化工原理課程設(shè)計(jì)乙醇水精餾塔及其主要附屬設(shè)備設(shè)計(jì)

1、學(xué)校 化工原理課程設(shè)計(jì) 題目：乙醇- -水精餾塔及其主要附屬設(shè)備設(shè)計(jì) 院（系）： 專(zhuān) 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 20102010 年 9 9 月 1515 日 目錄 概述 . ：4 1.1設(shè)計(jì)依據(jù). 4 1.2 技術(shù)來(lái)源 . .：.：.4 1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容. . ： ：4 1.4工藝條件. . ： ：5 1.5 塔型選擇 . .：.：.5 二塔板的工藝設(shè)計(jì) . : . ： ：5 2.1物料衡算. 5 . 2.2精餾塔內(nèi)各物性參數(shù) .6. 2.2.1 溫度 . . : 2.2.2 密度 . .：.:.7 . 2.2.3 粘度 . 8 . 2.2.4相對(duì)揮發(fā)度 .9 2.2.5混合液體

2、表面張力 . . .9 2.2.6氣液體積流量 .11 2.3 理論塔板數(shù) . ：.：.：.：.：12 - 2.3.1最小回流比Rmin及操作回流比R的確定 . .12 2.3.2操作線(xiàn)方程 . .13 2.4實(shí)際塔板數(shù) . :.伯 2.4.1精餾段 . . . .13 2.4.2提餾段 . 43 2.4.3全塔效率 . .:.14 2.5塔徑的初步計(jì)算 . .14 2.5.1精餾段 . :小小 2.5.2提餾段 . : . 14 2.6塔有效高度的計(jì)算 . 15 2.7溢流裝置 . .：15 2.7.1堰長(zhǎng) . :15 2.7.2方形降液管的寬度和橫截面 . /S 2.7.3降液管底隙高度

3、. .16 2.8塔板布置及復(fù)發(fā)數(shù)目與排列 . .：.16 2.8.1踏板分布 . :.16 2.8.2浮閥數(shù)目與排列 . .-.1& 三塔板的流體力學(xué)計(jì)算 . .17 3.1氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降 . .17 3.1.1精餾段 . :.17 3.1.2 提餾段 . .：.：.：17- 3.2淹塔 . .M 3.2.1精餾段 . .18 3.2.2 提餾段 . : - - - - 18 - 3.3 霧沫夾帶 . 18 3.3.1 精餾段 . .19 3.3.2 提餾段 . 19 3.4 塔板負(fù)荷性能圖 . 19 3.4.1 霧沫夾帶線(xiàn) . .19 3.4.2 液泛線(xiàn) . .20 3.4

4、.3 液相負(fù)荷上限 .21 3.4.4 漏液線(xiàn) . 21 3.4.5 液相負(fù)荷下限線(xiàn) . . 2.1 四 接管尺寸的確定 . .23 4.1 進(jìn)料管 . 23 4.2 回流管 .23 4.3 塔釜出料管 . .23 4.4 塔頂蒸汽出料管 . 24 4.5 塔釜進(jìn)氣管 . .24 五 附屬設(shè)備設(shè)計(jì) . 24 、概述 乙醇水是工業(yè)上最常見(jiàn)的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無(wú)色、 無(wú)毒、無(wú)致癌5.1 冷凝器 5.2 再沸器 六 總結(jié) 七 參考文獻(xiàn) 八 附件 24 .25 .25 26 .26 性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被 廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年

5、來(lái)，由于燃料價(jià)格的上漲，乙醇 燃料越來(lái)越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢(shì)， 且已在鄭州、 濟(jì)南等地的公交、 出租車(chē)行業(yè) 內(nèi)被采用。山東也已推出了推廣燃料乙醇的法規(guī)。 長(zhǎng)期以來(lái)， 乙醇多以蒸餾法生產(chǎn)， 但是由于乙醇水體系有共沸現(xiàn)象， 普通 的精餾對(duì)于得到高純度的乙醇來(lái)說(shuō)產(chǎn)量不好。 但是由于常用的多為其水溶液， 因 此，研究和改進(jìn)乙醇水體系的精餾設(shè)備是非常重要的。 塔設(shè)備是最常采用的精餾裝置， 無(wú)論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過(guò)程 中得到了廣泛的應(yīng)用， 在此我們作板式塔的設(shè)計(jì)以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)流程 和應(yīng)注意的事項(xiàng)是非常必要的。 設(shè)計(jì)依據(jù) 本設(shè)計(jì)依據(jù)于教科書(shū)的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計(jì)

