化工原理课程设计(乙醇和水的分离)(28页).doc

-化工原理课程设计课题名称 乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计 院 系 可再生能源学院 班 级 应用化学0901班 学 号 1091100128 学生姓名 蔡 文 震 指导老师 覃 吴 设计周数 1 目录一、化工原理课程设计任务书41.1设计题目41.2原始数据及条件：4二、塔板工艺设计42.1精馏塔全塔物料衡算42.2乙醇和水的物性参数计算52.2.1 温度52.2.2 密度62.2.3相对挥发度92.2.4混合物的黏度92.2.5混合液体的表面张力92.3塔板的计算102.3.1 q、 精馏段、提留段方程计算102.3.2理论塔板计算122.3.3实际塔板计算122.4操作压力的计算13三、 塔体的工艺尺寸计算133.1塔径的初步计算133.1.1气液相体积流量计算133.1.2塔径计算133.2塔体有效高度的计算153.3精馏塔的塔高计算163.4溢流装置163.4.1堰长163.4.2溢流堰高度163.4.3弓形降液管宽度和截面积173.5塔板布置173.5.1塔板的分块173.5.2边缘区宽度的确定183.5.3开孔区面积计算183.5.4筛孔计算及其排列18四、 筛板的流体力学验算194.1塔板压降194.1.1干板阻力194.1.2气体通过液层的阻力194.1.3液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计）204.1.4气体通过每层板的压降204.2液沫夹带204.3漏液214.4液泛21五、 塔板负荷性能图225.1漏液线225.2液沫夹带线225.3液相负荷下限线245.4液相负荷上限线245.5液泛线245.6图表汇总及负荷曲线图26六、 主要工艺接管尺寸的计算和选取26七、课程设计总结27八、 参考文献28-第 28 页-一、化工原理课程设计任务书1.1设计题目分离乙醇一水筛板精馏塔的设计1.2原始数据及条件：生产能力：年处理乙醇一水混合液2.6万吨/年（约为87吨/天）。原料：来自原料罐，温度20，乙醇含量为46%（质量分率，下同）。分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%。塔底乙醇含量不高于0. 05%。塔顶压力P=105KPa。进料状态为冷进料。塔釜为饱和蒸汽直接加热。二、塔板工艺设计2.1精馏塔全塔物料衡算F：进料量（Kmol/s） D：塔顶产品流量（Kmol/s） W：塔底残液流量（Kmol/s） 原料乙醇组成：塔顶组成：塔底组成：进料量：物料衡算式：F=D+W联立求解：D =0.0153Kmol/s W =0.0387Kmol/s2.2乙醇和水的物性参数计算2.2.1 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%1000.000.0095.50.01900.170089.00.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23770.544582.30.26080.558081.60.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943 根据表中数据可以求得 1. 2. 3. 4. 精馏段平均温度：5. 提留段平均温度：2.2.2 密度已知：混合液密度： 混合气密度：塔顶温度：气相组成： 进料温度：气相组成： 塔底温度：气相组成： （1） 精馏段液相组成：气相组成：所以 (2) 提留段液相组成：气相组成：所以 不同温度下一寸与水的密度表温度T，708090100110754.2742.3730.1717.4704.3977.8971.8965.3958.4951.6 所以 2.2.3相对挥发度 （1） 精馏段平均相对挥发度（2）提留段平均挥发度2.2.4混合物的黏度6 查手册得 查手册得 （1） 精馏段黏度：（2） 提留段黏度：2.2.5混合液体的表面张力查物理化学手册可得水的表面张力的经验公式：所以可以求得，乙醇的查取表可以通过内插法算得液体表面张力温 度6080100乙醇19.2mN/m17.3mN/m15.5mN/m,塔顶表面张力：， ， ， （1） 精馏段的平均表面张力：（2） 提馏段的平均表面张力：2.3塔板的计算2.3.1 q、 精馏段、提留段方程计算 泡点温度82.46平均温度：乙醇的摩尔热容乙醇的摩尔汽化焓水的摩尔热容水的汽化潜热平均汽化热对 不论q=1还是q=1.13 挟点均是切点。所以最小回流比一样，在x=0.和x=1.0之间拟合平衡曲线乙醇水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0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.400.6140.040.2730.500.6570.060.340.600.6980.080.3920.700.7550.100.430.800.820.140.4820.8940.8940.180.1530.950.9420.200.5251.01.0计算得根据工艺要求取1.8精馏段方程：提留段方程：2.3.2理论塔板计算根据吉利兰关联图，已知对应 取13块板，精馏段7块，提留段5块（塔釜一块）2.3.3实际塔板计算实际塔板数：全塔效率：2.4操作压力的计算取每块板的压降为0.7KPa三、 塔体的工艺尺寸计算3.1塔径的初步计算3.1.1气液相体积流量计算（1） 精馏段：质量流量： 体积流量： （2） 提留段：质量流量： 体积流量： 3.1.2塔径计算板式塔的塔径依据流量公式计算，即 式中 D 塔径m；Vs 塔内气体流量m3/s；u 空塔气速m/s。由上式可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为 式中 umax允许空塔气速，m/s；V，L分别为气相和液相的密度，kg/m3 ； C气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；图中的气体负荷参数C20仅适用于液体的表面张力为0.02N/m，若液体的表面张力为6N/m，则其气体负荷系数C可用下式求得： 所以，初步估算塔径为： 其中，u适宜的空塔速度，m/s。