾塔設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 化工 1303 班 姓 名： xxx 學(xué) 號(hào)： 1315010xxx 指導(dǎo)教師： 張亞剛完成時(shí)間： 2016 年 1 月 15 日 化學(xué)與化工學(xué)院化工原理課程組 制設(shè)計(jì)題目乙醇-水溶液分離過(guò)程常壓篩板精餾塔設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 及 要 求設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)用于乙醇-水溶液分離的常壓篩板精餾塔;原料含乙醇20%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的泡點(diǎn)液體，處理量為4000kg/h，要求餾出液含乙醇86%，釜液中乙醇不大于2%，塔效率為0.6。設(shè)計(jì)要求： 綜合運(yùn)用化工原理和相關(guān)選修課程知識(shí)，聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際，完成精餾操作過(guò)程及設(shè)備設(shè)

2、計(jì)。要求有詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程（包括計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算程序）、工藝尺寸設(shè)計(jì)、輔助設(shè)備選型、設(shè)計(jì)結(jié)果概要及工藝設(shè)備條件圖（CAD圖），編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。指 導(dǎo) 老 師 評(píng) 語(yǔ) 成績(jī): 指導(dǎo)教師簽名： 日期：2016年 月 日 摘要本設(shè)計(jì)采用篩板精餾塔分離分離乙醇-水溶液。通過(guò)對(duì)原料產(chǎn)品的要求和物性參數(shù)的確定及對(duì)主要尺寸的計(jì)算，工藝設(shè)計(jì)和附屬設(shè)備結(jié)果選型設(shè)計(jì)，完成對(duì)乙醇-水精餾工藝流程和主體設(shè)備設(shè)計(jì)。乙醇-水溶液為非理想物系，利用作圖法求出最小回流比為 2.48；由精餾費(fèi)用模型編程得到最優(yōu)回流比為 3.97，理論板數(shù)為 13 塊，則實(shí)際板數(shù)為 23 塊，其中精餾段 9 塊，提餾段 14 塊，進(jìn)料位置為第

3、9 塊。得到精餾塔的塔徑為 1.6 米，總高 12.9 米；板開(kāi)孔率為 10.1%，精餾段操作彈性為 2.16，提餾段操作彈性為 1.87。通過(guò)塔的流體力學(xué)驗(yàn)算，證明各指標(biāo)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)。塔體和群座材料為 20R，壁厚均為 6mm ；強(qiáng)度校核表明，該精餾塔滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等要求。目 錄摘 要.I1.緒論.1 1.1課程目的及要求.1 1.2課程設(shè)計(jì)的背景意義.1 1.2.1課程設(shè)計(jì)題目.1 1.2.2分離產(chǎn)物概述.2 1.2.3分離產(chǎn)物的基本用途.22.設(shè)計(jì)方案.3 2.1精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù).3 2.2精餾塔設(shè)計(jì)方案選定.33.工藝設(shè)計(jì).3 3.1精餾塔的物料衡算.3 3.2精餾塔物料物性參

4、數(shù)的計(jì)算.4 3.2.1溫度的計(jì)算.4 3.2.2精餾段、提餾段氣液組成及摩爾質(zhì)量的計(jì)算.5 3.2.3密度的計(jì)算.5 原料液中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù).5 原料液的平均摩爾分?jǐn)?shù).5 精餾段和提餾段液相平均密度.6 3.2.4混合液體表面張力的計(jì)算.7 乙醇、水的摩爾體積計(jì)算.8 乙醇、水的表面張力計(jì)算.8 塔頂、塔釜及進(jìn)料液的表面張力計(jì)算.8 3.2.5相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算.9 3.2.6混合物的粘度的計(jì)算.103.3塔板的計(jì)算.10 3.3.1確定操作的回流比.10 3.3.2塔板數(shù)的計(jì)算.12 3.4精餾塔主題尺寸的計(jì)

5、算.13 3.4.1氣液相體積流量計(jì)算.13 精餾段流量計(jì)算.13 提餾段流量計(jì)算.13 3.4.2塔徑的計(jì)算.14 精餾段.14 提餾段.15 精餾塔的有效高度計(jì)算.16 3.5塔板主要工藝尺寸的計(jì)算.16 3.5.1溢流裝置的計(jì)算.16 3.5.2塔板布置.18 3.6篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算.19 3.6.1塔板壓降的計(jì)算.19 干板阻力hc計(jì)算.19 氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算.19 液體表面張力的阻力計(jì)算.20 3.6.2液面落差.20 3.6.3液沫夾帶.20 3.6.4漏液.20

