课程设计报告-乙醇—水连续精馏塔筛板塔的设计CJP

1、-. z.*石油化工学院学院化工原理课程设计题目乙醇水连续精馏塔筛板塔的设计指导教师成绩评阅教师* CJP 陈平平班级化工卓越14-1 *完成时间 2017年1月11日化工原理课程设计任务书一、设计题目题目：乙醇水连续精馏塔筛板塔的设计。工艺参数：原料含乙醇35+0.05*后两位(质量分数，下同)塔顶产品中乙醇含量为：不小于70，塔底残液中含乙醇为：不高于10。该塔的生产能力为：质量流量=10+0.1*后两位吨/小时根本条件：顶压强为4kPa(表压)，单板压降0.7kPa，料液以泡点状态进入塔内，塔底供热可间接加热再沸器和直接水蒸气加热。回流比：自选。二、设计内容：1、设计方案确实定及流程说：

2、确定全套精馏装置的流程，并对操作条件和主要设备做简要说明。2、塔的工艺计算：物料衡算、理论板数、实际板数、热量衡算、精馏塔主要物性。3、塔和塔板的工艺尺寸设计：1塔高、塔高及塔径确实定并圆整；2塔板构造尺寸确实定；3塔板的流体力学验算；绘出塔板的负荷性能图。4、辅助设备选型与计算：1塔顶冷凝器的热负荷和冷却水用量；2塔底再沸器的热负荷和水蒸汽用量；5、接收尺寸计算；6、绘制塔板构造图大号坐标纸；7、设计结果概要或设计一览表；8、对本设计的评述或有关问题的分析讨论。三、设计要求：1、设计完成后，设计说明书一份。设计说明书包括：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、塔板的负荷性能图、

3、塔板构造图、参考文献及设计自评表等。2、设计计算书主要包括：设计内容四、参考文献格式：作者题名书刊名出版地出版者出版日期参考章节五、参考书目:姚玉英 . 化工原理 ,上册,1版.*:*大学,1999柴诚敬.化工原理课程设计. 1版.*:*大学,1994匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1版.:化学工业,2002李功祥.常用化工单元设备设计.1版.*:华南理工大学,2003六、设计根底数据常压下乙醇水系统t*y数据如表16所示。表16 乙醇水系统t*y数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%液相气相液相气相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181

4、.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.677

5、8.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：1825时的乙醇和水的混合液的外表*力与乙醇浓度之间的关系为：式中25时的乙醇和水的混合液的外表*力，Nm；*乙醇质量分数，。其他温度下的外表*力可利用下式求得 (1-54)式中1温度为T1时的外表*力；Nm；2温度为T2时的外表*力；Nm；TC混合物的临界温度，TC*iTci，K；*i组分i的摩尔分数；TCi组分i的临界温度， K。板效率计算公式：ET=0.49*(l)-0.245设计计算设计方案确实定抄书2.塔的物料衡算2.1料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分率*F=1

6、7.78%*D=77.88%*W=2.01%2.2平均摩尔质量MF=17.78%46+82.12%18=22.98kg/kmolMD=77.88%46+22.11%18=39.80kg/kmolMW=2.01%46+97.99%18=18.56 kg/kmol 2.3物料衡算生产能力质量流量=11.2吨/h总物料衡算F=D+W易挥发组分物料衡算F*F=D*D+W*W联立总物料衡算和易挥发组分物料衡算解得：F=(11.2 103 kg/h)/22.98mol/kg=487.38kmol/hW=357.24kmol/h D=114.82kmol/h3塔板数确实定3. 1理论塔板数NT的求取求最小回

7、流比Rmin及操作回流比R。乙醇水体系的y-*平衡曲线有下凹局部，自a*D，YD作平衡线的切线切于其下凹局部，并延长与y轴相交，截距0.42，解得Rmin=0.8182。所以操作回流比R=2Rmin=1.636求理论板NT精馏段操作线方程Y=0.62*+0.295根据乙醇水的气液平衡数据表1作y-*图，如图1。图1乙醇、水的y-*图及图解理论板如图2所示，按M.T.图解法求得：不包括再沸器精馏段理论板数为6层，提馏段为2层不包括再沸器，第2层为加料板。3.2全塔效率ET的求取根据塔顶、塔底液相组成用内插法求温度得：=,解出tD=78.50，同理tW=98.75tM=tD+tW/2=88.638

