課程設(shè)計(jì)分離乙醇-水混合液的篩板精餾塔設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計(jì)說明書題目名稱：分離乙醇—水混合液的篩板精餾塔設(shè)計(jì)系部：化學(xué)工程系專業(yè)班級(jí)：煤化09—3（2）班學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：精餾是利用物質(zhì)沸點(diǎn)的不同，多次的進(jìn)行混合蒸氣的部分冷凝和混合液的部分蒸發(fā)的過程，以達(dá)到分離的目的。設(shè)計(jì)目的：1著重加深學(xué)生對(duì)于化工原理理論知識(shí)的掌握。2積極引導(dǎo)學(xué)生去思考，培養(yǎng)他們靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決問題的能力，以及查閱資料、處理數(shù)據(jù)的能力。設(shè)計(jì)任務(wù)或主要技術(shù)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)生產(chǎn)能力為5000kg/h，原料中乙醇含量為30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同），分離要求為塔頂乙醇含量不低于95%；塔底乙醇含量不高于0.4%；常壓下操作，塔頂采用全凝器，飽和液體進(jìn)料的浮閥精餾塔。目錄1.篩板精餾塔的設(shè)計(jì) 11．1塔型的選擇 11.2設(shè)計(jì)條件的選擇 11.3物料衡算 11.4相平衡關(guān)系 11.5塔板數(shù)的確定 11.5.1確定進(jìn)料熱狀態(tài) 11.5.2求最小回流比Rmin 21.5.3選擇回流比R 21.5.4求取理論板數(shù)NT 21.5.5靈敏板的確定 21.5.6確定實(shí)際板數(shù)N 21.6塔板的設(shè)計(jì)（只設(shè)計(jì)精餾段） 21.6.1塔徑初選與計(jì)算 31.6.2塔板詳細(xì)設(shè)計(jì) 41.7負(fù)荷性能圖 42板塔的工藝設(shè)計(jì) 52.1塔的類型是：板式塔 52.2設(shè)計(jì)條件的選擇 52.3精餾塔全塔物料恒算 52.4相平衡關(guān)系 62.5塔板數(shù)的確定 62.5.1確定進(jìn)料熱狀態(tài) 62.5.2求最小回流比Rmin 62.5.3選擇回流比R 62.5.4相對(duì)揮發(fā)度 72.5.5求取理論板數(shù)NT 72.5.6確定實(shí)際板數(shù)N 83．塔徑初選與計(jì)算 93.1物性數(shù)據(jù) 103.1.1定性溫度： 103.1.2氣相和液相平均摩爾量 103.1.3液相輕組分質(zhì)量分率與氣相和液相平均密度 113.1.4氣相和液相體積流量 123.1.5混合液體液表面張力 133.1.6混合液的黏度 153.1.7相對(duì)揮發(fā)度 163.2選取板間距HT 163.3液泛氣速umax和氣速u 163.4降液管型式與堰長lw，計(jì)算塔徑D 173.4.1降液管型式：單流型 173.4.2堰長lw 173.4.3塔徑D 173.5塔板詳細(xì)設(shè)計(jì) 173.5.1溢流堰的型式和高度hw 173.5.2降液管和受液盤的結(jié)構(gòu)及有關(guān)尺寸 183.6塔板布置 183.7塔板校核 193.7.1降液管液泛 193.7.2降夜管內(nèi)停留時(shí)間 203.7.3液沫夾 203.7.4漏液克服液面表面張力的作用引起的壓降 203.8負(fù)荷性能圖 213.8.1氣體流量的流體力學(xué)上下線 21附圖1 24附圖2 25參考文獻(xiàn) 261.篩板精餾塔的設(shè)計(jì)1．1塔型的選擇 填料、板式（泡罩、浮閥、篩板、舌形、網(wǎng)孔、垂直篩板、多降液管塔板等）1.2設(shè)計(jì)條件的選擇 （1）操作壓強(qiáng)(常壓、加壓、真空)； （2）進(jìn)料熱狀態(tài)和回流熱狀態(tài)； （3）加熱方式（直接、間接）； （4）冷凝與冷卻。 條件選擇的原則：技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理。1.3物料衡算 全塔物料橫算F=D+WFxF=DxD+WxW聯(lián)立解得：D，W1.4相平衡關(guān)系 可認(rèn)為對(duì)本次設(shè)計(jì)給出的物系，溶液為理想溶液，氣體為理想氣體。