化工原理课程设计乙醇—水溶液连续板式精馏塔设计

1、前言转眼之间，我们已经结束了大三的学习。在这三年的学习当中，我们系统的学习了化工原理，物理化学，无机化学，有机化学，分析化学，化工设备与机械基础，机械制图，化工热力学等方面的知识，初步掌握了化学生产与化学设备之间的相互关系。在李志礼老师的指导下，我们开始了化工原理课程设计。实践是检验真理的唯一标准，学习了那么多的理论知识以后，终于有机会在现实过程中运用自己学习到的知识。在这次设计过程中，我们得到了老师学长学姐们很多的帮助，在此对他们表示衷心的感谢，由于我们所知识的有限和能力的不足，在设计过程中难免会遇到设计不合理，考虑不周全的地方，希望老师给予理解与指导，我们会更加努力，争取做得更好。 设计者

2、：目录第一章 设计题目与要求1.1 设计题目1.2 任务要求与数据 第二章筛板式精馏塔的工艺设计与计算2.1 塔板数的确定2.2 塔径的确定第一章 设计题目与要求1.1设计题目：乙醇水溶液连续板式精馏塔设计1.2任务要求与数据：1、设计一连续精馏塔分离乙醇和水，具体工艺参数如下：（1）原料乙醇含量：质量分率40%（2）年产量：30000t（3）摩尔分率：xD=0.82；xW=0.022、工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝，泡点进料，泡点回流，R=（1.22）Rmin。3、 设备形式筛板塔。4、 设计工作日每年330天，每天24小时连续运行。第二章 筛板式精馏塔的工艺设计与计算2.1 塔板数的确定

3、2.1.1全塔物料衡算原料液中：设 乙醇（A）; 水（B）查附表得: MA =46.07 MB=18.02由已知条件可知： =0.4 =0.82=0.02年产量：30000t 每年330天，每天24小时连续运行由 F =D + W*F=*D+*W得 F=194.4（kmol/h）， W=102.6（kmol/h），表2-1 不同温度下乙醇水的汽液平衡组成t（）10095.589.086.785.384.182.782.3x0.000.01900.07210.09660.12380.16610.23370.2608y0.000.17000.38910.43750.47040.50890.5445

4、0.5580t（）81.580.779.879.779.378.7478.4178.15x0.32730.39650.50790.51980.57320.67630.74720.8943y0.58260.61220.65640.65990.68410.73850.78150.8943由t-x(y)图用内插法可知: 塔顶温度t= 78.3，塔底温度t= 95.3平均温度进料温度：80.7相对挥发度的确定当t=95.5时：=10.58当t=89.0时：当t=86.7时：当t=85.3时：当t=84.1时：=5.20当t=82.7时：当t=82.3时：当t=81.5时：当t=80.7时：=2.40当

5、t=79.8时：当t=79.7时：当t=79.3时：当t=78.74时：当t=78.41时：=1.21平均相对挥发度=泡点进料，泡点回流=0.82=3.29回流比系数我们取折中值1.6 R=1.6Rmin=0.73根据理论板数的捷算法有=0.156由吉利兰关联图得N=10块操作方程的确定精馏段：=(R+1)D=(0.73+1)92.34=159.25（kmol/h），=RD=0.73×92.34 =67.41（kmol/h），提馏段：=V(1-q)F =159.75kmol/h），=LqF = 67.41+ 1×194.4=261.8（kmol/h），则精馏段操作线方程：=

6、0.422xn 0.474提馏段操作线方程：yn+1 =全塔效率塔顶温度t= 78.3，塔底温度t= 95.3 ， 进料温度：80.7平均温度表3-1乙醇在不同温度下的粘度8t/20406080100/mpa.s1.150.8140.6010.4950.361表3-2水在不同温度下的粘度8t/20406080100/mpa.s1.00500.65600.46880.35650.2838由表用内差法求86.8 下的粘度：A= 0.449mpas ，B=0.332mpas则平均粘度L= xF A（1xF）B=0.4*0.449+（1-0.4）*0.332=0.379mpasL=3.29*0.379

7、=1.246求全塔效率ET由L=1.246，由化学化工物性数据手册164页图10-20查得 求实际板数由 得N=21.522块2.2精馏段物料衡算物料组成：塔顶温度t= 78.3，塔底温度t= 95.3 ， 进料温度：80.7平均温度查表2-1 得(1)塔顶 y= X= 0.82=3.29 x=0.58(2) 进料 x=0.3965 y=0.6122平均分子量 （1）塔顶：=0.8246.07+(1-0.82)18.02=41.54（）=0.5846.07+(1-058)18.02=34.29（）(3) (2)进料: =0.612246.07+(1-0.6122)18.02=35.19（）=0

8、.396546.07+(1-0.3965)18.02=29.14（）平均分子量=38.37（）=31.72（）平均密度 由书：1/=a/+a/塔顶：在78.3下：=744.5()=972.96()=0.82/744.5+0.18/972.96 则=777.36()进料:在进料温度80.7下：=741.5 ()=971.4()a = 则=813.01() 即精馏段的平均液相密=(777.36+813.01)/2=795.18() 平均气相密度=()液体表面张力5、 塔顶: 查图表求得在78.3下：（物化手册）()6、 进料: 在80.7下： ()则 =(+)/2=(26.00+44.78)/2=

