乙醇-水分離過(guò)程篩板精餾塔設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)題 目乙醇-水分離過(guò)程篩板精餾塔設(shè)計(jì)（院） 系化工院專 業(yè)化學(xué)工程與工藝班 級(jí)2010級(jí)化工1班學(xué)生姓名 *學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師*目錄4專心-專注-專業(yè)一、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1.1設(shè)計(jì)題目分離乙醇一水篩板精餾塔的設(shè)計(jì)1.2原始數(shù)據(jù)及條件生產(chǎn)能力：年處理乙醇一水混合液2.6萬(wàn)噸/年（約為87噸/天）。原料：來(lái)自原料罐，溫度20，乙醇含量為30%（質(zhì)量分率，下同）。分離要求：塔頂乙醇含量不低于95%。塔底乙醇含量不高于0. 05%。塔頂壓力P=105KPa。進(jìn)料狀態(tài)為冷進(jìn)料。塔釜為飽和蒸汽直接加熱。1.3設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)內(nèi)容1.設(shè)計(jì)任務(wù)。2.塔的工

2、藝計(jì)算：包括全塔物料恒算、塔底及塔頂溫度、精餾段和提餾段氣液負(fù)荷、塔頂冷凝去熱負(fù)荷、冷卻水用量、塔底再沸器熱負(fù)荷、加熱蒸汽用量、塔的理論板數(shù)、實(shí)際板數(shù)。3.塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括塔高、塔徑、降液管、溢流堰、開(kāi)孔數(shù)及開(kāi)孔率。4.塔板流體力學(xué)驗(yàn)算。5.塔板布置圖、塔板負(fù)荷性能圖。6.附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)：塔頂冷凝器、塔頂再沸器、進(jìn)料接管、塔頂產(chǎn)品接管、塔底產(chǎn)品接管、塔頂蒸汽接管。7.計(jì)算塔的人孔或手孔開(kāi)孔數(shù)目。8.撰寫(xiě)設(shè)備結(jié)果一覽表。9.繪制精餾塔或冷凝器的設(shè)備圖。10.設(shè)計(jì)感想、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。11.參考文獻(xiàn)。1.4設(shè)計(jì)時(shí)間安排1.6月24日6月28日：完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中的1-4項(xiàng)。2.6月29日7月3日：完成設(shè)

3、計(jì)說(shuō)明書(shū)5-8項(xiàng)。3.7月4日：完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。4.7月5日7月7日：繪制精餾塔或冷凝器的設(shè)備圖。1.5格式基本要求1.紙型：A4紙。2.頁(yè)邊距：上3.5cm，下2.5cm,左2.5cm,右2.5cm。3.頁(yè)眉：2.5cm,頁(yè)腳：2cm，上側(cè)裝訂。4.字體：正文全部仿宋體、小四。5.行距：固定值22磅。6.包括封面、任務(wù)書(shū)、目錄等，內(nèi)容大概15-20頁(yè)。 工藝流程圖及說(shuō)明首先，乙醇和水的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就

4、分開(kāi)了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入乙醇的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成乙醇與水的分離。 冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器乙醇儲(chǔ)罐乙醇    回流原料原料罐原料預(yù)熱器精餾塔     回流  

5、60; 再沸器 塔底產(chǎn)品冷卻器水的儲(chǔ)罐水 二、塔板工藝設(shè)計(jì)2.1精餾塔全塔物料衡算乙醇-水溶液中含乙醇 30% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)下同），乙醇和水的相對(duì)摩爾質(zhì)量分別為46kg/kmol和18kg/kmol。F:進(jìn)料量(kmol/s) XF:原料組成D:塔頂產(chǎn)品流量(kmol/s)XD:塔頂組成W:塔底殘液流量(kmol/s)XW:塔底組成原料甲醇組成：塔頂組成：塔底組成：2.2 平均摩爾質(zhì)量 2.3 全塔物料衡算：依題給條件：一年以300天，一天以24小時(shí)計(jì)，有：全塔物料衡算： 釜液處理量 ， 2.2乙醇和水的物性參數(shù)計(jì)算2.2.1 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

6、%氣相中乙醇的摩爾分率%1000.000.0095.50.01900.170089.00.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23770.544582.30.26080.558081.60.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以求得 1. 2. 3. 2. 精餾段平均溫度：3.