8、8.63时，乙醇和水的粘度分别为：0.440mPas和0.322mPas，该温度下进料液相平均粘度为：M=0.1778乙醇+1-0.1778水=0.343mPas所以ET=0.49*(M)-0.245 =0.453. 3实际塔板数N精馏段N精=6/0.45=13.33，取14层提馏段N提=2/0.45=4.44，取5层4塔的工艺条件及物性数据计算4.1操作压强Pm塔顶压强PD=101.3+4=105.3kPa，取每层塔板压强降P=0.6kPa，则进料板压强和塔底压强分别为：PF=105.3+140.6=113.7kpaPW=105.3+190.6=116.8kpa精馏段和提馏段平均操作压强为P

9、精馏=109.5kpaP提馏=115.25kpa4.2温度tm依据操作压强，依下式试差计算操作温度：P= *A+ *B式中：*溶液中组分的摩尔分数；P溶液上方的总压，Pa；p0同温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa下标A表示易挥发组分，B表示难挥发组分。其中水、乙醇的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。LgP0=A-式中：p0在温度为T时的饱和蒸汽压，mmHg；T温度，；A,B,CAntoine常数，其值表1组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228表1A,B,CAntoine常数计算结果如下：塔顶温度解得tD = 82.78 。同理得：tF = 95.56 ，

10、tW = 101.02。则精馏段平均温度和提馏段平均温度为：4.3平均摩尔质量Mm塔顶(由气液平衡曲线得)进料板同理得；塔底同理得；则精馏段和提馏段的平均摩尔质量分别为：4.4平均密度m液相密度Lm塔顶温度tD = 82.78 ，根据表2由内插法得82.78时水和乙醇的密度温度/2030405060708090100110乙醇密度kg/m3795785777765755746735730716703水密度kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0表2 乙醇和水液相密度依下式为质量分数同理求得进料板和塔底液相密度；故精馏段和提馏

11、段的平均密度分别为；精馏段和提馏段的气相密度mV4.5液体外表*力m25时的乙醇和水的混合液的外表*力与乙醇浓度之间的关系为：式中25时的乙醇和水的混合液的外表*力，Nm；*乙醇质量分数，。其他温度下的外表*力可利用下式求得：式中1温度为T1时的外表*力；Nm；2温度为T2时的外表*力；Nm；TC混合物的临界温度，TC*iTci，K；*i组分i的摩尔分数；TCi组分i的临界温度， K。25时，=m66.77NmTC乙醇=516.2K TC水=647.3KF=89.77Nm 同理D=91.92 mNmW=89.70 mNm则精馏段和提馏段平均外表*力分别为4.6液体粘度Lm塔顶、进料板、塔底所对

12、应的温度下水的粘度分别为塔顶、进料板、塔底所对应的温度下乙醇的粘度分别为则精馏段和提馏段平均液相粘度分别为5气液负荷计算精馏段气液负荷计算如下：同理得提馏段6塔体主要工艺尺寸计算6.1塔径D表6 板间距与塔径的关系塔径D/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT/mm200300250350300450350600400600参考表6，初选板间距HT=0.40m ,取板上液层高度hL=0.06m，故图3 Sminth关联图查图3可知，依照下式校正C取平安系数为0.7，则故按标准，塔径圆整为1.6m，则空塔气速塔内各段负荷差异不大，各段塔径保持一致。则提馏段空塔气

13、速6.2塔有效高度Z在进料板上方开一人孔，其高度为0.8米。故精馏塔的有效高度为Z=Z精+Z提+0.8=5.2+1.6+0.8=7.6m7塔板主要工艺尺寸计算7.1溢流装置根据塔径和液体流量采用单流型、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰。不设进口堰。各项计算如下。溢流堰长lw取lw =0.66D，即出口堰高hw则故降液管管宽度Wd与降液管面积Af由查图5图5 弓形降液管的宽度和面积得，故由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即符合要求降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙的流速u0 = 0.08m/s，依下式计算降液管底隙高度： hw-ho=0.0501-0.0226=0.0275

