2022年乙醇水连续精馏塔的设计 .pdf
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1、环境工程系化工原理课程设计- 1 - 乙醇水连续精馏塔的设计目的:通过课程设计进一步巩固课本所学的内容,培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力,使所学的知识系统化,通过本次设计,应了解设计的内容,方法及步骤,使学生具有调节技术资料, 自行确定设计方案, 进行设计计算, 并绘制设备条件图、编写设计说明书。在常压连续精馏塔中精馏分离含乙醇20% 的乙醇水混合液,分离后塔顶馏出液中含乙醇量不小于 94% ,塔底釜液中含乙醇不高于4% (均为质量分数)。已知参数:(1)设计任务进料乙醇 X = 20 % (质量分数,下同)生产能力 Q = 80 t/d 塔顶产品组成 94 % 塔底产品
2、组成 0.1 % (2)操作条件操作压强:常压精馏塔塔顶压强: Z = 4 KPa 进料热状态:泡点进料回流比:自定待测冷却水: 20 加热蒸汽:低压蒸汽, 0.2 MPa 单板压强: 0.7 全塔效率: ET = 52 % 建厂地址:天津地区塔顶为全凝器,中间泡点进料,筛板式连续精馏设计内容:(1) 设计方案的确定及流程说明(2) 塔的工艺计算(3) 塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定;b、塔板的流体力学验算;c、塔板的负荷性能图)(4) 设计结果概要或设计一览表(5) 精馏塔工艺条件图(6) 对本设计的评论或有关问题的分析讨论精选学习资料 - - - - - -
3、 - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 2 - 目录一、精馏流程的确定 . 3 二、课程设计报告内容 . 3 1. 塔的物料计算 . 3 1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数. 3 1.2 平均摩尔质量 . 3 1.3 物料衡算 . 3 2. 塔板数的确定 . 4 2.1 理论塔板数的求取 . 4 2.2 全塔效率 . 6 2.3 实际塔板数 . 6 3. 塔点工艺条件及物性数据计算 . 6 3.1 操作压强 . 6 3.2 温度 . 6 3.3 平均摩尔质量 . 7 3.4 平均密度 . 7 3.5 液体表面张力 .
4、9 3.6 液体黏度 . 9 4. 精馏段气液负荷计算 . 10 5. 塔和塔板主要工艺尺寸计算 . 11 5.1 塔径 . 11 5.2 溢流装置 . 12 5.3 塔板布置 . 15 5.4 筛孔数与开孔率 . 15 5.5 塔的有效高度(精馏段) . 16 5.6 塔高计算 . 16 6. 筛板的流体力学验算 . 16 6.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度. 16 6.2 雾沫夹带量的验算 . 18 6.3 漏液的验算 . 18 6.4 液泛验算 . 18 7. 塔板负荷性能图 . 19 7.1 雾沫夹带线(1) . 19 7.2 液泛线( 2) . 20 7.3 液相负荷上限线(3
5、) . 21 7.4 漏液线(气相负荷下限线)(4) . 21 7.5 液相负荷下限线(5) . 22 8. 筛板塔的工艺设计计算结果总表 . 23 9. 精馏塔的附属设备及接管尺寸 . 24 三、设计小结 . 25 四、主要参考文献 . 25 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 3 - 一、精馏流程的确定乙醇水混合液经原料预热器加热至泡点后,送入精馏塔。 塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后,一部分作为回流,其余为塔顶产品经冷凝后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽向再沸器供热,塔底产品经冷却后送入贮槽
6、。二、课程设计报告内容1. 塔的物料计算1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数089. 018/8046/2046/20Fx86.018/646/9446/94Dx0004.018/9 .9946/1.046/1.0Wx1.2 平均摩尔质量kmolkgMF/49.2018)089.01(46089.0kmolkgMD/08.4218)86.01 (4686.0kmolkgMW/01.1818)0004.01 (460004.01.3 物料衡算总物料衡算3.333324/80000WF轻组分物料衡算3.33332.0001.094.0WD联立二式得:hkgF/5.15728hkgD/3 .3
7、333精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 4 - hkgW/2.12395各物料数值为:hkmolF/62.76749.20/5 .15728hkmolD/21.7908.42/3.3333hkmolW/24.68801.18/2.123952. 塔板数的确定2.1 理论塔板数 NT的求取乙醇水属于理想物系,可采用M.T.图解法求 NT。2.1.1 根据乙醇水的气液平衡数据如下表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0.0 0.0 0.25 0.
