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1、-化工原理课程设计乙醇水连续精馏塔筛板塔的设计-第 22 页 广东石油化工学院 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 姓名 CJP 陈平平 班级 化工卓越14-1 学号 14014260112 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*学号后两位(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*学号后两位）吨/小时 基本条件：顶压强为4kPa(表压)，单板压降0.7kPa，料
2、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、设计方案的确定及流程说： 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、塔高及塔径的确定并圆整；2）塔板结构尺寸的确定；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、接管尺寸计算；6、绘制塔板结构图（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
3、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、塔板结构图、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:1、 姚玉英 . 化工原理 ,上册,1版.天津:天津大学出版社,19992、 柴诚敬.化工原理课程设计. 1版.天津:天津大学出版社,19943、 匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1版.北京:化学工业出版社,20024、 李功祥.常用化工单元设备设计.1版.广州:华南理工大学出版社,2003六、设
4、计基础数据常压下乙醇水系统txy数据如表16所示。表16 乙醇水系统txy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99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.757
5、2.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41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表面张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表面张力，Nm；x乙醇质量分数，。其他温度下的表面张力可利用下式求得 (1-54)式中 1温度为T1时的表面张力；Nm；2温度为T2时的表面张力；Nm；TC混合物的临
6、界温度，TCxiTci ，K；xi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1. 设计方案的确定抄书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XF=17.78%XD=77.88%XW=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FXF=DXD+WXW
7、 =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塔板数的确定3. 1理论塔板数NT的求取3.1.1求最小回流比Rmin及操作回流比R。乙醇水体系的y-x平衡曲线有下凹部分，自a（XD，YD）作平衡线的切线切于其下凹部分，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=1.6363.1.2求理论板NT精馏段操作线方程Y=0.62X+0.295根据乙醇水的气液平衡数据（表1）作y-x图，如图1。图1乙醇、水的y-x图及
8、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=88.6388.63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
9、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= XA+ XB式中：x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：p
10、0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 ，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m4.4.1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/203040
11、5060708090100110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段的平均密度分别为4.4.2 精馏段和提馏段的气相密度mV4.5液体表面张力m25时的乙醇和水的混合液的表面张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表面张力，Nm；x乙醇质量分数，。其他温度下的表面张力可利用下式求得：式中 1温度为T1时的表面张力；Nm；2温度为T2
12、时的表面张力；Nm；TC混合物的临界温度，TCxiTci ，K；xi组分i的摩尔分数； TCi组分i的临界温度， K。25时，=m66.77 NmTC乙醇=516.2K TC水=647.3K F=89.77 Nm 同理D=91.92 mNm W=89.70 mNm则精馏段和提馏段平均表面张力分别为4.6液体粘度Lm塔顶、进料板、塔底所对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/m0.30.50.50.80.81.6
13、1.62.42.44.0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取安全系数为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别不大，各段塔径保持一致。则提馏段空塔气速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
14、算如下。7.1.1溢流堰长lw取lw =0.66D，即7.1.2出口堰高hw 则 故 7.1.3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）7.1.4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=0.0275m0.006m故降液管底隙高度设计合理7.2塔板布置7.2.1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。7.2.2边缘区宽度确定取边缘区宽度Wc = 0.035m ，安定区
15、宽度Ws = 0.065m 7.2.3开孔区面积Aa计算其中 7.2.4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8.1.1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8.1.2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0.61。图8 充气系数关系图依式 液柱8.1.3液体表面张力的阻力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，
16、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，得在操作范围内任取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.
17、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，已知，根据,得下式：整理得 在操作范围内，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（4）在坐标图上为与气体流量无关得垂直线，如
18、图9线（4）所示。9.5液泛线（5）近似取 ， （c）故 （d） （e）将为0.4m，为0.0501m，及式（c）、（d）、（e）代入式和得：整理得： 在操作范围内取若干值，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，如图 所示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项目数值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/
19、m12堰高/m13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XF = 0.1778的
20、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 11.2.1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热量为， tFm = 64，在进出预热器的平均温度以及tFm = 64的情况下查得比热2，则釜残液放出的热量： ，若将釜残液温度降至tw2 = 55，那么平均温度twm = (99.8+55) / 2 =77.4，查其比热为2，则可知，QW
21、 Q F，于是理论上不可以直接用釜残液加热原料液至泡点。加热蒸汽理论用量为： 11.2.2传热面积根据经验值，总传热系数K=290870W/m2，取K=650 W/m2，则传热面积 11.3各接管尺寸计算11.3.1进料管进料体积流量取适宜的输送速度u=2m/s，故经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-70)，规格：605mm实际管内流速： 以下计算与进料管计算类似，但不是用上面的数据。实在不想写下去了11.3.2釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度u=4m/s，则经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-70)，规格：325mm实际管内流速： 11.3.3回流液管回流液体积流量利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-70)，规格：452.5mm实际管内流速： 11.3.4塔顶上升蒸汽管已算出塔顶上升蒸汽的体积流量为0.56 m3/s取适宜速度uV= 20 m/s，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-70)，规格：2036mm实际管内流速： 11.3.5水蒸汽进口管已算出通入塔的水蒸气体积流量0.53 m3/s，取适宜速度uV= 25 m/s，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-70)，规格：1805mm实际管内流速：