顿精馏塔化工原理课程设计.doc
南 京 工 业 大 学材料工程原理B课程设计设计题目：70T/d 94%（质量）乙醇-水溶液精馏塔设计 专 业： 高分子材料专业 班 级： 髙材1104 学 号： 姓 名： 许雅琪 日 期： 2014.7.4 指导教师： 刘晓敏 设计成绩： 日 期： 板式精馏塔设计任务书一、设计题目乙醇-水连续精馏塔日产能力70吨94%的乙醇产品二、 设计条件1.进精馏塔的料液含乙醇25%（质量），其余为水2.产品乙醇含量不低于94%3.残夜中乙醇含量不高于0.1%4.生产能力为日产（24小时）60吨94%的乙醇产品5.操作条件精馏塔的塔顶压力 4kPa（表压）进料状态 泡点进料回流比 2.354加热蒸汽压力 101.33kPa单板压降 不大于0.7kPa6.设备型式为浮阀塔（F1型）7.厂址位于天津地区8.天津当地大气压为 88.5kPa目录1.设计方案的确定及流程说明31.1塔的类型选择31.2塔板类型的选择31.3塔压确定31.4进料热状况的选择41.5塔釜加热方式的确定41.6塔顶冷凝方式41.7塔板溢流形式41.8塔径的选择41.9适宜回流比的选取41.10操作流程52.工艺设计计算52.1精馏塔全塔物料衡算52.2理论板的计算62.2.1.乙醇-水气液平衡与温度的关系62.2.2相对挥发度82.2.3回流比82.2.4操作线方程82.3理论板数计算82.4全塔物料衡算102.5不同温度下乙醇和水的密度112.5.1精馏段气液相密度112.5.2提馏段气液相密度122.6气液相体积流量计算122.6.1精馏段体积流量122.6.2提馏段体积流量132.7混合物的黏度132.8混合液体表面张力142.9塔径的初步设计182.10塔高的确定192.11塔板布置及浮阀数目与排列202.12冷凝器的选择222.13再沸器的选择232.14溢流装置242.15塔板的流体力学计算253.浮阀塔工艺设计计算结果274.参考资料285.设计评述及感悟28工艺流程简介1.设计方案的确定及流程说明1.1塔的类型选择本设计任务为乙醇-水混合物。对二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。一般来讲，板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气体相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，因而在工业上应用较为广泛。考虑到设计、造价及生产技术的成熟稳定性，确定采用板式塔进行精馏操作。1.2塔板类型的选择在板式塔的塔板类型中，浮阀塔板吸收了泡罩塔板和筛孔踏板的优点，具有结构简单、制造方便、造价低，塔板开孔率达，生产能力达，操作弹性大，踏板效率高等优点。因此，本设计选用浮阀塔板。1.3塔压确定乙醇-水物系在操作温度下非常稳定，在综合平衡操作可行性及设备、操作费用各因素之后，确定采用塔顶压力为（101.33+4）kPa进行操作。1.4进料热状况的选择本设计采用泡点进料，这样可以保证进料温度不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较容易控制。1.5塔釜加热方式的确定由于本设计具有特殊性，塔底产物接近于纯水，而且在实际生产中直接蒸汽加热有更高的热效率。结合设计任务要求，确定其塔釜加热方式为蒸汽直接加热。1.6塔顶冷凝方式泡点回流易于控制，设计和控制时比较方便，而且可以节约能源。1.7塔板溢流形式通过对本设计的液流流量、塔径等进行初步估计，确定选用单溢流塔板。1.8塔径的选择板式塔的塔径依据流量公式计算。1.9适宜回流比的选取先求出最小回流比Rmin，根据经验取实际操作回流比为最小回流比的1.2至2.0倍。乙醇-水混合物系属分离物系，最小回流比较小，结合次设计任务要求，操作回流比取最小回流比的1.5倍。1.10操作流程乙醇-水溶液经预热器预热至泡点后，用泵送入精馏塔进料板。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，进入回流罐部分回流，其余作为塔顶产品经冷却其冷却后送至贮槽。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品用于预热原料液，冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔底蒸汽输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，有冷凝器中的冷却介质将余热带走。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。按照设计任务书要求绘制生产工艺流程图一份，见附图。