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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计乙醇水连续精馏塔的设计目的：通过课程设计进一步巩固课本所学的内容,培育同学运用所学理论学问进行化工单元过程设计的初步才能,使所学的学问系统化,通过本次设计,应明白设计的内容,方法及 步骤,使同学具有调剂技术资料, 自行确定设计方案, 进行设计运算, 并绘制设备条件图、编写设计说明书；在常压连续精馏塔中精馏分别含乙醇20%的乙醇水混合液,分别后塔顶馏出液中含乙醇量不小于 94%,塔底釜液中含乙醇不高于 4%（均为质量分数）；已知参数：（1）设计任务 进料乙醇 X = 20 % （质量分数,下同）生产才能 Q = 80 t
2、/d 塔顶产品组成 94 % 塔底产品组成 0.1 % （2）操作条件 操作压强：常压 精馏塔塔顶压强： Z = 4 KPa 进料热状态：泡点进料 回流比：自定待测 冷却水： 20 加热蒸汽：低压蒸汽, 0.2 MPa 单板压强： 0.7 全塔效率： ET = 52 % 建厂地址：天津地区 塔顶为全凝器,中间泡点进料,筛板式连续精馏设计内容：（1） 设计方案的确定及流程说明（2） 塔的工艺运算（3） 塔和塔板主要工艺尺寸的运算（a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定；b、塔板的流体力学验算；c、塔板的负荷性能图）（4） 设计结果概要或设计一览表（5） 精馏塔工艺条件图（6） 对本设计的评论或有关问
3、题的分析争论- 1 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计目 录一、精馏流程的确定 . 3 二、课程设计报告内容 . 3 1. 塔的物料运算 . 3 1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数. 3 1.2 平均摩尔质量 . 3 1.3 物料衡算 . 3 2. 塔板数的确定 . 4 2.1 理论塔板数的求取 . 4 2.2 全塔效率 . 6 2.3 实际塔板数 . 6 3. 塔点工艺条件及物性数据运算 . 6 3.1 操作压强 . 6 3.2 温度 . 6 3.3 平均摩尔质量 . 7 3
4、.4 平均密度 . 7 3.5 液体表面张力 . 9 3.6 液体黏度 . 9 4. 精馏段气液负荷运算 . 10 5. 塔和塔板主要工艺尺寸运算 . 11 5.1 塔径 . 11 5.2 溢流装置 . 12 5.3 塔板布置 . 15 5.4 筛孔数与开孔率 . 15 5.5 塔的有效高度（精馏段） . 16 5.6 塔高运算 . 16 6. 筛板的流体力学验算 . 16 6.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度. 16 6.2 雾沫夹带量的验算 . 18 6.3 漏液的验算 . 18 6.4 液泛验算 . 18 7. 塔板负荷性能图 . 19 7.1 雾沫夹带线（ 1） . 19 7.2
5、液泛线（ 2） . 20 7.3 液相负荷上限线（3） . 21 7.4 漏液线（气相负荷下限线）（4） . 21 7.5 液相负荷下限线（5） . 22 8. 筛板塔的工艺设计运算结果总表 9. 精馏塔的附属设备及接管尺寸 . 23 . 24 三、设计小结 . 25 四、主要参考文献 . 25 - 2 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计一、精馏流程的确定乙醇水混合液经原料预热器加热至泡点后,送入精馏塔； 塔顶上升蒸汽采纳全凝器冷凝后,一部分作为回流,其余为塔顶产品经冷凝后送至贮槽；塔
6、釜采纳间接蒸汽向再沸器供热,塔底产品经冷却后送入贮槽；二、课程设计报告内容1. 塔的物料运算 1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数xF20/20/46/18.0 0894680xD94/94/46/180 . 86466x W0 . 1/0 . 1/46/180 . 00044699 9.1.2 平均摩尔质量M F0 .08946 10. 0891820.49kg/kmolM D0 .864610 .861842.08kg/kmolM W0.00044610. 00041818. 01kg/kmol1.3 物料衡算总物料衡算FW80000 /243333 . 33轻组分物料衡算0 . 9
7、4D0 . 001 W0 . 23333 .联立二式得：F15728.5kg/hD33333. kg/h- 3 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计W12395.2 kg/h各物料数值为：F15728 5./20 . 49767 . 62kmol/hD3333 .3/42 . 0879 . 21 kmol/hhW12395 . 2/18 . 01688 . 24 kmol/2. 塔板数的确定2.1 理论塔板数 NT的求取乙醇水属于抱负物系,可采纳 M.T. 图解法求 NT；2.1.1 依