查平衡數(shù)據(jù)，將t，xA，yA三個(gè)參數(shù)同時(shí)繪制在一張方格紙上作t～x(y)圖，然后根據(jù)t～x(y)圖作y～x圖。1.5塔板數(shù)的確定1.5.1確定進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)料：1.5.2求最小回流比Rmin 可用圖解法確定、（q線與平衡線交點(diǎn)）。1.5.3選擇回流比R 最適宜回流比的選擇原則：總費(fèi)用最低。Ropt=（1.2～2.0）Rmin1.5.4求取理論板數(shù)NT 逐板計(jì)算法：交替使用平衡方程與操作線方程（也可用圖解法）。1.5.5靈敏板的確定 由每塊理論板的組成，可查出對(duì)應(yīng)的泡點(diǎn)，作溫度分布曲線（～NT），可大致確定靈敏板的位置。 然后，再由全塔效率定出靈敏板所對(duì)應(yīng)的實(shí)際板位置。1.5.6確定實(shí)際板數(shù)N 由O’connell關(guān)聯(lián)圖確定全塔效率ET。 實(shí)際板數(shù)：，塔釜為一塊理論板 加料板位置：，為精餾段理論板數(shù)。1.6塔板的設(shè)計(jì)（只設(shè)計(jì)精餾段） 設(shè)計(jì)意圖：總體逆流、板上錯(cuò)流。 克服塔內(nèi)的非理想流動(dòng)：液沫夾帶、氣泡夾帶、氣體的不均勻流動(dòng)、液體的不均勻流動(dòng)。 克服塔的不正常操作現(xiàn)象：夾帶液泛、溢流液泛、嚴(yán)重漏液。）1.6.1塔徑初選與計(jì)算 （1）物性數(shù)據(jù) 定性溫度：，由查取的平衡組成：xA，yA；密度：ρLA，ρLB；表面張力：， 氣相平均摩爾量： 氣相平均密度： 氣相體積流量：，m3/h 液相平均摩爾量： 液相輕組分質(zhì)量分率： 液相平均密度： 液相體積流量：，m3/h 液相表面張力近似為： （2）選取板間距HT（預(yù)選450mm） 注意：現(xiàn)在一般都采用較大的板間距。 （3）求液泛氣速umax 計(jì)算氣液兩相流動(dòng)參數(shù)（動(dòng)能因子）FLV，查取氣相負(fù)荷因子C20。 （4）設(shè)計(jì)氣速uu=（0.6～0.8）umax （5）確定降液管型式與堰長lw，計(jì)算塔徑D 單流型、雙流型、多流型、階梯流型。弓形降液管，單流型取lw/D=0.6～0.8。 注意圓整規(guī)則,100mm進(jìn)位；200mm進(jìn)位。1.6.2塔板詳細(xì)設(shè)計(jì) （1）溢流堰的型式和高度hw 一般為平堰，堰上溢流高度how≤6mm時(shí)用齒形堰。 （2）降液管和受液盤的結(jié)構(gòu)及有關(guān)尺寸 弓形降液管一般是垂直的。為保證液封，避免堵塞，降液管底部與塔板的間隙ho為：hw-ho>6～12(3)塔板布置一般取邊緣區(qū)寬度=50mm,安定區(qū)寬度=70m（4）塔板校核具體參見教材 1.7負(fù)荷性能圖 （1）液相下限線 （2）液相上限線 （3）漏液線 （4）過量液沫夾帶線 （5）溢流液泛線 （6）操作點(diǎn)與操作線 方格紙上畫負(fù)荷性能圖。 塔的操作彈性：，比較理想。2板塔的工藝設(shè)計(jì)2.1塔的類型是：板式塔2.2設(shè)計(jì)條件的選擇（1）操作壓強(qiáng)：常壓；（2）進(jìn)料熱狀態(tài)和回流熱狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料；（3）加熱方式：直接；（4）冷凝與冷卻。條件選擇的原則：技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理。2.3精餾塔全塔物料恒算設(shè)計(jì)題目：分離乙醇—水混合液的浮閥精餾塔設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)及條件：生產(chǎn)能力：年處理乙醇—水混合液5000Kg/h；原料：乙醇含量為30%;分離要求：塔頂乙醇含量不低于95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；塔底乙醇含量不高于0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；F：原料液流量:原料液組成D：塔頂產(chǎn)量流量:塔頂組成W：塔底殘留液流量：塔底組成原料乙醇組成：塔頂組成：塔底組成：進(jìn)料量：物料恒算式：聯(lián)立代入求解：D=44.95W=182.322.4相平衡關(guān)系 可認(rèn)為對(duì)本次設(shè)計(jì)給出的物系，溶液為理想溶液，氣體為理想氣體。