14、m0.006m故降液管底隙高度设计合理7.2塔板布置塔板的分块因D800mm，故塔板采用分块式，查表5-3得，塔板分为4块。边缘区宽度确定取边缘区宽度Wc = 0.035m ，安定区宽度Ws = 0.065m 开孔区面积Aa计算其中筛孔计算及其排列取筛孔的孔径d0 = 5mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚为3mm，取t/d0 = 3.0，故孔中心距依下式计算塔板上的筛孔数n依下式计算塔板上的开孔区的开孔率，即气体通过筛孔的气速；8筛板的流体力学验算8.1塔板压降计算干板阻力hc计算依，查图7，C0=0.772 图7 干筛孔的流量系数液柱气体通过液层的阻力hl计算由图8查取板上液层充气系数为0.

15、61。图8 充气系数关系图依式液柱液体外表*力的阻力h计算依式故m单板压强降为 (设计允许值)8.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响8.3液沫夹带量依式式中， hf塔板上鼓泡层高度，可按泡沫层相对密度为0.4考虑，即故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。8.4漏液依式筛板的稳定性系数故在设计负荷下无明显漏液。8.5液泛的验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度。液柱取，则液柱故在设计负荷下不会发生液泛现象。9塔板负荷性能图9.1漏液线气相负荷下限线1由、代人漏液点气速式：A0前已算出为0.248m2，代入上式并整理，得在操作*围内任取

16、n个值，依上式计算相应值,列于表9中，依表9中数据作漏液线1，如图9中线1所示。表9，0.2710.2960.3260.3499.2液沫夹带线2近似取，故取液沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，根据,得下式：整理得在操作*围内，任取几个值，依上式算出相应的值列于表7中。并依表中数据在图中做出液沫夹带线2，如图9中线2所示。表7，5.0204.8404.6094.4169.3液相负荷下限线3取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，取,依下式计算，则整理上式得液相负荷下限线3在坐标图上为与气体流量无关得垂直线，如图9线3所示。9.4液相负荷上限线4取液体在降液管中停留时间为4s，则液相负荷上限线

17、4在坐标图上为与气体流量无关得垂直线，如图9线4所示。9.5液泛线5近似取，c故de将为0.4m，为0.0501m，及式c、d、e代入式和得：整理得：在操作*围内取假设干值，依上式计算值，列于表8中，并依表中数据在图9中做出液泛线5，如图9中线5所示。表8，7.7727.5817.3077.039根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图筛板塔的负荷性能图10筛板塔的工艺设计计算结果总表序号工程数值1平均温度tm/2平均压力pm/kPa3气相流量Vs/m3s-14液相流量Ls/m3s-15实际塔板数6有效段高度Z/m7塔径/m8板间距/m9溢流形式10降液管形式11堰长/m12堰高/m

18、13板上液层高度/m14堰上液层高度/m15降液管底隙高度/m16安定区宽度/m17边缘区宽度/m18开孔区面积/m219筛孔直径/m20筛孔数目21孔中心距/m22开孔率/%23空塔气速/ms-124筛孔气速/ms-125稳定系数26每层塔板压降/Pa27负荷上限28负荷下限29液沫夹带ev/(kg液/kg气)30气相负荷上限/m3s-131气相负荷下限/m3s-132操作弹性11精馏塔附属设备选型与计算选列管式原料预热器，强制循环式列管全凝器，列管式塔顶及塔底产品冷却器，热虹吸式再沸器。11.1冷凝器计算设原料液初始温度为43，由汽液平衡数据查得组成*F = 0.1778的乙醇水溶液泡点温度为99.33，在平均温度99.33+43/2 =71.17下：乙醇的汽化潜热r乙=1000kJ/kg水的汽化潜热r水=2499kJ/kg。则可得平均汽化潜热取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为20和30则平均温度下的比热2，于是冷凝水用量可求得：11.2预热器计算加热蒸汽量以釜残液预热原料液，则将原料加热至泡点所需的