化工原理优秀课程设计乙醇和水.docx

设计任务书(一) 设计题目：试设计一座乙醇-水连续精馏塔提纯乙醇。进精馏塔料液含乙醇 25% （质量分数，下同），其它为水；产品乙醇含量不得低于 94% ；残液中乙醇含量不得高于 0.1% ；要求年产量为17000吨/年。(二) 操作条件1) 塔顶压力 4kPa（表压） 2) 进料热状态 自选 3) 回流比 自选 4) 塔底加热蒸气压力 0.5Mpa（表压）5) 单板压降 0.7kPa。(三) 塔板类型自选(四) 工作日每十二个月工作日为300天，天天二十四小时连续运行。(五) 设计内容1、设计说明书内容 1) 精馏塔物料衡算； 2) 塔板数确实定； 3) 精馏塔工艺条件及相关物性数据计算； 4) 精馏塔塔体工艺尺寸计算； 5) 塔板关键工艺尺寸计算； 6) 塔板流体力学验算； 7) 塔板负荷性能图； 8) 精馏塔接管尺寸计算； 9) 对设计过程评述和相关问题讨论。2、设计图纸要求： 1) 绘制生产工艺步骤图（A2号图纸）； 2) 绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。 目 录1. 设计方案介绍 1 1.1设计方案确实定1 1.2操作条件和基础数据12.精馏塔物料衡算12.1 原料液及塔顶、塔底产品摩尔分率12.2原料液及塔顶、塔底产品平均摩尔质量1 2.3物料衡算23.塔板数确实定2 3.1理论板层数NT求取 2 3.1.1 求最小回流比及操作回流比 2 3.1.2 求精馏塔气、液相负荷 3 3.1.3 求操作线方程 3 3.1.4 图解法求理论板层数 3 3.2 塔板效率求取4 3.3 实际板层数求取54.精馏塔工艺条件及相关物性数据计算 5 4.1操作压力计算5 4.2 操作温度计算5 4.3 平均摩尔质量计算5 4.4 平均密度计算6 4.4.1 气相平均密度计算6 4.4.2 液相平均密度计算6 4.5液体平均表面张力计算 7 4.6液体平均黏度计算 75.精馏塔塔体工艺尺寸计算 8 5.1塔径计算 8 5.1.1精馏段塔径计算8 5.1.2提馏段塔径计算9 5.2精馏塔有效高度计算9 5.3精馏塔高度计算 106.塔板关键工艺尺寸计算10 6.1溢流装置计算 10 6.1.1堰长lw 10 6.1.2 溢流堰高度hw 11 6.1.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af 11 6.1.4 降液管底隙高度ho 11 6.2塔板部署 12 6.2.1塔板分块 12 6.2.2边缘区宽度确定 12 6.2.3开孔区面积计算 12 6.2.4筛孔计算及其排列 12 7.筛板流体力学验算 13 7.1塔板降 13 7.1.1干板阻力hc计算 13 7.1.2气体经过液层阻力hl计算13 7.1.3液体表面张力阻力h计算13 7.2液面落差 13 7.3液沫夹带 14 7.4漏液 14 7.5液泛 14 8.塔板负荷性能图15 8.1漏液线 15 8.2液沫夹带线 15 8.3液相负荷下限线 16 8.4液相负荷上限线 17 8.5液泛线 17 9.关键接管尺寸计算 19 9.1蒸汽出口管管径计算 199.2回流液管管径计算 199.3进料液管管径计算 199.4釜液排出管管径计算 19 10.塔板关键结构参数表 20 11.设计过程评述和相关问题讨论 21 参考文件231. 设计方案介绍1.1设计方案确实定本设计任务为分离乙醇水混合物提纯乙醇，采取连续精馏塔提纯步骤。设计中采取泡点进料，将原料液经过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采取全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其它部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，回流比较大，故操作回流比取最小回流比1.5倍。塔釜采取直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。1.2操作条件和基础数据进料中乙醇含量（质量分数） wF = 0.25；产品中乙醇含量（质量分数） wD = 0.94；塔釜中乙醇含量（质量分数） wW = 0.001；处理能力 GF = 17000吨/年；塔顶操作压力 4 kPa； 进料热情况 泡点进料； 单板压降 0.7kPa；2. 精馏塔物料衡算2.1 原料液及塔顶、塔底产品摩尔分率 乙醇摩尔质量 MA =46.07kg/kmol 水摩尔质量 MB =18.02kg/kmolxF =0.115xD =0.860xW =0.00042.2原料液及塔顶、塔底产品平均摩尔质量 MF =21.25kg/kmol MD =42.14kg/kmol MW =18.05kg/kmol2.3物料衡算每十二个月300天，天天工作二十四小时，其处理量为17000吨/年故原料液处理量为 F=111.11kmol/h总物料衡算 111.11= D + W乙醇物料衡算 111.110.115 = 0.860D + 0.0004W联立解得 D = 14.81kmol/h W = 96.30kmol/h3. 塔板数确实定3.1理论板层数NT求取3.1.1 求最小回流比及操作回流比乙醇-水是非理想物系，先依据乙醇-水平衡数据（见下表1），绘出平衡线，以下图所表示。 表1乙醇水系统txy数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.799.20.232.979.8552.6866.28990.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.482.325.7555.7478.1589.4189.41 在上图对角线上，自点c（0.115,0.115）作垂线ec即为q线，该线和相平衡线由a点引出切线交点坐标为 y=0.354 ， x=0.115故最小回流比为 Rmin R =1.5Rmin =1.52.12=3.183.1.2 求精馏塔气、液相负荷 Lkmol/h Vkmol/h Lkmol/h Vkmol/h3.1.3 求操作线方程精馏段操作线方程为 y提馏段操作线方程为 y3.1.4 图解法求理论板层数 采取图解法求理论板层数，结果见上图，得理论塔板数N=15块（不包含再沸器），精馏段12块，提馏段3块（不包含再沸器）3.2 塔板效率求取操作温度计算：由乙醇水气液两相平衡图【1】可查得组成份别为泡点温度：由乙醇水气液两相平衡图可查得：塔顶和塔釜气液两相组成为： 查化工物性算图手册得：则塔内相对挥发度：全塔液体平均粘度计算：液相平均粘度计算，即 塔顶液相平均粘度计算由，查手册【2】得： 解出 塔底液相平均粘度计算由，查手册【3】得： 【1】 解出 则全塔液相平均粘度为 故 查奥康内尔（oconnell）关联图【1】得： 因为筛板塔全塔效率相对值为1.1【1】，故精馏塔全塔效率为 3.3 实际板层数求取精馏段实际板层数 N提馏段实际板层数 N64.