化工原理课程设计报告_乙醇水填料塔精馏装置设计说明

1、化工原理课程设计报告乙醇 水填料塔精馏装置设计1、设计依据/32、 设计任务及要求/33、设计计算/43.1工艺物料计算/4原料液的组成/4最小回流比，操作回流比 的计算/5塔顶产品产量、釜液量、 及加热蒸汽量的计算/7全凝器冷凝介质的消耗量/74、主体设备计算/84.1塔径的计算/8泛点气速的计算/8塔径的计算/94.2塔高的计算/9计算塔高/95、塔主要附属构件结构尺寸计算设计/115.1液体分布器/11计算喷淋密度/11设计计算/115.2导流板/115.3各接管尺寸的确定/115.3.1进料管/125.3.2釜残液出料管/125.3.3回流液管/125.3.4塔顶上升蒸汽管/135.3

2、.5水蒸气进口管/136、主要辅助设备扬程/136.1进料泵/136.1.1泵的基本计算 /136.1.2泵的选用/146.2再沸器/14填料塔压降/106.3冷凝器/141、设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。2、设计任务及要求原料：乙醇水混合溶液，日产量35吨乙醇含量：35%质量分数），原料液温度：25 C，压力：常压条件：泡点进料，刚鲍尔环填料，塔顶压强为5kPa （表压）加热蒸汽为压力0.17MPa（表压）的饱和水蒸气，冷却介质为 25 T循环冷却水设计要求：塔顶的乙醇含量不小于 94.5%（质量分数）塔底的乙醇含量不大于0.25%（质量分数）表

3、1乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的汽相中乙醇的液相中乙醇的汽相中乙醇的含量（摩尔分含量（摩尔分含量（摩尔分含量（摩尔分数）数）数）数）0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.

4、350.5951.01.0表2 钢鲍尔环的结构特性参数公称直径/ mm16253850个数/(1/ m3)14300055900130006500堆积密度/(kg/m3)216427365395孔隙率/ %0.9280.9340.9450.949比表面积/( m 1)239219129112.3填料因子/(m 1)2992691531313、设计计算计算之前进行对物性数据的查询，部分物性数据列于表1、表2中，其它数据见参考资料与互联网上资源。3.1工艺物料计算原料液组成由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分 数。原料液的摩尔组成：n c2h5ohXfn c2

5、H5OHnH2O35 4635 46 65180.1740原料液的平均摩尔质量：M f Xf M c2h5oh (1 Xf )M h2o0.174 46 (1 0174) 18223kg kmol同理可求得：xD 0.8705 xW 0.0010同理可求得:M D 42.374kg kmolM W 18.028kg kmol查表可得在25C时，原料液中h2o 997.05kg m3 ,乙醇785.47 kg m3由此可查得原料液、塔顶和塔底混合物的沸点，列表3表3原料液、溜出液、釜液的流量和温度名称原料液溜出液釜残液X/ %3594.50.25摩尔分数0.17400.87050.0010平均摩

6、尔质量(kg /kmol)22. 342.37418.208沸点C)83.8378.183. 1.2 最小回流比、操作回流比的计算根据乙醇和水的两相平衡数据做汽液平衡图如下:X=0.174 交由泡点进料，可知XqxF0.1740，过点e（ 0.174，0.174 ）做一条直线 平衡线与点d,读取yq 0.513，因此:R Xd ye0.8705 0.513 1 055min1 yq Xq0.513 0.174点，此时即a（ 0.8705,但是，当回流比减小到某一数值时，精馏段操作线首先与平衡线相切于e使无穷多块等效塔板也不能跨越切点，故该点回流比为最小回流比Rmin，又过点0.8705 ）作平

7、衡线的切线，切点为g，读得其坐标为Xq0.7560，yq0.7878,因此:RminXdyqyqXq0.8705 0.7878 2.60.78780.7560而取 Ropt1.538 Rmin 4( Ropt1.22Rmin ）,操作线如下图:X由此图作图可得填料塔等效塔板数为 18块，精馏段15块，提馏段3块精馏端操作线方程:RXdxR 1 R 10.8x0.1740提馏段操作线方程:RD qF(R 1)D(1 q)FF D(R 1)D(1 q)FXw1.817x0.000817塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算每天开车24小时计，进料量为:3500065.4 kmol h24 22.