2塔板的工艺设计计算2.1精馏塔全塔物料衡算F:原料液流量 （Kmol/s） xF :原液组成（mol%）D:塔顶产品流量（Kmol/s） xD :塔顶组成（mol%）W:塔底残液流量（Kmol/s） xW:塔底组成（mol%）乙醇的摩尔质量：46Kg/Kmol水的摩尔质量：18Kg/Kmol原料乙醇组成：xF = 11.54%塔顶组成： xD =85.98%塔底组成： xW= =0.03915%日生产量： D = =0.01828（Kmol/s）物料衡算式： F = D+W F xF =D xD + W xW联立代入求解：F =0.1366（Kmol/s） W=0.1183（Kmol/s）名称 原料液 馏出液 釜残液质量分数 25% 94%0.1%摩尔分数11.54%85.98%0.03915%流量（Kmol/s）0.13660.018280.11832.2理论板的计算2.2.1乙醇-水气液平衡与温度的关系乙醇-水汽液平衡与温度的关系：(1) 温度利用上表数据由拉格朗日插值可求得tF, tD , t WA tF : = tF = 85.73B tD : = tD =78.21C t W := t W =99.91D 精馏段平均温度：t1 =81.97E 提馏段平均温度：t2 =92.82(2) 密度精馏段： t1 =81.97液相组成: x1 : = x1 = 28.82%气相组成 y1 := y1=57.23%所以 ML1=46*0.2882+18*(1-0.2882)=26.07(/Kmol)MV1=46*0.5723+18*(1-0.5723)=34.02(/Kmol)提馏段： t2 =92.82液相组成 x2:= x2 =4.090%气相组成 y2 : = y2 =26.03% 所以ML2=46*0.+18*(1-0.)=18.11(kg/Kmol) ML2=46*0.2603+18*(1-0.2603)=25.29(/Kmol)2.2.2相对挥发度A. 精馏段挥发度：xA=0.2882 yA = 0.5723得xB=0.7118， yB=0.4277 a = =3.305B. 提馏段挥发度：xA=0.0409 yA=0.2603得xB=0.9591, yB=0.7397 a = =8.252C相对挥发度： a2 =(a* a) a=5.2222.2.3回流比Rmin = yP = xP = xF 联立 得: xP =0.1154 yP = 0.4052 把代入得: Rmin =1.569操作回流比: R =1.5* Rmin =1.5*1.569=2.3542.2.4操作线方程精馏段方程：yn+1 =(R/(R+1) xn + =0.7018 xn + 0.2564;L = RD =2.354*0.01828=0.04303(Kmol/s)提馏段方程（q=1）：ym+1=-=2.930 Xm-0.;2.3理论板数计算在图上作操作线，由点（0.8598 0.8598）)起在平衡线和操作线间画阶梯，过精馏塔操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交点小于0.03915%为止，由此得到理论板。相平衡方程： x= 精馏段方程： y=0.7018 x+ 0.2564y1= xD=0.8598 x1 = 0.5401y2=0.6354 x2= 0.2502y3= 0.4320 x3=0.1271y4=0.3456 x4=0.09184 < xF由计算知第4板为加料板一下交替使用提馏段方程: y=2.930 x-0.和相平衡方程: x=y/(5.222-4.222y) Y5=0.2683 x5 = 0.06561 y6=0.1915 x6 =0.04339 y7=0.1264 x7 = 0.02696 y8=0.07824 x8= 0.01599 y9=0.04610 x9= 0. y10=0.02611 x10= 0. y11=0.01421x11=0. y12=0.x12= 0. y13= 0.x13= 0. y14=0. x14=0.< xW总理论板数为14块，精馏段理论板数是3块，第4块为加料板。A精馏段已知a=3.305, µ1=0.3722（mPa.s)所以:Et=0.49*(3.305*0.3722)(-0.245）=0.4658Np精=6.440 故Np精=7B 提馏段已知a=8.252 ,µ2=0.3094（mPa.s)所以：Et=0.49*（8.252*0.3100）（-0.245）=0.3893Np提=25.69 故Np提=26全塔所需实际塔板数：Np=Np精+Np提=7+26=33全塔效应： Et=39.392.4全塔物料衡算塔顶操作压力为： Po=88.5+4=92.5kPa每层塔板压力降为： P=0.7kPa进料压力： Pf=92.5+0.7*7=97.4kPa精馏段平均压力： Pm=94.95kPa所以 n1= =1.026塔底操作压力： Pd=92.5+0.7*33=115.6kPa提馏段平均压力： Pm= =106.5kPa所以 