6、 技術(shù)來(lái)源 目前，精餾塔的設(shè)計(jì)方法以嚴(yán)格計(jì)算為主，也有一些簡(jiǎn)化的模型，但是嚴(yán)格 計(jì)算法對(duì)于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計(jì)算也采用嚴(yán)格計(jì)算法。 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、確定精餾裝置流程，繪出流程示意圖。 2、工藝參數(shù)的確定 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查取及估算， 工藝過(guò)程的物料衡算及熱量衡算， 理論塔板數(shù)， 塔 板效率，實(shí)際塔板數(shù)等。 3、主要設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算 板間距，塔徑，塔高，溢流裝置，塔盤(pán)布置等。 4、流體力學(xué)計(jì)算 流體力學(xué)驗(yàn)算，操作負(fù)荷性能圖及操作彈性。 5、主要附屬設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型 塔頂全凝器設(shè)計(jì)計(jì)算：熱負(fù)荷，載熱體用量，選型及流體力學(xué)計(jì)算。 料液泵設(shè)計(jì)計(jì)算：流程計(jì)算及選型。 1.4、工藝

7、條件 生產(chǎn)能力： 40000 噸/年（料液） 年工作日： 300 天 原料組成： 40%乙醇， 60%水（摩爾分率，下同）1.1 1.2 產(chǎn)品組成：餾出液70%乙醇，釜液0.04%乙醇 操作壓力：塔頂壓強(qiáng)為常壓 進(jìn)料溫度：泡點(diǎn) 進(jìn)料狀況：泡點(diǎn) 加熱方式：直接蒸汽加熱 回流比：自選 1.5.塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日300天，每天開(kāi)動(dòng)設(shè)備24小時(shí)計(jì)算，由于產(chǎn) 品粘度較小，流量較大，為減少造價(jià)，降低生產(chǎn)過(guò)程中壓降和塔板液面落差的影 響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。 二、塔板的工藝設(shè)計(jì) 1、物料衡算 依題意 XF = .207 XD =0.881 XW =0.00012 = 12.33 km

8、ol / h = 40.17 kmol / h MF =0.207 46 0.793 18 =23.8 kg / h Mw -0.00012 46 99988 18 =18.003 kg / mol MD =0.881 46 0.119 18 =42.67 kg/mol 2、精餾塔內(nèi)各物性參數(shù)計(jì)算 表1常壓下乙醇和水氣液平衡組成（摩爾）與溫度的關(guān)系 3 溫度1 C 液相中乙醇的含量 X% 氣相乙醇的含量 y% 100 0 0 95.5 1.9 17 89 7.21 38.91 86.7 9.66 43.75 85.3 12.38 47.04 84.1 16.61 50.89 9000 103

9、7200 23.8 = 52.5 kmol / h 82.7 23.37 54.45 1 82.3 26.08 55.8 81.5 32.73 59.26 80.7 39.65 61.22 79.8 50.79 65.64 79.7 51.98 65.99 79.3 57.32 68.41 78.74 67.63 73.85 78.41 74.72 78.15 78.15 89.43 89.43 2.1、溫度 根據(jù)表1繪制常壓下乙醇和水液相平衡組成（摩爾）與溫度的關(guān)系曲線(xiàn) 圖1常壓下乙醇和水液相平衡組成（摩爾）與溫度的關(guān)系曲線(xiàn) 由此圖可以讀出不同摩爾分?jǐn)?shù)下對(duì)應(yīng)的溫度 tF =90 C td =

10、 78 C tW =100 C 2.2、密度: aA aB （為質(zhì)量分率，為平均相對(duì)分子質(zhì)量） ：L ： A ： B精餾段的平均溫度： ti 90 78 =84 C 2 提餾段的平均溫度: t2 已知：混合液密度: 混合氣密度：-罟 (1)精餾段 84.1-82.7 84-82.7 液相組成：16.6123.37 - xi - 23.37 =17.09% 84.1 -82.7 84 -82.7 _ = _ 氣相組成：50.89 -54.45 y1-54.45 51.14% 所以二46 0.1709 18 0.8291 =22.79 kg/kmol MV1 =46 0.5114 18 0.488

11、6 =32.32 kg / kmol (2)提餾段 t2 =95 95.5-89 95-89 * 液相組成： 1.9-7.21 X2 -7.21 2.31% 95.5 -89 95 -89 氣相組成： 17-38.91 y 38.91 = 所以 臥 =46 0.0231 18 0.9769 = 18.67kg / kmol 喬=46 0.1869 18 0.8131 =23.23 kg/ kmol 表2不同溫度下乙醇和水的密度3 溫度/ r 70 80 85 90 95 p乙 745 735 730 724 720 p水 997.8 971.8 968.6 965.3 961.85 求得在t1