8、3由全塔的物料衡算方程可得(设加热蒸汽量为V，直接蒸汽加热)乙醇水L2F V0 D WV°y0 Fxf Dxd WxwW L L qF RD qF可知y。0,q1，代入数据解得：D 12.858kmol hW 116.832kmol hV064.29kmol hL RD 4 12.85851.432 kmol . hV (R 1)D64.29kmol. h全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：Qc (R 1)D(Ivd Ild)可以查得 IVD 1266kJ/kg,lLD 253.9kJ/kg，所以：Qc(4 1) 12.858 42.374 (1266 253.9) 27570

9、00 kJ h取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25C和35C则平均温度下的比热Cpc 4.174kJ / kg oC，于是冷凝水用量可求：WC2757000Cpc(t2 t1) 4.174 (35 25)66056kg h4、主体设备计算4.1塔径的计算泛点气速的计算计算泛点气速采用埃克特泛点气速关联图法，先求得横坐标:GV(V)0-5L然后查埃克特泛点气速关联图得对应的纵坐标，有:gVg V L0.2L2u V 0.2Lg L根据纵坐标的计算式可以求出泛点气速 u,再根据D . 就可求出塔径V D精馏段：冷凝器为全凝器，故可得：y1 x0 xD质量流速计算塔顶与进料口的算术平均值：G

10、V42.374 32.5 64.29 2398.85kg. h242.37422.3, uGl51.4321663.16kg h2注：进料处的气相组成由乙醇-水的两相平衡数据表差得，再根据组成计算平均摩尔质量，计算方法与前面相同，故不列出。塔顶组成为y1XoxD，根据乙醇-水系统t-x-y数据，用差值法计算塔顶温度:89.4187.0587.05 85.9778.15 tt 78.2解得塔顶温度t 78.18C，由此差得塔顶液相：水973kg. m3，3,结合乙醇质量分数 a=94.5 %，有:a。1a。1乙醇水L1L1 746.65kg m3在进料口有水997.05kg m3，乙醇785.7

11、4kg. m3，乙醇质量分数a=35%，有:a。1a。1L2 911.5kg m3对于气相，根据塔顶746.65 911.15PVV1进料口V22nRT，有:42.37422.432.5224828.9 kg. m3273273 78.18273273 95.381.47 kg m31.075kg m31.47V1.07521.273kgm3代入横坐标计算式有XGl ( V )0.5Gv L0.043从埃克特图上查得纵坐标Y=0.21 o查得塔顶粘度:水 0.3655 ,乙醇0.495同样根据质量分数计算:a。1a°L20.486乙醇水L2查得塔底粘度:0.8937，乙醇0.982，

12、用相同方法计算:2由 YGvg v l提馏段:a。1 a°L10.932乙醇水0.9320.4860.2 LL10.704f10.2代入以上数据解得:2.32m s提馏段与精馏段的计算方法一致，最后计算可得f2 2.43m so塔径的计算对Uf1、Uf2安全系数取0.5-0.8，最终圆整可得u=1.2m/s。f1 、则有：D . 4d27392 34 64.29 22.42733600 3.14 1.20.75m4、2塔咼的计算计算塔高米用默奇等板咼度经验公式:HETP1c1 GG2DC3Z3一L取 c,4300，c20.41， c31.11。精馏段:Gg5432.6kg （m2 h

13、）4GVD2由之前的计算有：l 0.704，l 828.9 kg. m3塔顶的相对挥发度11，进料口的相对挥发度0.5090O.4914 90.17404.9，0.826根据Z N HETP有:HETPc1GG2DC3（N11HETPf L，代入数据解得:LHETP430.3mm精馏段填料高度：乙HETPN1430.3 156.45m提馏段:提馏段的计算方法与精馏段一致，最终计算得HETP 360mm，提馏段的填料高度Z1 HETP N2360 31.08m塔釜高度：取装填系数为0.5，则有塔釜的高度：Z D 20.7521 .5m那么有塔高H Z1 J J 1.5 6.45 1.089.03