查平衡數(shù)據(jù)，將t，xA，yA三個(gè)參數(shù)同時(shí)繪制在一張方格紙上作t～x(y)圖，然后根據(jù)t～x(y)圖作y～x圖見附圖1。2.5塔板數(shù)的確定2.5.1確定進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)料：2.5.2求最小回流比Rmin用圖解法確定、因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，根據(jù)y-x曲線圖知：2.5.3選擇回流比R取2.5.4相對(duì)揮發(fā)度①精餾段揮發(fā)度：由，得：，所以②提溜段揮發(fā)度：由，得：，所以2.5.5求取理論板數(shù)NT理論板：指離開這種板的氣、液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。理論板的計(jì)算方法：可采用逐板計(jì)算法、圖解法，在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可采用圖解法。根據(jù)在下，乙醇—水的氣、液平衡組成關(guān)系可繪制出平衡曲線，即x—y曲線圖，泡點(diǎn)進(jìn)料，所以q=1，即q為一直線，本平衡具有以下凹部分，操作線尚未落到平衡線前，已與平衡線相切，如圖（圖1—4）：，，所以操作線回流比；已知：精餾段操作線方程：提溜段操作線方程：精餾段平衡方程：；提餾段平衡方程：第1塊塔板上升蒸汽的組成：第1塊塔板下降液體的組成：第二塊塔板上升蒸汽的組成：第二塊下降液體的組成：由于；按提餾段方程計(jì)算：第三塊上升蒸汽的組成：第三塊下降液體的組成：………第八塊上升蒸汽組成：第八塊下降液體的組成：在圖上作操作線，有點(diǎn)（）氣在平衡線與操作線見畫階梯，過精溜段操作線與q線交點(diǎn)，直到階梯與平衡線交與小于為止，由此得到理論板塊（包括再沸器）加料板為第3塊理論板。2.5.6確定實(shí)際板數(shù)N板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)即流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過程進(jìn)行的程度，板效率可用奧康奈爾公式式中α—塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度；—塔頂與塔底的平均溫度下的液相黏度；—塔頂與塔底平均溫度下的黏度（1）精餾段已知：，所以：（2）提溜段已知：，所以：，故：全塔所需實(shí)際塔板數(shù)：3．塔徑初選與計(jì)算表1—1乙醇—水氣、液平衡組成與溫度關(guān)系沸點(diǎn)t/乙醇分子/%（液相）乙醇分子/%（氣相）沸點(diǎn)t/乙醇分子/%（液相）乙醇分子/%（氣相）10099.999.899.799.599.29998.7597.6495.895.591.389.087.986.785.385.284.183.7582.782.382.300.0040.040.050.120.230.310.390.791.611.904.167.217.419.6612.3812.6416.6117.4123.3725.7526.0800.0530.510.771.572.903.725458.7616.3417.0029.9238.9139.6143.7547.0447.4950.8951.6754.4555.7455.808281.581.380.780.680.179.8579.879.779.579.379.278.9578.7578.7478.678.478.2778.278.1578.1527.332.7333.2439.6542.0948.9252.6850.7951.9861.0257.3265.6468.9272.3674.7275.9979.8283.8785.9789.4189.4356.4459.2658.7861.2262.2264.7066.2865.6465.9970.2968.4172.7174.6976.9378.1579.2681.8384.9186.4089.4189.433.1物性數(shù)據(jù)3.1.1定性溫度：利用表1—1中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得、、：：：：：：精餾段平均溫度：提溜段溫度：3.1.2氣相和液相平均摩爾量精餾段，=80.21℃液相組成:：=47.78%氣相組成：=64.69%所以= =提溜段液相組成：=5.50%氣相組成：所以3.1.3液相輕組分質(zhì)量分率與氣相和液相平均密度精餾段液相輕組分質(zhì)量分率與提餾段液相清組分：氣相和液相的平均密度：精餾段氣相和液相的密度表1—2不同溫度下乙醇和水的密度溫度/℃溫度/℃808590735730724971.8968.6965.385100720716961.85958.4求得與下的乙醇和水的密度。