由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。图中 HT塔板间距，m； hL板上液层高度，m；V ,L分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s； V，L 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 取 查图得m/s取安全系数0.7则空塔气速D=0.84m取 查图得取安全系数0.7则空塔气速D=0.75m精馏段与提留段相差不大，根据JB-1153-73圆整塔径取D=1m实际气速：精馏段，提留段3.2塔体有效高度的计算3.3精馏塔的塔高计算实际塔板数：选取每9层塔建立一个人孔，故人孔数为3个设人孔处的板间距;进料段高度：取取塔底停留时间为5min3.4溢流装置3.4.1堰长3.4.2溢流堰高度选用平直堰E近似取1计算得精馏段：提留段：3.4.3弓形降液管宽度和截面积因为 查弓形降液管参数图得 故根据验算降液管内停留时间精馏段：提留段：故设计合理。3.4.4降液管底隙高度（1） 精馏段取降液管底隙的流速则（2） 提留段取降液管底隙的流速则3.5塔板布置3.5.1塔板的分块因为故塔板采用分块式。查塔板分块相关资料塔径<14001400160016001800分块数334故分3块3.5.2边缘区宽度的确定取 3.5.3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算，即其中 故3.5.4筛孔计算及其排列由于乙醇和水物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为开孔率为气体通过阀孔的速度精馏段：提留段：四、 筛板的流体力学验算4.1塔板压降4.1.1干板阻力由查图故 精馏段： 提留段：4.1.2气体通过液层的阻力精馏段： 查充气系数关联图可知提留段： 查充气系数关联图可知4.1.3液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计）4.1.4气体通过每层板的压降精馏段： 提留段： 4.2液沫夹带精馏段：提留段：故设计符合要求4.3漏液筛板塔动能因子810，取9精馏段：提留段：稳定系数： 故本设计无明显液漏4.4液泛乙醇水体系不宜发泡，故安全系数取精馏段：提留段： 故本设计不会产生液泛。五、 塔板负荷性能图5.1漏液线推出精馏段：提留段：精馏段0.00100.00080.00060.3870.3820.377提留段0.00100.00080.00060.4950.4880.4825.2液沫夹带线已为限，求精馏段： 提留段： 精馏段0.00100.00080.00061.3901.4071.425提留段0.00100.00080.00061.6611.6801.705.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷的标准。据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷下限线。5.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留的时间的下限，据此可做出与气体流量无关的垂直液相的负荷上限线。5.5液泛线根据筛板流体力学验算过程液泛部分的计算，可整理得带入相关数据得精馏段：提留段：精馏段0.00100.00080.00062.0032.0052.007提留段0.00100.00080.00062.5272.5412.5575.6图表汇总及负荷曲线图精馏段负荷线0.0010.00080.0006漏液线0.3870.3820.377液沫夹带线1.3901.4071.425液相负荷下限线0.0003液相负荷上限线0.0046液泛线2.0032.0052.007提留段负荷线0.0010.00080.0006漏液线0.4950.4880.482液沫夹带线1.6611.6801.70液相负荷下限线0.0003液相负荷上限线0.0046液泛线2.5272.5412.557六、 主要工艺接管尺寸的计算和选取6.1 蒸汽出口管的管径计算由于是常压蒸馏，允许气速：12.0020.00m/s，本次设计选取15m/s圆整直径：6.2回流管的管径计算冷凝器安装在塔顶，一般流速为0.20.5故选取流速为0.4m/s圆整直径：6.3进料管的管径：取精料速度为2.00m/s进料体积流量：故圆整直径：6.4釜底排出管的管径计算取排出速度0.8m/s圆整直径：七、课程设计总结短短一周的课程设计，任务很重，从查资料到计算，再到画图都是一个人完成的，收获很大，不仅复习以前所学的知识，还拓展了很多的新知识。将这次课程设计中自己遇到的问题以及解决的方法写在这里。1. 遇到选型的问题。我做的是乙醇水的分离系统，当时可以用筛板塔和浮阀塔，因为做课程设计是一种最优方案的选取，所以为了选取最好的方案，我将两个选型的大体计算全做了，通过对比发现浮阀塔单板的压降会大于0.7KPa不符合我最初的设计，因此选择了筛板塔。2. 乙醇-水体系冷进料的q线计算，因为以前学习还是考试中遇到的问题基本都是饱和进料，并且体系都是理想的，操作线和平衡线很好求，不用涉及利用摩尔焓和汽化潜热的计算q的方法，并且本次设计使用捷算法计算理论板数，通过使用origin和matlab软件画图和计算拟合平衡方程。3. 学习查询各种手册和设备设计标准。因为做设计，所以需要查询很多物性参数，对于化工手册的使用和读取关联图的能力在本次设计中得到了锻炼。4. 负荷性能的曲线，开始算了5条线的参数，画图后不负荷理论知识，后来经过老师的帮助和查阅文献，发现对于一些知识不能刻板的利用书本的知识，需要结合实际，例如在我的实验中，液泛线的阀值很高，无法与液沫夹带线相交，经过核算计算部分没错，所以就要思考如何设计与取值的问题，经过我的极值法分析，和带入具体数据进行全塔验证，发现取值只要在液泛线左下方满足其他四条线的要求就都可以使精馏塔正常工作，后来分析出现这样的工况是由于做设计的过程中大量经验公式的引用，导致精度高，因为需要保证正常运行使用了大量了安全系数，这样难免缩小或者放大了一些参数的实际值。八、 参考文献化工原理第五版，陈敏恒，丛德滋等，化学工业出版社。物理化学第五版，天大版，高等教育出版社。分离过程与设备，高等教育出版社。化工物性数据手册（有机卷，无机卷）化学工业出版社。化学设备与工程 高等教育出版社。