14、m （不计入法兰和封头及群做的高度）。计算填料塔压降已经求出气速u 1.2m/s，再次利用埃克特压降通用关系图得精馏段的YUV0.2l0.056 ，在图上查得R36（mmH2O/m填料）； 提馏段的g lZY2UV 严 0.046，在图上查到上 27（mmH 2O/m填料）（注：g lZ1mmH 2O 9.80665Pa ）。所以可得精馏段的压降RPiZ136 6.45 9.906652277.lPa ,而提馏段的压降P2P22 Z2 27 1.08 9.90665 286Pa。Z25、塔主要附属构件结构尺寸计算设计5.1液体分布器槽式液体分布器具有较大的操作弹性和好的抗污堵性，具有优良的分布

15、性能，应用广 泛，故选用槽式液体分布器。5. 1.1喷淋密度的确定选用的钢鲍尔环的比表面积为 239m 1，查表4得没平方米喷淋点数为100表4比表面积(m 1)125125300450700每m2喷淋点数100100806045-50设计计算根据流体力学孔流公式，重力分布器的排液量与小孔数目及管径存在关系：12Q 2( . 4)dnCd(2gh)采用的打孔方式为冲孔，则 Cd 0.707，小孔以上的液高度 h=0.025m,由于设计的 Q 很小，故采用规定中的最小值 2.5mm塔的筒体中使用锥形液体再分布器。5. 2导流板由于此设计中的流体流速很小，故不需要设计导流板。5.3各接管尺寸的确定

16、进料管进料管的体积流量Vsf 654 223 1.6m3h 4.44m3 s957.7取适宜的输送速度 Uf 2.0m/s，可得:dif u 4 414 10 40.0168m经圆整选取冷轧无缝钢管，规格 25 3mm4 4 44 10 4管内实际流速Uw . 1.57m/s0.019釜残液出料管釜残液的体积流量Vsw 116.832 18.028 2.20m3. h 0.00061m3. s957.7取适宜的输送速度 uf 1.5m/s，可得：经圆整选取冷轧无缝钢管，规格 30 3mm管内实际流速Uw 培;34m/s5.3.3回流液管回流液体的体积流量VsL5 292 卄 0.0008皿取适

17、宜的回流速度 Uf 0.5m/s，可得:diL4Vsl4 8.1 104/ u Y 0.50.045m经圆整选取热轧无缝钢管，规格51 3mm管内实际流速uw 2.9m/s塔顶上升蒸汽的体积流量Vsv64.29 42.3741.471853m3. h 0.515m3. s5.3.4塔顶上升蒸汽管取适宜的输送速度 Uf 20m/s，可得:div6.1.2泵的选用经圆整选取热轧无缝钢管，规格219 14mm管内实际流速Uw 4 0.515218.0m/s。0.0181水蒸气进口管通入塔的水蒸气体积流量vso 643 18 1938 m3 h 0.539 m3 s0.597取适宜的输送速度Uf 25

18、m/s，可得：d io4 °.5390.166m25经圆整选取冷轧无缝钢管，规格175 5mm管内实际流速Uw4 0.539225.22m/s。0.26526、主要辅助设备计算6.1进料泵泵的基本计算泵的体积流量为vsf1.6m3/h，选取安全系数为 1.2，则有 V 1.6 1.21.92m3/h。由伯努利方程可得:扬程 He(Z2Z1) Ig2 2U2 比2g可认为U2 U1，据题有Z2Z16.45m，P2 P 2277 Pa，代入解得:He 6.4522776.73m828.9 9.81取安全系数为1.1，则实际泵的扬程He 6.73 1.17.4m由介质为乙醇-水，性质接近水，选用单吸收式清水泵，根据计算所得的泵的流量和扬程，由IS型离心泵系列特性曲线可查得选用泵型为IS50-32-160 。因设计要求的泵的扬程和流量都较小，故所选泵符合要求，不必进行扬程和流量的校核。对泵进行轴功率校核，计算公式为N QHP，查样本泵可取0.4，代入计算得102N 空74空 264kW，达到要求。102 0.46.2再沸器查得在 O.IMPa, 100C时水的汽化潜热为2257.2