12、與t2下的乙醇和水的密度 t； =84 C 85 -80 _ 84-80 730 - 735 ：CH3CH2OH 735 =、CH3CH2OH = 731 kg / m t2 = 95 C85 -80 968.6-971.8 8480 匚。-971.8 訂。=969.24 kg / m3 3 CH3CH2OH 二 720 kg / m 仏-961.85 kg/m3 精餾段: 2.3、黏度 表3不同溫度下溶液黏度3 t( C) 卩水（mPa.s） 乙醇(mPa.s) 84.63 0.3372 0.4324 78.28 0.3642 0.4698 96 0.2615 0.3305 （1）精餾段 t

13、1 =84 C 84.63 -78.28 84 -78.28 0.3372 -0.3642 怯。- 0.3642 =0.3399 mPa s 84.63-78.28 84-78.28 0.4324-0.4698 JCH3CH2OH - 0.469-CH3CH2OH = 0.4316 mPa s 所以精餾段黏度叫CH3CH2OHX1匕2。（1-幼 = 0.4316 0.1709 0.3399 (1 -0.1709)=0.3563 mPa s (2)提餾段 匸=95 C 96 -84.63 95-84.63 ，L1 = .17 9 46/22.79 .4- 731 969.24 注=871.33

14、kg/m3 :V1 32.33 273.15 氣相密度: 21.4 (84 273.15) =1.104 3 kg/m 提餾段：?L2 0.0231 46/18.67 .匕哼 幾2 二 961.85 720 3 943.8 kg/m 氣相密度: 23.23 273.15 ：V 2 0.782 22.4(95 +273.15) kg / m3 96-84.63 95-84.63 0.2615 - 0.3372 JH2O -0.3372 %2。=0.270 mPa s 0.3305-0.4324 ACH3CH2OH - 4324 CH3CH2OH = .3395 mPa s 提餾段黏度=0.023

15、1 0.3395 0.270 (1-0.9769)=0.2716 mPa s 2.4、相對(duì)揮發(fā)度 (1)精餾段.由 x = 0.1709 y = 0.5114 得 x 0.8291 y 0.4886 潭=5.078 0.1709 0.4886 (2)提餾段.由 XA = 0.0231A = 0.1869 得 x 0.9769 y 0.8131 0.1869 0.9769 9.721 0.0231 0.8131 2.5、混合液體表面張力 q Cp w B =lg() Q =0.441 o 申2 A Q A = lg(4) sw so =1 so w、s、o分別代表水、有機(jī)物及表面部分， Xw、X

16、o、Vw指主體 部分的分子數(shù)，Vw、Vo指主體部分的分子體積，匚w、匚o為純水、有機(jī)物的表面 張力，對(duì)乙醇q =2。 表4不同溫度下乙醇和水的表面張力3 溫度/ r 70 80 90 100 乙醇表面張力 18 17.15 16.2 15.2 /10-2N/nf 水表面張力 64.3 62.6 60.7 58.8 /10-2N/m2 (1)精餾段t1二84 C公式：二m4 =半 CT1/4 sw w + LP1 泛點(diǎn)率=一: - - 100% KCFAb 泛點(diǎn)率= vL 100% 0.78KCFAT 3.1精餾段 取物性系數(shù)K =1.0，泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)CF =0.103 占 八、 板上液體流經(jīng)長(zhǎng)

17、度： ZL =D -2Wd =1.2 -2 0.14 =0.92 板上液流面積; 九=片-2Af = 1.13 -2 0.082 =0.966 貝q (HT hw) =0.5 (0.45 0.0646) = 0.2573 m 0.53 0.753 925.7 -0.753 1.36 0.46 10 0.92 1.0 0.101 0.966 二 16.1% 0.975 1.104 871.33 -1.104 0.574 10； 0.92 1.0 0.103 0.966 = 35.4% 1.104 0.975 t 871.33 一1.104 -38.25% 泛點(diǎn)率= :0.78 1.0 0.103