6、 3.6.5液泛.21 3.6.6塔板負(fù)荷性能圖.21 漏液線(xiàn).21 液沫夾帶線(xiàn).22 液相負(fù)荷下限線(xiàn).23 液相負(fù)荷上限線(xiàn).23 液泛線(xiàn).24 操作性能負(fù)荷圖.253.7篩板塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總.274 附屬設(shè)備的選型與設(shè)計(jì).28 4.1熱量衡算 .28 4.2冷凝器的選擇.30 4.3再沸器的選擇.305 塔附件的設(shè)計(jì).315.1接管的計(jì)算與選擇.31 5.2筒體與封頭.32 5.3液體分布器.32 5.4除沫器.32 5.5裙座.33 5.6吊柱.335.7塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).336 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表.347

7、主要符號(hào)說(shuō)明.358 參考文獻(xiàn).389 連續(xù)精餾流程圖.3910課程設(shè)計(jì)心得體會(huì).401. 緒論1.1課程目的及要求化工生產(chǎn)過(guò)程中我們所用的原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品幾乎都是由若干組份組成的混合物，為了分離其混合物得到較純凈產(chǎn)品，我們通常用精餾來(lái)完成。這也是工業(yè)上應(yīng)用最廣的液體混合物分離單元操作。在此次設(shè)計(jì)中我們主要針對(duì)篩板精餾塔做一個(gè)較為全面合理的設(shè)計(jì)，以此加深對(duì)課本所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)做一個(gè)系統(tǒng)的回顧，同時(shí)通過(guò)課程設(shè)計(jì)能對(duì)類(lèi)似精餾的單元操作的實(shí)踐有一個(gè)較為明確的認(rèn)識(shí)和收獲。篩板精餾塔的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)個(gè)方面：(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工；造價(jià)約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右；(2) 氣流壓降

8、小、板上液面落差??；(3) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015；(4) 氣體分散均勻；(5) 傳質(zhì)效率高。篩板塔的缺點(diǎn)主要是： 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻； 操作彈性較小(約23)； 小孔篩板容易堵塞。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)乙醇-水二元體系的分離，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用化工原理及相關(guān)選修課的基本知識(shí)進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)的能力，使我們掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序或方法，進(jìn)行化工設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練。并著重培養(yǎng)我們查閱資料、搜集數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確進(jìn)行工程計(jì)算、用簡(jiǎn)潔文字清晰圖表表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果、既考慮技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性，又思考經(jīng)濟(jì)合理性、資源節(jié)約、環(huán)境生產(chǎn)安全、效益最優(yōu)化等的設(shè)計(jì)思路的訓(xùn)練。在該思路的指導(dǎo)下分析和解

9、決工程實(shí)際問(wèn)題。1.2課程設(shè)計(jì)的背景意義1.2.1課程設(shè)計(jì)題目乙醇-水溶液分離過(guò)程常壓篩板精餾塔設(shè)計(jì)1.2.2分離產(chǎn)物概述乙醇，俗稱(chēng)酒精。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式CH3CH2OH是一種一元飽和醇。常溫常壓下易燃、易揮發(fā)。其沸點(diǎn)78.3，熔點(diǎn)-114.1，能與水以任意比互溶，能與多數(shù)有機(jī)溶劑混溶。乙醇可用于制造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等。醫(yī)療上常用70%-75%的乙醇作消毒劑，早在19世紀(jì)就出現(xiàn)了第一代生物能源-乙醇。將乙醇調(diào)入石油作為車(chē)用燃料，即“E型汽油”。我國(guó)用90%普通汽油與10%乙醇混合制成此“E型汽油”，它極大地改善了油品的性能與質(zhì)量，降低了CO及碳?xì)浠衔锏戎饕廴疚锏呐欧拧Ｃ媾R我國(guó)“富煤、貧