n2=1.151混合液密度： =+混合气密度： v=2.5不同温度下乙醇和水的密度温度/乙醇密度(/m3)水的密度(/m3)温度/乙醇密度(/m3)水的密度(/m3) 80 735 971.8 95 720 961.85 85 730 968.6 100 716 958.4 90 724 965.3t1 =81.97= 乙=733.03/m3= 水=970.54/m3t2 =92.82= 乙=721.74/m3= 水=963.4/dm32.5.1在精馏段气液相密度：液相密度L1:V1=0.5085 V2=0.4915=+ L1=833.2/m3汽相密度v1:v1=1.199/m32.5.2在提馏段气液相密度：液相密度 L2：V1=0.09827 V2=0.9017=+ L2=932.7/m3气相密度v2= 0.9699/m32.6气液相体积流量计算2.6.1精馏段体积流量：L = RD =2.354*0.01828=0.04303(Kmol/s)V=L+D=0.04303+0.01828=0.06131(Kmol/s)已知：ML1=26.07 (/Kmol) MV1 =34.02 (/Kmol) L1=833.2（/m3） v1 =1.199 (/m3)则有质量流量：L1= ML1 *L=26.07*0.04303=1.122(/s) V1= MV1* V=34.02*0.06131=2.086(/s)体积流量： Ls1= =0.(m3/s) Vs1=1.740(m3/s)2.6.2提馏段体积流量：因为是饱和液体进料，所以q=1 L=L+Fq =0.04303+0.1338=0.1768(Kmol/s) V=V=0.06131(Kmol/s) 已知：ML2= 18.11(/Kmol) ML2 =25.29(/Kmol) L2=932.7(/m3) v2 =0.9699(/m3)则有质量流量：L2= ML2 *L=18.11*0.1768=3.202(/s)V2= MV2* V=25.29*0.06131=1.550(/s) W2=L2-V2=1.652(/s) 体积流量： Ls2=0.(m3/s) Vs2= =1.598(m3/s)2.7混合物的黏度t1 =81.97，查表得，t1 =81时，µ水=0.3521（mPa.s）t1 =82时，µ水=0.3478（mPa.s）由拉格朗日插值可求得t1 =81.97，µ水=0.3479（mPa.s）同理： µ乙醇=0.4321（mPa.s）t2 =92.82,查表得， t2 =92, µ水 =0.3095（mPa.s）t2 =93, µ水=0.3060（mPa.s）由拉格朗日插值可求得t2 =92.82, µ水=0.3066（mPa.s）同理： µ乙醇=0.3900（mPa.s）精馏段黏度：µ1=µ乙醇x1+µ水(1-x1) = 0.4321* 0 .2882+0.3479*(1-0.2882) =0.3722（mPa.s)提馏段黏度：µ2=µ乙醇x2+µ水(1-x2) =0.3900*0.04090+0.3066*(1-0.04090) =0.3100（mPa.s)2.8混合液体表面张力温度/70 80 90 100乙醇表面张力/mN/m 18 17.15 16.2 15.2水表面张力/mN/m 64.3 62.6 60.7 58.8精馏段方法一tD =78.21,乙醇的表面张力：= 乙醇=17.30水的表面张力： = 水=62.901=xD 乙醇+(1-xD) 水=0.8594*17.30+0.1406*62.90=23.71mN/m tF = 85.73乙醇的表面张力:= 乙醇=16.60水的表面张力： = 水=61.512=xf乙醇+(1-xf)水=0.1154*16.6+（1-0.1154）*61.51=56.33精馏段液相平均表面张力为：=（1+2）/2=(23.71+56.33）/2=40.02tw=99.91乙醇的表面张力: = 乙醇=15.21水的表面张力： = 水=58.823=Xw乙醇+(1-Xw)水=0.03915*15.21+(1-0.03915)*58.82=57.11提馏段液相平均表面张力为：=（3+2）/2=(57.11+56.33)/2=56.72方法二 精馏段：t1 =81.97 Vm= =21.60(cm3/mol) Vo= 38.37*103(cm3/mol)乙醇的表面张力：= 乙醇=16.96水的表面张力： = 水=62.22提馏段：t2 =92.82Vm=19.30(cm3/mol) Vo= =47.43*103(cm3/mol)乙醇的表面张力：= 乙醇=15.92 水的表面张力： = 水=60.16方法三 精馏段：t1 =81.97 Vm=21.60(cm3/mol) Vo= 38.37*103(cm3/mol)乙醇的表面张力：= 乙醇=16.96水的表面张力： = 水=62.22=0.8530B= =-0.06906Q= =-0.9649 