18、 1.13 對(duì)于大塔，為了避免過(guò)量霧沫夾帶，應(yīng)控制泛點(diǎn)率不超過(guò) 80%，由以上計(jì)算可 知霧沫夾帶能滿(mǎn)足e 0.11（ g液kg氣）的要求 3.2提留段 取物性系數(shù)K =1.0，泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)CF =0.101 0.753 豈 0.53 1.36 0.46 10 0.92 如25.7 0.753 =16 1% 泛點(diǎn)率 = 1.0 0.101 0.966 0.53 O753 空 0253.16.99% 泛點(diǎn)率 =0.78 1.0 0.101 1.13 由計(jì)算可知，符合要求 4、塔板負(fù)荷性能圖 4.1、霧沫夾帶線(xiàn) 泛點(diǎn)率= 據(jù)此可計(jì)算出負(fù)荷性能圖中的霧沫夾帶線(xiàn)，按泛點(diǎn)率 （1）精餾段 1.104 VS

19、1 1嘰1 0.92 0 8_ Y871.33 -1.104 .一 1.0 0.103 0.966 整理得.0.0796 = 0.0356Vs1 +1.25 L$1 即 V = 2.236 - 35.1 Ls1 由式子可知霧沫夾帶線(xiàn)為直線(xiàn)，通過(guò)取可算出 （2）提精餾段 整理得.0.0913 =0.0285VS2+1.25 LS2 即 V$2 = 3.2 43.86 L$2 由式子可知霧沫夾帶線(xiàn)為直線(xiàn)，通過(guò)取可算出 精餾段 Ls1（3/s） 0.002 0.01 3 y（m/s） 2.166 1.885 提餾段 Ls2（3） 0.002 0.01 y（m3/s） 3.112 2.761 4.2、

20、液泛線(xiàn) （HT +hw）=hp+n +hd f+h % + +hd80%計(jì)算: 0.8 VS 2 0.753 925.7 -0.753 1.36Ls2 0.92 1.0 0.101 1.13 由此確定液泛線(xiàn)，忽略式中 Vs 兀 2 doN 4 (HT g4 恙 0 0.153 (土 lwho .叫 1000 2/3 3600Q lw J 而u0 (1) 0.2573 二 2 5.34 X1.10仏 4 0.785 174 0.025 871.33 2 9.8 0.153( Ls )2 +1.5 0.78 0.036 0.0646 竺(沁)2” 000 0.78 整理得：Vs2 =3.38-40

21、92.8L： -24.923 (2)提留段 0.2576 二 2 5.34 X0.753Vs2 0.7852 782 0.0254 925.7 2 9.8 -0.153( 5 )2 1.5 0.0653 竺4 (3600Ls2嚴(yán) 0.78X0.036 I 1000 0.78 整理得: Vs2 =1.1 -1282.5L：2 -7.8L?； 精餾段 Ls1(m3/s) 0.001 0.003 0.004 0.007 W(m3/s) 1.768 1.702 1.639 P 1.506 提餾段 Ls2(m3/s) 0.001 0.003 0.004 0.007 y(m3/s) 1.010 0.962

22、 0.940 0.867 A H 液體降液管中停留時(shí)間 3 5s Ls 以二=5s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，則 八、 AfHT 0.082X0.45 _ (Ls)max 0.00738m / s 5 5 4.4、漏液線(xiàn) 對(duì)于型重閥，依=5作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則 Vs do NU0 4 (1)精餾段 0.0252 174 r5 = 0.406m/ s 4 1.104 (2)提留段 0.0252 78 5 -0.221m/ s 4 , 0.753 4.5、液相負(fù)荷下限線(xiàn) 在操作范圍內(nèi)，取若干，算出相應(yīng)的值 4.3、液相負(fù)荷上限 液體的最大流量應(yīng)保證降液管中停留時(shí)間不低于 35 s

23、精餾段 取堰上液層高度how =0.006作為液相負(fù)荷下限條件作出液相負(fù)荷下限線(xiàn) 由以上15作出塔板負(fù)荷性能圖 圖5提餾段塔板負(fù)荷性能圖 由圖可看出： （1）在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點(diǎn) p （設(shè)計(jì)點(diǎn)）處在適宜操作區(qū)的適中位 （2） 塔板的氣相負(fù)荷上限完全由霧沫夾帶控制，操作下限由漏液控制 （3） 按固定的液氣比，由圖查出精餾段塔板的氣相負(fù)荷上限 （Vs）max=1.48，氣 取 E =1.0，貝U Ls m 0.006 1000 - 2.84 1 0.78 3600 3 =0.00066m /s 相負(fù)荷下限VS min = 0.406 提留段塔板的氣相負(fù)荷上限（Vs）max =0.85，氣

24、相負(fù)取uF =1.6 m/s 則倍原If 荷下限 Vs min = 0.221 四、接管尺寸的確定 1、進(jìn)料管 本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料，管徑計(jì)算如下: 項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算所數(shù)據(jù) 備注 精餾段 提餾段 塔徑 D m 1.2 1.2 板間距 HT m 0.45 0.45 塔板類(lèi)型 單溢流弓形降液管 分塊式塔板 空塔氣速 u m/s 1.13 0.47 堰長(zhǎng) l w m 0.78 0.78 堰高 hw m 0.0646 0.0653 板上液層咼度 hL m 0.07 P 0.07 降液管底隙高 ho m 0.036 0.03 浮閥數(shù) N 174 78 等腰三角形叉 排 閥孔氣速 U0 m/s 11.