10、油、少氣”的現(xiàn)狀乙醇在國(guó)防工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、有機(jī)合成、食品工業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛用途，能夠有效地解決我國(guó)能源危機(jī)，改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)。1.2.3分離產(chǎn)物的基本用途99.5%的酒精稱(chēng)為無(wú)水酒精。葉綠體中的色素能用無(wú)水乙醇提取。95%的酒精用于擦拭紫外線(xiàn)燈。70%75%的酒精用于消毒。40%50%的酒精可預(yù)防褥瘡。25%50%的酒精用于物理退熱。乙醇是酒主要成分（含量和酒的種類(lèi)有關(guān)系）如白酒為56度的酒。啤酒中乙醇濃度一般低于10%。乙醇可用來(lái)制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取染料、涂料、洗滌劑等產(chǎn)品的原料。乙醇可以調(diào)入汽油，作為車(chē)用燃料，我國(guó)雅津甜高粱乙醇在汽油中占10%。美國(guó)銷(xiāo)

11、售乙醇汽油已有20年歷史。乙醇汽油也被稱(chēng)為（E型汽油），它可以改善油品的性能和質(zhì)量，降低一氧化碳、碳?xì)浠衔锏戎饕廴疚锱欧?。早?0世紀(jì)20年代，巴西就開(kāi)始了乙醇汽油的使用。美國(guó)是世界上另一個(gè)燃料乙醇的消費(fèi)大國(guó)。1978年含10%乙醇汽油（E10汽油）在內(nèi)布拉斯加州大規(guī)模使用，燃料乙醇產(chǎn)量從1979年的3萬(wàn)噸迅速增加到1990年的269萬(wàn)噸。2000年美國(guó)燃料乙醇產(chǎn)量達(dá)到500萬(wàn)噸。隨著MTBE在美國(guó)使用量的減少和最終的禁用，燃料乙醇將成為MTBE最佳含氧化合物的替代產(chǎn)品。到2004年全美國(guó)燃料乙醇需求將達(dá)到1000萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)乙醇汽油產(chǎn)量占世界第三位，今年國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)上呈全國(guó)兩會(huì)的報(bào)

12、告統(tǒng)計(jì)，乙醇汽油的消費(fèi)量已占全國(guó)汽油消費(fèi)量的20%，在全世界上繼巴西、美國(guó)之后成為生產(chǎn)乙醇汽油的第三大國(guó)。如全國(guó)都使用含10%的乙醇汽油，則每年可節(jié)省450萬(wàn)噸汽油。乙醇汽油是十五計(jì)劃的重點(diǎn)工作之一。 國(guó)內(nèi)從2003年起陸續(xù)宣稱(chēng)黑龍江、吉林、山東、江蘇等27個(gè)城市全面停用普通無(wú)鉛汽油，改用添加10%酒精的乙醇汽油。 乙醇汽油的環(huán)保性令人稱(chēng)道，在9個(gè)城市調(diào)查報(bào)告中，使用乙醇汽油期間，城市空氣中的二氧化氮、一氧化碳季均值與使用普通汽油比較，二氧化氮下降了8%與一氧化碳下降5%。此外乙醇還做：稀釋劑、有機(jī)溶劑、涂料溶劑等幾大方面。因此，可見(jiàn)其涉及衣、食、住、行、用的各個(gè)方面，在國(guó)民支柱中占有舉足輕重

13、的地位，分離回收其混合物中乙醇意義重大。不僅是節(jié)約資源，更是對(duì)人類(lèi)有限資源的經(jīng)濟(jì)合理利用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略。2. 設(shè)計(jì)方案2.1精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)用于乙醇-水溶液分離的常壓篩板精餾塔;原料含乙醇20%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的泡點(diǎn)液體，處理量為4000kg/h，要求餾出液含乙醇86%，釜液中乙醇不大于2%，塔效率為0.6。表 2-1 設(shè)計(jì)條件表進(jìn)料熱狀態(tài)塔處理量原料液乙醇量餾出液乙醇量釜液中乙醇量塔效率q=14000kg/h20%86%2%0.62.2精餾塔設(shè)計(jì)方案選定本設(shè)計(jì)用于分離乙醇-水二者混合溶液，采用連精餾流程。采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔，塔頂上升蒸汽采用

14、全凝器冷凝。冷凝液在泡點(diǎn)溫度下一部分回流至塔內(nèi)，其余產(chǎn)品經(jīng)冷凝器冷凝后送至儲(chǔ)罐。該物系屬于易分離物系，回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.4倍。塔釜采用間接蒸汽加熱。3. 工藝設(shè)計(jì)3.1精餾塔的物料衡算表3-1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)一覽表MA=46.06904kg/kmol MB=18.01528kg/kmolXF=0.20 XD=0.86XW=0.02 =0.6 由混合法則M=XiMi(Xi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，Mi為組分i的性質(zhì)，M為混合物的性質(zhì))，得原料液的摩爾質(zhì)量為：MF=0.2×46.06904+（1-0.2）×18.01528=23.626032