9、35.39()气液负荷的计算由已知条件=159.75=67.41 得 = ()= ()塔径D的计算两相流动参数计算如下=参考化工原理下表10-1(p129)，我们取板间距H=0.45m H- 参考化工原理下图10-42筛板的泛点关联得：C=0.081=u=本物系不易起泡,取泛点百分率为85%，可求出设计气速=0.852.25=1.91)根据塔设备系列化规格，将圆整到D=1m 作为初选塔径，因此重新校核流速u实际泛点百分率为 塔板详细设计由于=0.00075/s，D=1m，所以2.7（m3/h）<45(m3/h).根据化工原理（下）表10-2选择单溢流,弓形降液管，不设进口堰。因为弓形降液

10、管具有较大容积，又能充分利用塔面积，且单溢流液体流径长，塔板效率高，结构简单，广泛用于直径小于2.2米的塔中。(1)溢流装置取堰长=0.7D=0.7×1=0.7m, 选择平流溢流堰出口堰高,已取=0.06=2.84×E由=0.00075×3600/0.72.5=6.59查化工原理下图10-48得：E=1.020=2.84××1.020×(0.00092×3600/0.7)2/3=0.0082m=0.06-0.0082=0.0518m取0.06是符合的。hL=hW+hOW=0.06+0.0082=0.0682m修正后hL对un

11、影响不大,故塔径计算不用修正.(2) 降液管宽度Wd与降液管面积Af 由/D=0.7查化工原理下图10-40得:=0.140×1=0.140m(3) 降液管底隙高度hO为了保证降液管底端有良好的液封。hO要小于h.同时为了防止因安装偏差而使液流不畅造成液泛，hO一般不宜小于20-25mm。而hO=，取液体通过降液管底隙速度=0.07m/s. 过小,取ho=0.04m(4)塔板布置 取安定区宽度W=0.07m, 取边缘区宽度W=0.05m，从图10-40求出Wd=0.140D=0.140 m。(5)筛板数与开孔率按设计经验取塞班孔径，因空心t与的比值过小会使气流易相互干扰，过大则鼓泡不

12、均匀，均会影响传质效率。故选择推荐值内的=呈正三角形排列依下式计算塔板上的开孔率=10.1% 则每层塔板上的开孔面积为：=2.3筛板能校塔流体力学校核板压降的校核 气体通过筛板压降相当的液柱高度：hp=hc+hl+h(1)干板压降相当的液柱高度 取板厚，,=10.1%查化工原理下图10-45得: Co=0.74m/shc=0.051=液柱(2)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl相应的气体动能因子 (m·s-1·kg·m-3)1/2查化工原理下图10-46得：=0.58液柱(3)克服液体表面张力压降相当的液柱高度h板压降 =0.1097+0.0396+0.003

13、63=0.1529m本设计系常压操作，对板压降本身无特殊要求。液沫夹带量的校核 Kg液/Kg气0.0314Kg液/Kg气0.1Kg液/Kg气同样得到：液沫夹带量不超过10%，故在设计负荷下不会发生过量液沫夹带。溢流液泛条件的校核溢流管中的当量清液高度可由式计液体沿筛板流动时,阻力损失很小,其液面落差可忽略不计,即 。已知: hL=0.0396, ，故降液管内的当量清液高度： 乙醇-水混合液不易起泡,取=0.6,则降液管内泡沫层高度：<0.5m不会产生溢流液泛。液体在降液管内停留时间的校核 降液管内的停留时间 >5s不会产生严重的气泡夹带。漏液点的校核 漏液点的孔速为： =筛孔气速=

14、 26.84m/s塔板稳定系数 >表明具有足够的操作弹性。根据以上各项流体力学验算，可认为设计的塔径及各工艺尺寸合适。 2.4塔板负荷性能图注:以下计算常用得,E 经验计算,取E=1.0则=2/3过量液沫夹带线依下式计算: =3.2 (2-1)式中：=(h+h)=令=0.1kg液/kg气，由= 35.3910, H=0.45代入式(2-1)得：0.1=()整理得：在操作范围中，任取几个值，根据上式算出值列于表2-3中：表230.0020.0040.0060.0081.5381.4321.3441.264依表中数据在作出过量液沫夹带线（1）(参见图2-1)溢流液泛线由式 和 联立求解。(1

15、)=（）（）=（） =（）=（h+h）=故 =+0.00409=+ 0.03409(2)=0.153（）=（）= 则： +0.03409+0.0518+0.8462+195.2取若干值依(2-18)式计算值，见表2-4，作出液泛线（3）表2-400020004000600081.940 1.907 1.870 1.826 液相上限线取液体在降液管中停留时间为5秒。则 =（）在=处作出垂线得液相负荷上限线(4)，可知在图上它为与气体流量 V无关的垂直线。漏液线（气相负荷下限线）由 h=h+h=0.0518+0.8462，u=代入下式求漏液点气速式： u=4.4C将=0.0488 代入上式并整理得：V=0.1365据上式，取若干个值计算相应值，见表2-5，作漏液线（2）表250.0020.0040.0060.0080.4320.490