25、42 13.83 同一橫排孔心 距 浮閥動(dòng)能因子 F。 12 12 相鄰橫排中心 距離 孔心距 t m 0.075 0.075 排間距 t m 0.0583 P 0.130 單板壓降 PP Pa 725.82 753 液體在降液管內(nèi)停留時(shí) 間 9 s 64.3 80.2 降液管內(nèi)清液層咼度 Hd m 0.1639 0.1680 泛點(diǎn)率 % 35.4 16.1 氣相負(fù)荷上限 (Vs) max m/s 1.48 0.85 氣相負(fù)荷下限 (Vs) min m/s 0.406 0.221 霧沫夾帶控制 操作彈性 3.65 3.85 漏液控制 1.48 所以：精餾段操作彈性=0406 提留段操作彈性=0

26、.221 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)算結(jié)果 0.85 =3.85 = 3.65 取uF =1.6 m/s 則倍原If FM f 8725600 = 0.00039am3/s 4、塔頂蒸汽出料管 直管出氣，取出口氣速U=12 m/s 5、塔釜進(jìn)氣管 直管進(jìn)氣，取氣速u(mài) =15m/S 五、附屬設(shè)備設(shè)計(jì) 1、冷凝器 塔頂全凝器的熱負(fù)荷： Qc =(R 1)D(IVD ILD)M =1.8 12.33 (1266 - 253.9) 42.67 =6.92 106 KJ/h 取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別 25T和45C則 平均溫度下的比熱 Cpc =4.174 KJ/kg C ,于是冷凝水用量可求經(jīng)圓整選

27、取熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-8*，規(guī)格: 32 4 mm 2、回流管 些= 78.79 42.67 =0.00101 直管回流, 925.7 3600 4 0.00101 “ 30 mm 取USL =1.5 m/s 3.14 1.5 經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-87)，規(guī)格: 45 4 mm 3、塔釜出料管 直管出料，取uw =1.5 m/s WM4。17 18.003 = 0.00022 m3/s 925.7 3600 , 4x0.00022 一 d 14 mm 1.5 3.14 經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-87)， 規(guī)格: 32 4 mm 經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管(GB

28、8163-87, 規(guī)格: 377 8 mm 經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管(GB8163-87, 規(guī)格: 250 8 mm D = 4 O975 ,22 mm 3.14 12 4 0.53 D = 212 mm 3.14 15 w QC 6.92x1 5 WC - 0.83 10 kg / h Cpc(t2 -tj 4.174 20 有機(jī)物蒸汽冷凝器設(shè)計(jì)選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為 5001500 kcal/(m2 h C) 本設(shè)計(jì)取 K =1000 kcal/(m2 h C) =4180 J /(m2 h C) 出料溫度： 78C（飽和氣）78C（飽和液） 冷卻水溫度： 25 E 45 T 逆流操作

29、.M = 78 - 25 = 53 C 二 t? = 78 - 45 = 33 C 2、再沸器 再沸器的熱負(fù)荷為：QB =V（IVW -ILW） 因?yàn)楦獨(dú)堃簬缀鯙榧兯?，故其焓可按純水?jì)算，即 QB =Vr63.28 18 503.67=5.74 105 選用120C飽和水蒸氣加熱，傳熱系數(shù) 4180 J /（m2 h C） 料液溫度 99.99C 100C，熱流體溫度120C（水蒸氣）120C（水） 逆流操作： 利=120 -100 =20 C 選=120 -99.99 =20.01 - 六、總結(jié) 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩周的設(shè)計(jì)，已基本完成了此次設(shè)計(jì)的要求，包括: 二 tm =t1 - : t2 20 In 4 Lt2 In 53 33 = 42.2 C 傳熱面積: QC 6.92 K ：tm 一4 1 80 103 9.2m2 42.2 “1 - t2 20 -20.01 In 20 -20 5 QB 5.74 102 A 6.9m 換熱面積： K ：tm 4 1 8 0 2 0 20.0 1、流程示意圖的繪制 2、工藝參數(shù)的確定：塔內(nèi)精餾段、提餾段物質(zhì)的物性（溫度、密度、