15、kg/kmol;所以處理量F=4000/(23.6×3600)=0.047081kmol/s;全塔物料衡算式為：F=D+W; FF=DD+WW;代入已知量解二元方程組：0.047081= D+W; 0.047081×0.2=0.86D+0.02W;解之得：W=(D-F)F/( D-W)=0.036991 kmol/s; D=F-W=0.01009kmol/s3.2精餾塔物料物性參數(shù)的計(jì)算3.2.1溫度的計(jì)算表3-2 常壓下乙醇-水體系氣液平衡組成與溫度溫度/乙醇摩爾分?jǐn)?shù)溫度/乙醇摩爾分?jǐn)?shù)液相x氣相y液相x氣相y1000.000.0081.50.32730.582695.50

16、.01900.170080.70.39650.612289.00.07210.389179.80.50790.656486.70.09660.437579.70.51980.659985.30.12380.470479.30.57320.684184.10.16610.508978.740.67630.738582.70.23370.544578.410.74720.781582.30.26080.558078.150.89430.8943 已知D、F、W，利用表中數(shù)據(jù)由插值法可求得tF、tD、tW。即已知t1、t2、M1、M2、M,求t(MM1, M2且M1< M < M2),其

17、中M1、M2、M均為不同溫度下同物質(zhì)的某種性質(zhì)，在這里，分別表示的是同種物質(zhì)在t1、t2、t的性質(zhì)，其表達(dá)式為（t- t1）/（t2- t1）=（M- M1）/（M2- M1）tF： tF=83.40tD： tD=78.21tW： tW=95.38精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：3.2.2精餾段、提餾段氣液組成及摩爾質(zhì)量的計(jì)算 在此題中，由液相組成通過(guò)內(nèi)插法求得物料的tF、tD、tW，再由tF、tD、tW再次使用內(nèi)插法求得氣相組成yD、yF、yW,具體如下：(1) yF:( tF-82.7)/(84.1-82.7)=(yF-0.5445)/(0.5089-0.5445),將tF=83.40代入

18、， 求得yF=0.5267； 同理求得 ：yD=0.8683; yW=0.1740(2) 因此，對(duì)于精餾段有: 液相組成x1=(xD+xF)/2=0.5300; 氣相組成y1=(yD+yF)/2=0.6975;液相平均摩爾質(zhì)量ML,1=x1Mc+(1-x1)Mw=32.8840kg/kmol;氣相平均摩爾質(zhì)量MV,1=y1Mc+(1-y1)Mw=37.5830kg/kmol;對(duì)于提餾段有: 液相組成x2=(xW+xF)/2=0.1100; 氣相組成y2=(yW+yF)/2=0.35035; 液相平均摩爾質(zhì)量ML,2=x2Mc+(1-x2)Mw=21.1010kg/kmol; 氣相平均摩爾質(zhì)量M

19、V,2=y2Mc+(1-y2)Mw=27.8440kg/kmol;3.2.3密度的計(jì)算已知：混合液密度：（） 混合氣密度：（注：a為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，M為平均摩爾質(zhì)量）原料液中乙醇（c）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)acF=xFMc/( xFMc+(1-xF)Mw)=0.3840;acD=xDMc/( xDMc+(1-xD)Mw)=0.9402;acW=xWMc/( xWMc+(1-xW)Mw)=0.0496;原料液的平均摩爾分?jǐn)?shù)MV，D=yDMc+(1-yD)Mw=42.37kg/kmol;MV，W=yWMc+(1-yW)Mw=22.897kg/kmol;MV，F(xiàn)=yFMc+(1-yF)Mw

20、=32.79kg/kmol; 精餾段和提餾段液相平均密度表3-3 不同溫度下乙醇和水的密度溫度（）c(kg/m3)w（kg/m3）80735971.885730968.690724965.395720961.85100716958.4用內(nèi)插法求得在tF、tD、tW下乙醇和水的密度如下：tF=83.40：(tF-80)/(85-80)=( cF-735)/(730-735); cF=731.600kg/m3; (tF-80)/(85-80)= (wF-971.8)/(968.6-971.8); wF=969.624kg/m3; 1/F=acF/cF+(1-acF)/ wF, 所以有