8、据乙醇水的气液平稳数据如下表液相中乙醇气相中乙醇液相中乙醇气相中乙醇的摩尔分数的摩尔分数的摩尔分数的摩尔分数0.0 0.0 0.25 0.551 0.10 0.11 0.30 0.575 0.02 0.175 0.4 0.614 0.04 0.273 0.5 0.657 0.06 0.34 0.6 0.698 0.08 0.392 0.7 0.755 0.1 0.43 0.8 0.82 0.14 0.482 0.894 0.894 0.18 0.513 0.95 0.942 0.2 0.525 1.0 1.0 表 1：乙醇水气液平稳数据2.1.2 求最小回流比 Rmin及操作回流比 R；因泡点
9、进料,在 图 1 中对角线上自点 e（0.09 ,0.09 ）作垂线即为进料线（ q 线）,该 线与平稳线的交点坐标为 yq = 0.41 ,xq = 0.09 ,此时最小回流比为：- 4 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计R minx Dx q0 . 86.0411 . 41a 点（ xD,xD）作平yqxq0 . 41.0 09由于此时乙醇水系统的平稳曲线有下凹部分,求最小回流比自衡线的切线 aq 并延长与 y 轴相交于 c 点,截距为 0.28 ,即R minxD0.0. 280
10、. 860 .282 .07280. 28当最小回流比为时,比仍要小许多,已显现恒浓区,需要无穷多块塔板才能达到g 点；所以对具有下凹部分平稳曲线点物系求 1.00.80.60.41 y q 0.4 0.28C 0.2 0.167Rmin时,不能以平稳数据（ yq,xq）代入； xD x D x WxF0.20.40.60.8x D 0.861.00.00040.089图 1 M.T.图解法求 NT取操作回流比R2R min22. 074 .142.1.3 求理论塔板数 NT精馏段方程 ：yR1xxD14.14140 .8610.805x0. 167RR4 . 14.14如下列图依据 M.T.
11、 图解法作图可知：NT=21（包括再沸器）,其中 精馏段 17 层- 5 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计提馏段 4 层（包括再沸器）第 18 层为进料板；2.2 全塔效率 ET 依据已知条件, ET = 52 % 2.3 实际塔板数 N 精馏段N精1732.733 层0. 52提馏段N提477.8 层0. 523. 塔点工艺条件及物性数据运算 3.1 操作压强 Pm塔顶压强PD41013.105.3 kPa取每层压强降P0 . 6 kPa,就进料板压强PF105.33306.125
12、.1 kPa精馏段平均操作压强：PM1053.2125.11152.kPa3.2 温度 t m 依据操作压强,有P0 P AxA0 P BxB纯组分的饱和蒸汽压P 0和温度 t 的关系可用安托尼（ Antoine ）方程表示,即CH3CH2OH lgp0AtBB C CA 8.04496 1554.3 222.65 H2O 60 150 7.96681 1668.21 228 H2O 0 60 8.10765 1750.286 235 - 6 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计注：式中
13、 P为 mmHg,t 为, 1mmHg=0.133kpa 表 2：安托尼公式相关系数组分数据：塔顶 xA=0.86 x B=0.14 P=105.3kPa 进料 xA=0.035 x B=0.965 P=125.1kPa 试差法运算,导入 Excel 可得：塔顶 t D = 81.47 进料 t F = 104.88 此时精馏段平均温度mt 精81 .47104 . 8893 . 1823.3 平均摩尔质量 Mm塔顶xD1y0.861x0.85242.08kmolMVDm0 .864610 .8618进料板MLDm0 .8546 10 .85 1841.80yF0 .25xF0.035M VF
14、m0 .254610 .251825kg/kmolM LFm0 . 03546 10. 0351818.89kg/就精馏段平均摩尔质量：M Vm精42. 082533. 54kg/kmol2M Lm精41.08218. 8929. 99kg/kmol3.4 平均密度 mAB（ 为质量分数）3.4.1 液相密度 Lm由式1LmLALB- 7 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计温度 / 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 乙醇密度795 785 777 765
15、755 746 735 730 716 703 /kg/m3998.2 995.7 992.2 988.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 951.0 水密度/kg/m3表 3 乙醇与水的密度已知：1/LmA/LAB/LB（为质量分数）依据 表 3 的密度值,当塔顶温度为81.47 ,由拉格朗日插值法可知：908081.4780乙7334.kg/m3735746乙735908081.4780水970.8kg/m 39653.9718.水971.810. 940. 06LmD745.2kg/m3LmD733.4970.8进料板,由加料板液相组成xA0.035,进料板温