8、551 0.10 0.11 0.30 0.575 0.02 0.175 0.4 0.614 0.04 0.273 0.5 0.657 0.06 0.34 0.6 0.698 0.08 0.392 0.7 0.755 0.1 0.43 0.8 0.82 0.14 0.482 0.894 0.894 0.18 0.513 0.95 0.942 0.2 0.525 1.0 1.0 表 1:乙醇水气液平衡数据2.1.2 求最小回流比 Rmin及操作回流比 R。因泡点进料,在 图 1 中对角线上自点 e(0.09 ,0.09)作垂线即为进料线( q 线) ,该线与平衡线的交点坐标为yq = 0.41 ,
9、xq = 0.09 ,此时最小回流比为:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 5 - 41.109. 041.041. 086.0minqqqDxyxxR由于此时乙醇水系统的平衡曲线有下凹部分,求最小回流比自a 点(xD,xD)作平衡线的切线 aq 并延长与 y 轴相交于 c 点,截距为 0.28,即07.228.028.086.028.028.0minDxR当最小回流比为时,比还要小很多,已出现恒浓区,需要无穷多块塔板才能达到g 点。所以对具有下凹部分平衡曲线点物系求Rmin时,不能以平
10、衡数据( yq,xq)代入。图 1 M.T.图解法求 NT取操作回流比14.407.222minRR2.1.3 求理论塔板数 NT精馏段方程 :167.0805.0114.486.0114.414.411xRxxRRyD如图所示按照 M.T.图解法作图可知:NT=21(包括再沸器),其中精馏段 17 层xFxDxW0.0890.00040.86yq0.20.40.60.80.20.40.60.81.01.00.41C0.28xDxD,()0.167精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 6
11、- 提馏段 4 层(包括再沸器)第 18 层为进料板。2.2 全塔效率 ET 根据已知条件, ET = 52 % 2.3 实际塔板数 N 精馏段层精337.3252.017N提馏段层提87 .752.04N3. 塔点工艺条件及物性数据计算 3.1 操作压强 Pm塔顶压强kPaPD3.1053 .1014取每层压强降kPa6.0P,则进料板压强kPa1.1256 .0333.105PF精馏段平均操作压强:kPa2 .11521.1253 .105PM3.2 温度 tm根据操作压强,有BBAAxPxPP00纯组分的饱和蒸汽压P0和温度 t 的关系可用安托尼( Antoine )方程表示,即CtBA
12、p0lgA B C CH3CH2OH 8.04496 1554.3 222.65 H2O (60 150) 7.96681 1668.21 228 H2O (0 60) 8.10765 1750.286 235 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 7 - 注:式中 P为 mmHg,t 为, 1mmHg=0.133kpa 表 2:安托尼公式相关系数组分数据:塔顶 xA=0.86 xB=0.14 P=105.3kPa 进料 xA=0.035 xB=0.965 P=125.1kPa 试差法计算
13、,导入Excel 可得:塔顶 tD = 81.47 进料 tF = 104.88 此时精馏段平均温度18.93288.10447.81精mt3.3 平均摩尔质量 Mm塔顶86.01yxD852.01x08.4218)86.01 (4686.0VDmM80.4118)85.01(4685.0LDmM进料板25.0Fy035.0FxkmolkgMVFm/2518)25.01 (4625.0kmolkgMLFm/89.1818)035.01(46035.0则精馏段平均摩尔质量:kmolMVm/kg54.3322508.42)(精kmolMLm/kg99.29289.1808.41)(精3.4 平均密
14、度 m3.4.1 液相密度 Lm由式LBBLAALm1(为质量分数)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 8 - 温度/ 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 乙醇密度/kg/m3795 785 777 765 755 746 735 730 716 703 水密度/kg/m3998.2 995.7 992.2 988.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 951.0 表 3 乙醇与水的密度已知:LB/1BLAALm(为质量分数)根据表