21、F=861.939kg/m3;tD=78.21：(tD-80)/(85-80)=( cD-735)/(730-735); cD=736.790kg/m3; (tD-80)/(85-80)= (wD-971.8)/(968.6-971.8); wD=972.946kg/m3; 1/D=acD/cD+(1-acD)/ wD, 所以有D=747.642kg/m3;tW=95.38：(tW-95)/(100-95)=( cW-720)/(716-720); cW=7719.70kg/m3; (tW-95)/(100-95)=( wW-961.85)/(958.4-961.85) wW=961.588k

22、g/m3; 1/W=acW/cW+(1-acW)/ wW, 所以有W=945.821kg/m3;所以，精餾段和提餾段液相平均密度分別為：L,1=(F+D)/2=804.791kg/m3;L,2=(F+W)/2=903.88kg/m3;精餾段和提餾段氣相平均密度由公式V=T0PM/(22.4Tp0)可得：VF=273.15MVF/(22.4(273.15+tF)=1.121kg/m3;VD=273.15MVD/(22.4(273.15+tD)=1.470kg/m3;VW=273.15MVW/(22.4(273.15+tW)=0.758kg/m3;所以，精餾段和提餾段氣相平均密度分別為：V,1=(

23、VF+VD)/2=1.296kg/m3;V,2=(VF+VW)/2=0.940kg/m3;3.2.4混合液體表面張力的計(jì)算二元有機(jī)物-水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算 注： ， ， ， 式中，下角標(biāo)，w,o,s分別代表水、有機(jī)物及表面部分，、指主體部分的分子數(shù)，、主體部分的分子體積，、為純水、有機(jī)物的表面張力；對(duì)乙醇q=2。乙醇、水的摩爾體積計(jì)算 VcD=Mc/cD=46.06904/736.79=62.53mL/mol;其他摩爾體積計(jì)算方法同理，結(jié)果如下：表3-4 乙醇、水的摩爾體積乙醇摩爾體積Vc(mL/mol)水摩爾體積Vw(mL/mol)VcDVcWVcFVwDVwWVwF

24、62.5364.0162.9718.5218.7318.5乙醇、水的表面張力計(jì)算表3-5 不同溫度下乙醇和水的表面張力溫度()乙醇的表面張力c（10-3N/m）水的表面張力w（10-3N/m）701864.38017.1562.69016.260.710015.258.8 由于前面已有多次使用內(nèi)插法，這里不再舉例，將求得的乙醇和水的表面張力列表如下：表3-6 塔頂、塔釜、料液的乙醇和水的表面張力乙醇的表面張力c（10-3N/m）水的表面張力w（10-3N/m）cDcWcFwDwWwF17.3015.6616.8362.90459.67861.95塔頂、塔釜及進(jìn)料

25、液的表面張力計(jì)算tD=78.21: wD2/cD=(xwDVwD)2/(xcDVcD( xwDVwD+ xcDVcD)=0.01996;B=lg(wD2/cD)=lg0.01996=-2.6998;Q=0.441(q/TD)( cDVcD2/3/q-wDVwD2/3)=-0.7627;A=B+Q=-3.4625;聯(lián)立方程組：A= lg(swD2/scD) swD+scD=1，解一元二次方程得：swD=0.01839； scD=0.9816；再由D1/4=swDwD1/4+scDcD1/4=0.01839×62.9041/4+0.9816×17.301/4 ，進(jìn)而求得塔頂表面

26、張力D=17.7891；同理；求得塔釜及進(jìn)料液的表面張力，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢罕?-7 塔底、塔釜、進(jìn)料的總表面張力計(jì)算項(xiàng)塔頂塔釜料液t78.2183.4095.38w2/c0.0019960.638913.403B=lg(w2/c)-2.6998-0.19461.1272Q-0.7627-0.7466-0.7075A-3.4625-0.94120.4197sw0.018390.28590.7728sc0.98160.71410.227217.789125.550445.6905因此，精餾段的表面張力為: 1=(F+D)/2=21.670（10-3N/m）; 提餾段的表面張力為: 2=(F+W)