，，同理：，，在精餾段：液相密度氣相密度：∴在提溜段：液相密度氣相密度：3.1.4氣相和液相體積流量因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，根據(jù)y-x曲線圖知：取提溜段已知：則有質(zhì)量流量：體積流量：提溜段：因本設(shè)計(jì)為飽和液體進(jìn)料，所以q=1。已知：則有質(zhì)量流量：體積流量：3.1.5混合液體液表面張力不同溫度下乙醇和水的表面張力見表1—3。二元有機(jī)物—水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算。式中下角標(biāo),s、o、w分別代表水、有機(jī)物及表面部分，、指主體部分的分子數(shù)，、為主體部分分子體公式：表1—3乙醇和水不同溫度下的表面張力溫度/℃708090100乙醇表面張力1817.1516.215.2水表面張力/64.362.660.758.8精餾段乙醇表面張力：，水表面張力：，因?yàn)?，所以?lián)立方程組：,代入求得：提餾段，乙醇表面張力：，水表面張力：，因?yàn)?，所以?lián)立方程組：代入求得：3.1.6混合液的黏度，查表得：，查表得：精餾段黏度：提溜段黏度：3.1.7相對(duì)揮發(fā)度①精餾段揮發(fā)度：由，得：，所以②提溜段揮發(fā)度：由，，3.2選取板間距HT取板間距：3.3液泛氣速umax和氣速u（1）精餾段由u=(0.6~0.8),=c,式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出：橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：查圖可知：（2）提溜段橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：差圖可知：3.4降液管型式與堰長lw，計(jì)算塔徑D3.4.1降液管型式：單流型3.4.2堰長lw設(shè)：3.4.3塔徑D精餾段：圓整：橫截面積：提餾段：圓整：橫截面積：3.5塔板詳細(xì)設(shè)計(jì)3.5.1溢流堰的型式和高度hw出口堰高：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上液高按下式計(jì)算：,取精餾段:提溜段:3.5.2降液管和受液盤的結(jié)構(gòu)及有關(guān)尺寸（1）降液管的橫截面和寬度查圖得：（2）降液管底隙高度①精餾段：取降液管的底隙的流速：②提溜段：3.6塔板布置鼓泡區(qū)的面積：取，由查圖知：篩孔按正三角形排列，取孔徑，3.7塔板校核3.7.1降液管液泛取板厚度，查圖8-20確定子流系數(shù)故氣體的動(dòng)能因子：查表8-19確定充氣系數(shù)液體通過降塔板的壓降液柱液體通過降夜管的壓降液柱降夜管內(nèi)清夜層高度，并取泡沫相對(duì)密度，可見滿足要求，即降液管內(nèi)不會(huì)發(fā)生液泛。3.7.2降夜管內(nèi)停留時(shí)間停留時(shí)間,可見停留時(shí)間足夠長，不會(huì)發(fā)生氣泡夾帶現(xiàn)象3.7.3液沫夾可見液沫夾帶量可以允許3.7.4漏液克服液面表面張力的作用引起的壓降漏液點(diǎn)氣速3.8負(fù)荷性能圖3.8.1氣體流量的流體力學(xué)上下線1）漏液線將漏液線看成直線，取其上兩點(diǎn)以大致確定其位置。第一取設(shè)計(jì)點(diǎn)的液體流量于是，相應(yīng)漏液點(diǎn)的氣體體積流量為：第二點(diǎn)取液體流量為對(duì)應(yīng)的漏液點(diǎn)氣速為，故根據(jù)兩點(diǎn)，作直線=1\*GB2⑴即為漏液線2）液體流量下限線，令，故：在負(fù)荷性能圖處做垂直線，即為液體流量下限線=2\*GB2⑵。3）液體流量上線取降液管內(nèi)停留時(shí)間為3s在負(fù)荷性能圖處作垂直直線，即為液體流量上限線=3\*GB2⑶。4）過量也沫夾帶線第一點(diǎn)為，解出于是第二點(diǎn)取液體流量為根據(jù)兩點(diǎn)，在負(fù)荷性能圖上作出液沫夾帶線=4\*GB2⑷5）液泛線第一點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)以求得即已知,有上式解出，得第二點(diǎn)取液體流量為由上式解出為：由兩點(diǎn)，在負(fù)荷性能圖上作出液泛線=5\*GB2⑸6）塔板工作線在負(fù)荷性能圖上作出斜率,這是塔板工作線塔板工作線與流體力學(xué)上下限線相交于兩點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)分別是，求出操作彈性： 附圖1附圖2參考文獻(xiàn)張浩勤陸美娟朱士亮《化工原理》化學(xué)工業(yè)出版社，2009一月第二版第十五次印刷。