A=B+Q=-1.034 联立方程组A=（）, sw+so=1 得sw = 0.2614， so=0.7386m(0.25)= sw水(0.25)+ so乙醇(0.25)=0.2614*62.220.25+0.7386*16.960.25=2.233m=24.86提馏段：t2 =92.82Vm=19.30(cm3/mol)Vo=47.43*103(cm3/mol)乙醇的表面张力：= 乙醇=15.92 水的表面张力： = 水=60.16=8.859B=(w2/0)=0.9474 Q=(-60.16*19.30(2/3)=-0.7957A=B+Q =0.9474-0.7957=0.1517联立方程组 A=(sw2/so), sw+so=1 得 sw = 0.6769 ，so= 0.3231m(0.25)= sw水(0.25)+ so乙醇(0.25)=0.6769*60.16(0.25)+0.3231*15.92(0.25)=41.01m=41.012.9塔径的初步设计精馏段 :由u=(0.60.8)umax , umax=C 横坐标数值：*=*=0.02079取板间距： HT=0.45m, hL=0.07m, 则HT- hL=0.38m查287页上的表可知：C20=0.08500,C = C20(/20)(0.2)=0.08500*（24.86/20）(0.2)=0.09Umax=0.09* =1.967(m/s)u1 = 0.7 umax=0.7*1.967= 1.3769(m/s)D1 = = 1.269(m)圆整： D1=1.3(m)横截面积：AT =0.785*D12=0.785*1.32=1.327(m2空塔气速：u1=1.311(m/s)提馏段*=*=0.06662取板间距：HT=0.45m, hL=0.07m, 则HT- hL=0.38m查287页上的表可知：C20=0.07599 ,C = C20(/20)(0.2)=0.07599*(41.00/20)(0.2)= 0.08772umax'=0.08772* =2.719 (m/s)u2=0.7 umax'=0.7*2.719 =1.903(m/s)D2= = =1.070m圆整：D2=1.3m横截面积: AT=0.785* 1.32= 1.327(m2)空塔气速：u2= 1.598/ 1.327 = 1.204(m/s) 2.10塔高的确定查表可得Ht=0.45Z=N实*Ht=33*0.45=14.85m2.11塔板布置及浮阀数目与排列精馏段：取阀孔动能因子Fo=12,则孔速u01：u01= 10.96(m/s)取筛孔直径d 0=0.0039每层塔板上浮阀数目为：N= =4=132.97=133(块)（采用F1型浮阀）取边缘区宽度Wc=0.06m,破沫取宽度Ws=0.10m,Wd=0.124D1=0.124*1.3=0.1612计算塔板上的鼓泡区面积，即：Aa=2(x+arcsin)R=-Wc=-0.06=0.59x=-(Wd+Ws)=-0.1612-0.10=0.0.3888所以Aa=2*（0.3888+*0.592arcsin）=0.8457(m2)浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距为85mm则拍间距：t:=84.78mm考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用136.4mm，而因小些，故取t=75=0.075mm,按t=95mm,t=75mm,以等腰三角形叉排法作图，得阀数为135个。按N=135重新核算孔速及阀孔动能因数=10.79F0=10.79*=11.81阀孔动能因数变化不大，仍在9到13范围内。塔板开孔率=0.1009=10.09%提馏段取阀孔动能因子Fo=12,则孔速u02： =每层塔板上浮阀数目为：=109.9=110按t=100mm,t=128.2mm取t=80mm,得阀数108个= 12.40= 12.21阀孔动能因数变化不大，仍在9到13范围内。塔板开孔率=0.08177= 8.177%2.12冷凝器的选择热负荷，查该温度下水的汽化潜热为2313kJ/kg，乙醇的汽化潜热为844kJ/kg平均汽化潜热为：r= 0.8598*844*46.07+（1-0.8598）*2313*18.01=39272（KJ/Kmol）=Vr=0.06131*39272=2408（kW）冷却水用量取冷却水的进口的温度为30，出口的温度为45，水的汽化潜热为4.18KJ/（Kg.）,则=/(t)=38.40(kg/s)总传热系数K查表可知，取K=800w/(m2.)