27、/2=35.620（10-3N/m）3.2.5相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算=（yc/yw）/（xc/xw）,即=（yc/(1-yc)）/（xc/(1-xc)）; 由， 得 由， 得由， 得將計(jì)算結(jié)果列如下表：表3-8 塔頂、塔釜、料液的相對(duì)揮發(fā)度塔的部位液相組成x氣相組成y相對(duì)揮發(fā)度塔頂0.860.86831.0733塔底0.020.174010.3220料液0.20.52674.4513因此，精餾段的平均相對(duì)揮發(fā)度：1=（F+D）/2=2.762; 提餾段的平均相對(duì)揮發(fā)度：2=（F+W）/2=7.3873.2.6混合物的粘度的計(jì)算 ,查表得: 水=0.355, 乙醇=0.441 ,查表得： 水=0.30

28、5, 乙醇=0.401精餾段粘度：1=乙醇+水 提餾段粘度：2=乙醇+水 3.3塔板的計(jì)算3.3.1確定操作的回流比圖3-1 常壓下乙醇水的氣液平衡曲線(xiàn)由于泡點(diǎn)進(jìn)料，故q=1。本平衡具有下凹部分，操作線(xiàn)尚未落到平衡線(xiàn)，已與平衡線(xiàn)相切。如上圖知，截距 xD /(Rmin+1) = 0.24 ,解得最小回流比 Rmin = 2.48 選擇R=(1.41.8)Rmin 再由Antonine方程，, 則溫度為：T=273.15+83.40=356.55K表3-9 Antonine常數(shù)一覽表名稱(chēng)ABC乙醇9.64173615.06-48.60水9.38763826.36-45.47 ， 相對(duì)揮發(fā)度 圖3

29、-2 理論板數(shù)與回流比的關(guān)系經(jīng)計(jì)算得：理論板數(shù)越多，設(shè)備費(fèi)用越大；回流比越大，操作費(fèi)用越大；回流比與費(fèi)用的關(guān)系圖如下，顯然存在著一個(gè)總費(fèi)用的最低點(diǎn)，與此對(duì)應(yīng)的即為最適宜回流比Ropt。一般有Ropt=(1.22)Rmin圖3-3 最適宜回流比的選擇 當(dāng)選擇不同的回流比與最小回流比倍數(shù)時(shí)，計(jì)算結(jié)果列在下表，經(jīng)綜合比較，得到回流比R=1.6Rmin=3.97時(shí)，操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用最少。3.3.2塔板數(shù)的計(jì)算已知：精餾段操作線(xiàn)方程： 提餾段操作方程：=表3-10 逐板計(jì)算法板數(shù)精餾段板數(shù)提餾段y(n+1)=0.7988xn+0.1730xn=yn/(2.46-1.46*yn)y(n+1)=1.737

30、8xn-0.0107xn=yn/(2.46-1.46*yn)10.860.71404848920.7370269010.53255669730.5936665350.37261428340.4673280220.26288335350.380651560.1998959250.860.7370269010.5936665350.4673280220.380651560.71404848960.33667913907370269010.5325566970.3726142830.2628833530.19989592570.2865295290

31、5936665350.37261428380.2331845520.11001603740.4673280220.2628833530.19989592590.1804858690.08217010750.380651560.199895925100.1320952110.058265107110.0905531020.038900848120.0569018940.023939307130.0309017270.012796364故得到理論塔板數(shù)為NT=13塊，理論加料板第5塊。實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算:總板效率，則 精餾段實(shí)際板數(shù)：塊提餾段實(shí)際板數(shù)：塊全塔所需實(shí)際塔板數(shù)： 塊加料板位置在第9塊塔板

32、。3.4精餾塔主題尺寸的計(jì)算3.4.1氣液相體積流量計(jì)算精餾段流量計(jì)算： 已知： 質(zhì)量流量： 體積流量： 提餾段流量計(jì)算本設(shè)計(jì)為飽和液體進(jìn)料：q=1又已知： ， ， 質(zhì)量流量： 體積流量： 3.4.2塔徑的計(jì)算精餾段 ,式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出。 圖 3-4 史密斯關(guān)聯(lián)圖橫坐標(biāo)數(shù)值： 取板間距：查圖可知： 取安全系數(shù)為0.7，則 提餾段橫坐標(biāo)數(shù)值： 取板間距：查圖可知：， 取安全系數(shù)為0.7，表3-11 塔徑的初步設(shè)計(jì)結(jié)果計(jì)算項(xiàng)精餾段提餾段橫坐標(biāo)0.02800.0425HT-hL0.40000.4000C200.0760.078C0.0