15、3 的密度值,当塔顶温度为81.47 ,由拉格朗日插值法可知:7358047.817467358090乙3/kg4 .733m乙8.9718047.818 .9713 .9658090水3/kg8.970m水8.97006.04.73394.01LmD3745.2kg/mLmD进料板,由加料板液相组成035.0Ax,进料板温度 104.88时085.018)035.01(46035.046035.0A71610088.104716703100110乙3/kg7.709m乙4.95810088.1044.9580.951100110水3/kg8.954m水8 .954085.017.709085
16、.01LmF3/8.927mkgLmF故精馏段平均液相密度:3(/6 .8368.9273.74521mkgLm)(精)3.4.2 气相密度mV3(/30.1)1 .27318.93(314.854.338.117mkgRTMPVmmVm精)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 9 - 3.5 液体表面张力m温度/ 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 表面张力 /103N/m 乙醇22.3 21.2 20.4 19.8 18.8 18 17.15 16.2 15
17、.5 14.4 水72.6 71.2 69.6 67.7 66.2 64.3 62.6 60.7 58.8 56.9 表 4 乙醇水的表面张力与温度的关系在塔顶处,温度为81.47 ,此时乙醇:15.178047.8115.172 .168090乙mmN /01.17乙水:7 .608047.816 .627 .608090乙mmN /42.60水在进料处,温度为104.88,此时乙醇:5.1510088.1045.154 .14100110乙mmN /96.14乙水:8.5810088.1048.589.56100110水mmN /87.57水niiimx1mmNm/08.2342.6086
18、.0101.1786.0()(顶)mmNm/37.5687.57035.0196.14035.0()(进)则精馏段平均表面张力为:mmNm/73.39237.5608.23(精)3.6 液体黏度Lm液体的黏度可根据式BATA1lg对于乙醇,其中64.686A,88.300B精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 10 - 温度 T黏度mPa s 对于水,可根据水的物性参数表知温度/ 70 80 90 100 110 黏度/ 105Pa s 40.61 35.65 31.65 28.38 25
19、.89 表 5 水的黏度与温度的关系塔顶:88.30064.68647.8115.27364.686lg1BATAmmPa480.0乙65.358047.8165.3565.318090水s0.351mPasPa1006.355水进料:88.30064.68688.10415.27364.686lg1BATAmmPa342.0乙38.2810088.10438.2889.25100110水s0.272mPasPa1016.275水niiiLmx1smPaL462.0351.086.01480.086.0()(顶)smPaL274.0272.0035.01342.0035.0()(进)则精馏段平
20、均液相黏度为:smPaLm368.02274.0462.0(精)4. 精馏段气液负荷计算hkmolDRV/14.40721.79) 114.4() 1(精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 11 - smVMVVmVmS/92. 230.1360054.3314.40736003(精)精)hkmolRDL/93.32721.7914.4smLMLLmLmS/0033. 06 .836360034.3093.32736003(精)精)hmLLSh/88.1136000033.0360035
21、. 塔和塔板主要工艺尺寸计算5.1 塔径 D参考表 6,初选板间距m0.40TH, 取板上液层高度mhL06.0塔径 HT/m 0.3 0.5 0.5 0.8 0.8 1.6 1.6 2.4 2.4 4.0 板间距 HT/m 200300 250350 300450 350600 400600 表 6 板间距与塔径的关系mhHTT34.006.040.00029.0)30. 16.836)(92.20033. 0()(2121VLSSVL精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 25 页环境工程系化工原理课程设计- 12 - 图
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