泡回流时的平均温差tt=40.24（）换热面积AA=74.80（m2）2.13再沸器的选择热负荷Q塔底温度t W =99.91r r=2258KJ/kgQ=Vr=0.06131*2258*18.01=2493（kW）加热蒸汽用量选用0.25MPa（表压）的饱和蒸汽加热，温度为T=138.8，r=2152KJ/kg ，=1.158(kg/s)考虑10的热损失，=1.1*1.158=1.274(kg/s)平均温度差tt=T-=138.8-99.91=38.89换热系数K取K=900w/(m2.)换热面积AA=71.23（m2）考虑10的热损失，A=1.1*71.23=78.35（m2）2.14溢流装置（1） 堰长取=0.65D=0.65*1.3=0.845(m)出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算：=(2/3) 近似取E=1精馏段：=(2/3)=0.(m)=0.07-0.=0.06090(m)提馏段： =(2/3)=0.01698（m）=0.07-0.01698=0.05302(m)(2) 弓形降液管的宽度和横截面查表得：=0.0721，=0.124 则 =0.0721*1.327=0.09568（m2）=0.124*1.3=0.1612(m)验算降液管内停留时间:精馏段：=31.97提馏段：=11.87停留时间>5s,故降液管可以使用。(3) 降液管底隙高度：精馏段：取降液管底隙的流速=0.08m/s,则=0.02（m）提馏段：取降液管底隙的流速=0.08m/s，则=0.05367(m)因为不小于20mm，故满足要求。2.15塔板的流体力学计算气相通过浮阀塔板的压降，可根据（1）精馏段A干板阻力： =9.509(m/s）因为，故=0.04710（m）B板上充气液层阻力：取=0.5， =0.5*0.07=0.035(m)C液体表面张力所造成的阻力:此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：=0.04710+0.035=0.082（m）=0.082*833.2*9.8=669.6（Pa）(2) 提馏段：干板阻力：=10.68(m/s）因为,故=0.04356（m）板上充气液层阻力：取=0.5，=0.5*0.07=0.035(m)液体表面张力所造成的阻力:此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：=0.04356+0.035=0.07856（m）= 0.07856*932.7*9.8=718.1（Pa）3.浮阀塔工艺设计计算结果项目符号 单位 计算数据 备注 精馏段 提馏段 塔径Dm1.31.3 板间距HTm0.450.45 塔板类型 单溢流弓形降液管 分块式塔板 空塔气速Um/s1.3111.204 堰长Lwm0.8450.845 堰高hw m0.060900.05302 板上液层高度 m0.070.07 降液管底隙高ho m0.020.05367 浮阀数N 135110等腰三角形叉排 阀孔气速Uom/s10.9612.18同一横排孔心距 浮阀动能因子F0 11.8112.05相邻横排中心距离 临界阀孔气速uoc m/s10.7910.58 孔心距Tm0.0710.071 排间距tm0.0750.095 单板压降pPPa669.6718.1 液体在降液管内停留时间s31.97 11.87 塔板开孔率 u/uo%10.098.177 4.参考资料1 天津大学化工原理教研室编化工原理上、下册(第二版) M,天津:天津科技出版社,19962 柴诚敬等.化工原理课程设计M,.天津:天津科学技术出版社,2000 3 伟萍等编.化工过程及设备设计M, 北京：化学工业出版社,2000.4 潘国昌,化工设备设计M, 北京：清华大学出版社.20015 娄爱娟,吴志泉,吴叙美编,化工设计, 上海：华东理工大学出版社,20026 黄璐主编.化工设计.M.北京：化学工业出版社,2000.7 化工设备全书换热器M.北京：化学工业出版社,2003.8 兰州石油机械研究所.现代塔器技术M,北京:中国石化出版社,20055. 设计评述及感悟本次化工原理课程设计历时两周，是上大学以来第一次独立的工业化设计。从老师以及学长那里了解到化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 由于第一次接触课程设计，起初心里充满了新鲜感和期待，因为自我认为在大学里学到的东西终于可以加以实践了。可是当老师把任务书发到手里是却是一头雾水，完全不知所措。可是在这短短的两周里，从开始的一无所知，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。 我的课程设计题目是精馏塔设计图。在开始时，我们不知道如何下手，虽然有课程设计书作为参考，但其书上的计算步骤与我们自己的计算步骤有少许差异，在这些差异面前，我们显得有些不知所措，通过查阅化工原理，化工工艺设计手册，物理化学，化工原理课程设计等 书 籍 ，以及在 网上搜索到的理论和经验数据 。我们慢慢地找到了符合自己的实验数据。并逐渐建立了自己的模版和计算过程。