33、7720.0875umax1.91922.9185安全系數(shù)0.70000.7000u（m/s)1.51082.0430塔徑D（m)1.36161.404圓整后，D(m)1.6001.600橫截面積AT(m2)2.0102.010空塔氣速u(mài)'(m/s)0.71960.7377開(kāi)孔率0.1010.10精餾塔的有效高度計(jì)算： 實(shí)際精餾段有效高度： 實(shí)際提餾段有效高度：在進(jìn)料上方開(kāi)一人孔，其高度約為，故精餾塔的有效高度為：3.5塔板主要工藝尺寸的計(jì)算3.5.1溢流裝置的計(jì)算 因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤(pán)。各項(xiàng)計(jì)算如下：堰長(zhǎng)取， 則出口堰高： 堰上液高度可按（近

34、似取計(jì)算），出口堰高為。精餾段： 取板上清液層高度，故 提餾段： 弓形降液管的寬度和橫截面：圖3-5 弓形降液管寬度和面積關(guān)聯(lián)圖查圖得：由于，故，驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間：精餾段：提餾段：停留時(shí)間，故降液管可使用。降液管底隙高度： 精餾段 取降液管底隙的流速，取 提餾段取，取3.5.2塔板布置塔板的分塊:因本設(shè)計(jì)塔徑D=1.6m800mm，故塔板采用分塊式。塔板分為四塊。邊緣區(qū)寬度確定 進(jìn)口堰前的安定區(qū)，進(jìn)口堰后的安定區(qū) 取，開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積用式計(jì)算篩孔計(jì)算及其排列本系統(tǒng)無(wú)腐蝕，可選用碳鋼管，取篩孔直徑。篩孔按正三角排列，取孔中心距篩孔數(shù)目為開(kāi)孔率為精餾段氣體通過(guò)篩孔的氣速為：提餾段氣體通

35、過(guò)篩孔的氣速為：3.6篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算3.6.1塔板壓降的計(jì)算干板阻力計(jì)算干板阻力由，查干篩孔的流量系數(shù)圖，得精餾段： 故提餾段： 故氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算精餾段： 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得： 提餾段： 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖5-11得： 液體表面張力的阻力計(jì)算精餾段：液體表面張力所產(chǎn)生的阻力：氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度可按下式計(jì)算： 氣體通過(guò)每層塔板的壓降為： 0.7kpa，故符合設(shè)計(jì)要求。提餾段：0.7kpa，故符合設(shè)計(jì)要求。3.6.2液面落差 對(duì)于篩板塔，液面落差很小，故可忽略液面落差的影響。3.6.3液沫夾帶 液沫夾帶量式：，精餾段：提餾段： 故在本設(shè)計(jì)

36、中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。3.6.4漏液對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速;精餾段：，則 實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為提餾段：實(shí)際孔速：穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。3.6.5液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層應(yīng)服 乙醇-水物系屬易發(fā)泡物系，取則精餾段： 而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，則 ，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。提餾段： ，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。3.6.6塔板負(fù)荷性能圖漏液線(xiàn)由，則精餾段整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列如表：表 3-12 精餾段值計(jì)算結(jié)果Ls m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs m3/s0.3080.3180.3310.341

37、在操作范圍內(nèi)，由此可作出精餾段漏液線(xiàn)提餾段： 整理得： 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列如表：表 3-13 提餾段值計(jì)算結(jié)果Ls m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs m3/s0.4510.5510.6070.885 在操作范圍內(nèi)，由此可作出提餾段漏液線(xiàn)液沫夾帶線(xiàn) 以為限，求關(guān)系如下： 對(duì)于精餾段: 由 ， ， 整理得： 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果如表：表 3-14 精餾段值計(jì)算結(jié)果Ls,m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s1.2281.1681.0900.891由此可做出精餾段液沫夾帶線(xiàn)提餾段： 由 ， ， 整理得: 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果如表：表 3-15 提餾段值計(jì)算結(jié)果Ls,m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s2.4281.5961.5471.505 由此可做出提餾段液沫夾帶線(xiàn) 此可做出提餾段液沫夾帶線(xiàn)液相負(fù)荷下