新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計(jì)評(píng)定意見設(shè)計(jì)題目：分離乙醇-水混合液的篩板精餾塔設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：評(píng)定意見：評(píng)定成績：指導(dǎo)教師（簽名）：年月日新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2學(xué)年2學(xué)期2010年6月28日專業(yè)煤化班級(jí)課程名稱精餾塔設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目指導(dǎo)教師起止時(shí)間周數(shù)設(shè)計(jì)地點(diǎn)設(shè)計(jì)目的：1著重加深學(xué)生對(duì)于化工原理理論知識(shí)的掌握。2積極引導(dǎo)學(xué)生去思考，培養(yǎng)他們靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決問題的能力，以及查閱資料、處理數(shù)據(jù)的能力。設(shè)計(jì)任務(wù)或主要技術(shù)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)生產(chǎn)能力為5000kg/h，原料中乙醇含量為30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同），分離要求為塔頂乙醇含量不低于95%；塔底乙醇含量不高于0.4%；常壓下操作，塔頂采用全凝器，飽和液體進(jìn)料的浮閥精餾塔。設(shè)計(jì)進(jìn)度與要求：1擬訂題目和課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（包括課程設(shè)計(jì)目的、內(nèi)容、要求、進(jìn)度、成績?cè)u(píng)定等），制定具體考核形式（一般應(yīng)采用平常情況和答辯相結(jié)合方式）并于課程設(shè)計(jì)開始時(shí)向?qū)W生公布。2完整的課程設(shè)計(jì)應(yīng)由設(shè)計(jì)草稿書和任務(wù)書組成。草稿書不上交系里，是備指導(dǎo)老師檢查之用，以督促學(xué)生按時(shí)完成設(shè)計(jì)及防止學(xué)生間抄襲。任務(wù)書應(yīng)上交按照指定格式編排好的電子版及打印版。7月12日前上交系里。主要參考書及參考資料：1.姚玉英等.化工原理（下冊(cè).）天津：天津大學(xué)出版社，19992.化學(xué)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).化學(xué)工程手冊(cè)（第十三篇，氣液傳質(zhì)設(shè)備）.北京：化學(xué)工程出版社，19813.華南理工大學(xué)化工原理教研組.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)。廣州：華南理工大學(xué)出版社，19904.柴誠敬等.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，20005.傳質(zhì)與分離技術(shù).張立新王宏主編（化學(xué)工業(yè)出版社）.6.化工原理實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì).陳均志李磊編著（化學(xué)工業(yè)出版社）.7.陸美娟、張浩勤主編?；ぴ恚ǖ诙?、上冊(cè)）化學(xué)工業(yè)出版社.符號(hào)說明英文字母：A—塔板開孔區(qū)面積m；A—獎(jiǎng)液管截面積mA—篩孔總面積m；A—塔截面積mC—流量系數(shù)；C—計(jì)算u時(shí)的負(fù)荷系數(shù)m/sC—?dú)庀嘭?fù)荷因子，m/s；d—篩孔直徑，mD—塔徑，m；e—液沫夾帶量kg(液)/kg(氣)E—液流收縮系數(shù)E—總板效率F—?dú)庀鄤?dòng)能因子，