7、提留段平均溫度：2.2.2 密度已知：混合液密度： 混合氣密度：塔頂溫度：氣相組成： 進(jìn)料溫度：氣相組成： 塔底溫度：氣相組成： （1） 精餾段液相組成：氣相組成：所以 (2) 提留段液相組成：氣相組成：所以 不同溫度下一寸與水的密度表溫度T，708090100110754.2742.3730.1717.4704.3977.8971.8965.3958.4951.6 所以 2.2.3相對(duì)揮發(fā)度 （1） 精餾段平均相對(duì)揮發(fā)度（2）提留段平均揮發(fā)度2.2.4混合物的黏度 查手冊(cè)得 查手冊(cè)得 （1） 精餾段黏度：（2） 提留段黏度：2.2.5混合液體的表面張力乙醇表面張力：溫度，2030405060

8、708090100110，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查物理化學(xué)手冊(cè)可得水的表面張力的經(jīng)驗(yàn)公式：所以可以求得，取表可以通過(guò)內(nèi)插法算得,塔頂表面張力：， ， ， （1） 精餾段的平均表面張力：（2） 提餾段的平均表面張力：2.3塔板的計(jì)算2.3.1 q、 精餾段、提留段方程計(jì)算 泡點(diǎn)溫度84.86平均溫度：乙醇的摩爾熱容乙醇的摩爾汽化焓水的摩爾熱容水的汽化潛熱平均汽化熱對(duì) 不論q=1還是q=1.13 挾點(diǎn)均是切點(diǎn)。所以最小回流

9、比一樣，在x=0.和x=1.0之間擬合平衡曲線乙醇水平衡數(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)0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.400.6140.040.2730.500.6570.060.340.600.6980.080.3920.700.7550.100.430.800.820.140.4820.8940.8940.180.1530.950.9420.200.5251.01.0計(jì)算得根據(jù)工藝要求取1.8精餾段方程：提留段方程：2.3.2理論塔板計(jì)算根據(jù)吉利蘭關(guān)聯(lián)圖，已知對(duì)應(yīng) 取13塊板，精餾段

10、7塊，提留段5塊（塔釜一塊）2.3.3實(shí)際塔板計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)：全塔效率：精餾段實(shí)際板數(shù)為：提餾段實(shí)際板數(shù)為：（不包括再沸器）2.4操作壓力的計(jì)算取每塊板的壓降為0.7KPa塔頂壓強(qiáng) 進(jìn)料板壓強(qiáng) 塔底壓強(qiáng) 精餾段平均壓強(qiáng) 提餾段平均壓強(qiáng) 3、 塔體的工藝尺寸計(jì)算3.1塔徑的初步計(jì)算3.1.1氣液相體積流量計(jì)算（1） 精餾段：質(zhì)量流量： 體積流量： （2） 提留段：質(zhì)量流量： 體積流量： 3.1.2塔徑計(jì)算板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計(jì)算，即 式中 D 塔徑m；Vs 塔內(nèi)氣體流量m3/s；u 空塔氣速m/s。由上式可見(jiàn)，計(jì)算塔徑的關(guān)鍵是計(jì)算空塔氣速u(mài)。設(shè)計(jì)中，空塔氣速u(mài)的計(jì)算方法是，先求得最大空塔氣速

11、umax，然后根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，乘以一定的安全系數(shù)，即 最大空塔氣速u(mài)max可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導(dǎo)出，其結(jié)果為 式中 umax允許空塔氣速，m/s；V，L分別為氣相和液相的密度，kg/m3 ； C氣體負(fù)荷系數(shù)，m/s，對(duì)于浮閥塔和泡罩塔可用圖4-1確定；圖中的氣體負(fù)荷參數(shù)C20僅適用于液體的表面張力為0.02N/m，若液體的表面張力為6N/m，則其氣體負(fù)荷系數(shù)C可用下式求得： 所以，初步估算塔徑為： 其中，u適宜的空塔速度，m/s。由于精餾段、提餾段的汽液流量不同，故兩段中的氣體速度和塔徑也可能不同。在初算塔徑中，精餾段的塔徑可按塔頂?shù)谝粔K板上物料的有關(guān)物理參數(shù)計(jì)算，提餾段的塔徑可按釜中物料的有

12、關(guān)物理參數(shù)計(jì)算。也可分別按精餾段、提餾段的平均物理參數(shù)計(jì)算。圖中 HT塔板間距，m； hL板上液層高度，m；V ,L分別為塔內(nèi)氣、液兩相體積流量，m3/s； V，L 分別為塔內(nèi)氣、液相的密度，kg/m3 取 查圖得m/s取安全系數(shù)0.7則空塔氣速D=0.84m取 查圖得取安全系數(shù)0.7則空塔氣速D=0.75m精餾段與提留段相差不大，根據(jù)JB-1153-73圓整塔徑取D=1m實(shí)際氣速：精餾段，提留段3.2塔體有效高度的計(jì)算精餾段有效高度提餾段有效高度3.3精餾塔的塔高計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)：選取每9層塔建立一個(gè)人孔，故人孔數(shù)為3個(gè)設(shè)人孔處的板間距;進(jìn)料段高度：取取塔底停留時(shí)間為5min3.4溢流裝置3.