16、度 104.88时A0.0350. 03546180. 08546 10.035 110100104.88100乙709.7 kg/m3703716乙716110100104.88100水954 .8 kg/3 m951.0958.4水958.410. 08510.085LmF927.8 kg/m3LmF709.79548.故精馏段平均液相密度：Lm精）1（7452.3927.8）8366.kg/m3kg/m33.4.2 气相密度mV33. 541. 30Vm 精）P mMVm8.117.8RT31493. 182731. - 8 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 2
17、5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计3.5 液体表面张力m30 40 50 60 70 80 90 100 110 温度/ 20 表面张力 /乙醇22.3 21.2 20.4 19.8 18.8 18 17.116.2 15.5 14.4 10 3N/m 72.6 71.2 69.6 67.7 66.2 64.3 5 60.7 58.8 56.9 水62.6 表 4 乙醇水的表面张力与温度的关系在塔顶处,温度为81.47 ,此时乙17. 01mN /m乙醇：1690801581. 47802.17.乙17. 1560.42mN /m水：90806.
18、81.4780水607.62607.乙在进料处,温度为104.88 ,此时乙14.96mN /m乙醇：110100104. 88100144.15.5乙15.557. 87mN /m水：110100104.88100水56.958.858.8水nm顶）i1xii17. 01（10. 86）60.428723.08mN/mmm 0.86m 进）0 .03514. 96（10 .035）57.56. 37mN/就精馏段平均表面张力为：3.6 液体黏度Lmm精）23 . 08256 . 3739 . 73 mN/m液体的黏度可依据式lg1AA,B300 . 88TB对于乙醇,其中A686 . 64-
19、 9 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计温度 T黏度 mPa s 对于水,可依据水的物性参数表知温度 / 70 80 90 100 110 黏度 / 10 5Pa s 40.61 35.65 31.65 28.38 25.89 表 5 水的黏度与温度的关系塔顶：lgAA686.64686.64Pass0.351mPass1TB273.1581. 47300.88乙0.480mPam35.06105908081.4780水31.6535. 65水35.65进料：lgAA686.64686
20、. 645Pa0.272mPa1TB273.15104. 88300. 88乙0.342mPam27. 1610110100104. 88100水25. 8928.38水28.38nLm顶）ixii0 .480（10. 86）0. 3510. 462mPassL10. 86L进）0. 0350. 342（10 .035）0. 2720. 274mPa就精馏段平均液相黏度为：Lm 精）0 .46220 .2740. 368mPas4. 精馏段气液负荷运算VR1D4.14179.21407. 14kmol/h- 10 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 25 页精选学习资
21、料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计VSVMVm 精）407 . 1433 .54.292 m 3/ss3600Vm精）36001 . 30LRD4 . 1479 . 21327 . 93 kmol/hLSLMLm精）327 . 9330 .34.00033 m 3/3600Lm精）3600836 6.LhLS36000 .0033360011.88m3/h5. 塔和塔板主要工艺尺寸运算5.1 塔径 D参考表 6,初选板间距HT0.40m, 取板上液层高度hL0 .06m2.4 4.0 塔径 HT/m 0.3 0.5 0.5 0.8 0.8 1.6 1.6 2.4 板间距 HT/m 200300 250350 300450 350600 400600 表 6 板间距与塔径的关系HTh T0.400.060 .34mLSL1.0 0033 2 . 92836 . 610 . 002922V SV.1 30- 11 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环境工程系化工原理课程设计图 2 Smith 关系图由C200 .072.02V0 . 07239 . 7302.0 08262 . 094 m/sC2020C20umaxCLV.0 0826836 .61 .