13、4.1堰長(zhǎng)3.4.2溢流堰高度選用平直堰E近似取1計(jì)算得精餾段：提留段：3.4.3弓形降液管寬度和截面積因?yàn)?查弓形降液管參數(shù)圖得 故根據(jù)驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間精餾段：提留段：故設(shè)計(jì)合理。3.4.4降液管底隙高度（1） 精餾段取降液管底隙的流速則（2） 提留段取降液管底隙的流速則3.5塔板布置3.5.1塔板的分塊因?yàn)楣仕宀捎梅謮K式。查塔板分塊相關(guān)資料塔徑<14001400160016001800分塊數(shù)334故分3塊3.5.2邊緣區(qū)寬度的確定取 3.5.3開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積按下式計(jì)算，即其中 故3.5.4篩孔計(jì)算及其排列由于乙醇和水物系無(wú)腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑篩孔按正三角形

14、排列，取孔中心距t為 篩孔數(shù)目n為開(kāi)孔率為氣體通過(guò)閥孔的速度精餾段：提留段：4、 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算4.1塔板壓降4.1.1干板阻力由查圖故 精餾段： 提留段：4.1.2氣體通過(guò)液層的阻力精餾段： 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖可知提留段： 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖可知4.1.3液體表面張力的阻力（很小可以忽略不計(jì)）4.1.4氣體通過(guò)每層板的壓降精餾段： 提留段： 4.2霧沫夾帶線已知泛點(diǎn)率取，即F=80.2%精餾段將代入整理得提餾段將代入整理得4.3液沫夾帶精餾段：提留段：故設(shè)計(jì)符合要求4.4漏液篩板塔動(dòng)能因子810，取9精餾段：提留段：穩(wěn)定系數(shù)： 故本設(shè)計(jì)無(wú)明顯液漏4.5液泛乙醇水體系不宜發(fā)泡，故安全系數(shù)取精餾

15、段：提留段： 故本設(shè)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生液泛。5、 塔板負(fù)荷性能圖5.1漏液線推出精餾段：提留段：精餾段0.00100.00080.00060.3860.3810.375提留段0.00100.00080.00060.4930.4870.4835.2液沫夾帶線已為限，求精餾段： 提留段： 精餾段0.00100.00080.00061.3911.4081.424提留段0.00100.00080.00061.6621.6811.695.3液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此可做出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相的負(fù)荷下限線。5.4液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中停留的時(shí)間的下限，據(jù)此

16、可做出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相的負(fù)荷上限線。5.5液泛線根據(jù)篩板流體力學(xué)驗(yàn)算過(guò)程液泛部分的計(jì)算，可整理得帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得精餾段：提留段：精餾段0.00100.00080.00062.0042.0062.008提留段0.00100.00080.00062.5262.5392.5565.6圖表匯總及負(fù)荷曲線圖精餾段負(fù)荷線0.0010.00080.0006漏液線0.3860.3810.375液沫夾帶線1.3911.4081.424液相負(fù)荷下限線0.00029液相負(fù)荷上限線0.0047液泛線2.0042.0062.008提留段負(fù)荷線0.0010.00080.0006漏液線0.4930.4870.483液

17、沫夾帶線1.6621.6811.69液相負(fù)荷下限線0.0003液相負(fù)荷上限線0.0046液泛線2.5262.5392.5566主要工藝接管尺寸的計(jì)算和選取6.1 蒸汽出口管的管徑計(jì)算由于是常壓蒸餾，允許氣速：12.0020.00m/s，本次設(shè)計(jì)選取15m/s圓整直徑：6.2回流管的管徑計(jì)算冷凝器安裝在塔頂，一般流速為0.20.5故選取流速為0.4m/s圓整直徑：6.3進(jìn)料管的管徑：取精料速度為2.00m/s進(jìn)料體積流量：故圓整直徑：6.4釜底排出管的管徑計(jì)算取排出速度0.8m/s圓整直徑：設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算結(jié)果精餾段提餾段1平均溫度81.4692.342平均壓力kPa101.5

18、113.63平均流量氣相m3/s0.000460.00134液相m3/s0.3430.4245實(shí)際塔板數(shù)塊12116塔的有效高度m10.810.87塔徑m0.840.758板間距m0.40.49降液管形式弓形弓形10空塔氣速m/s0.7930.89611溢流裝置溢流管形式單溢流單溢流12溢流堰長(zhǎng)度m0.650.6513溢流堰高度m0.0480.04214板上液層高度m0.060.0615堰上液層高度m0.0110.017 16安定區(qū)寬度m0.0650.06517開(kāi)孔區(qū)面積m20.520.5218閥孔直徑mm5519浮閥或篩孔個(gè)數(shù)個(gè)2669266920閥孔或篩孔氣速m/s6.297.7721開(kāi)孔率%10.110.122孔心距mm151523塔板壓降kPa0.0290.02124液相負(fù)荷上限m3/s0.00470.004625液相負(fù)荷下限m3/s0.000290.000326氣相負(fù)荷上限