精馏塔工艺条件及相关物性数据计算4.1操作压力计算塔顶操作压力 kpa每层塔板压降 进料板压力 kpa精馏段平均压力 kpa4.2 操作温度计算从乙醇-水溶液气液相平衡图【1】查得泡点温度（近似看作是操作温度）为：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度为：4.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由，查平衡曲线（x-y图），得 进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（x-y图），得 查平衡曲线（x-y图），得 精馏段平均摩尔质量 4.4 平均密度计算4.4.1 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 kg/4.4.2 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度计算由，查手册【2】得 塔顶液相质量分率 进料板液相平均密度计算由，查手册【2】得 进料板液相质量分率 精馏段液相平均密度为 4.5液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力计算由，查手册【2】得 进料板液相平均表面张力计算由，查手册得 精馏段液相平均表面张力为 4.6液体平均黏度计算液相平均粘度依下式计算，即 塔顶液相平均粘度计算由，查手册【2】得： 解出 进料板液相平均粘度计算由，查手册【3】得： 【1】 解出 精馏段液相平均粘度为 5.精馏塔塔体工艺尺寸计算5.1塔径计算5.1.1精馏段塔径计算精馏段气、液相体积流率为 m3/s m3/s由 式中C由式计算，式中C20由图（史密斯关系图）【4】查得，图横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 查图（史密斯关系图）【4】得 取安全系数为0.7，则空塔气速为 m/s m5.1.2提馏段塔径计算提馏段塔径计算，所需数据可从相关手册【1，2，4】查得，计算方法同精馏段。计算结果为 m比较精馏段和提馏段计算结果，两段塔径相差不大，圆整塔径，取 m塔截面积为 m2实际空塔气速为 m/s5.2精馏塔有效高度计算精馏段有效高度为 m提馏段有效高度为 m故精馏塔有效高度为 m5.3精馏塔高度计算实际塔板数 进料板数 ；因为该设计中板式塔塔径，为安装、检修需要，选择每6层塔板设置一个人孔【4】，故人孔数 ；进料板处板间距 ；设人孔处板间距；为利于出塔气体夹带液滴沉降，其高度应大于板间距【4】，故选择塔顶间距 ；塔底空间高度 【4】封头高度 ；【5】裙座高度 。故精馏塔总高度为 16.33m6.塔板关键工艺尺寸计算6.1溢流装置计算因为塔径m，通常场所可选择单溢流弓形降液管【4】，采取凹形受液盘。各项计算以下：6.1.1堰长lw取 m6.1.2 溢流堰高度hw由 选择平直堰，堰上液层高度hOW由下式计算，即 近似取E=1，则 0.007m取板上清液层高度 故 m6.1.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af由 查图（弓形降液管参数）【4】，得 故 依式 【4】验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。6.1.4 降液管底隙高度ho 取 则 故降液管底隙高度设计合理。选择凹形受液盘，深度 【4】6.2塔板部署6.2.1塔板分块因为，故塔板采取分块式。查表（塔板分块数）【4】，则塔板分为3块。6.2.2边缘区宽度确定取 ，6.2.3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算，即 其中 故 0.31m26.2.4筛孔计算及其排列此次所处理物系无腐蚀性，可选择碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为 个开孔率为 气体经过阀孔气速为 m/s7.筛板流体力学验算7.1塔板降7.1.1干板阻力hc计算干板阻力hc由下式计算，即 由，查图（干筛孔流量系数）【4】得，故 m液柱7.1.2气体经过液层阻力hl计算气体经过液层阻力hl由下式计算，即 查图（充气系数关联图）【4】得：故 m液柱7.1.3液体表面张力阻力h计算液体表面张力所产生阻力h由下式计算，即 气体经过每层塔板液柱高度hp可按下式计算，即 气体经过每层塔板压降为 （设计许可值）7.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且此次塔径（）和液流量（）均不大，故能够忽略液面落差影响。7.3液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 故在此次设计中液沫夹带量eV在许可范围内。7.4漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 实际孔速稳定系数为 故在此次设计中无显著漏液。7.5液泛为预防塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从下式关系，即 乙醇水物系属通常物系，不易发泡，故安全系数取【4】，则 而 板上不设进口堰，hd可由下式计算，即 故在此次设计中不会发生液泛现象。8.塔板负荷性能图8.1漏液线由 得 整理得 在操作范围内，任取多个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表2。表2 0.0001 0.0015 0.0030 0.0045 0.210 0.223 0.231 0.238由上表数据即可作出漏液线1。8.2液沫夹带线认为限，求VsLs关系以下：由 故 整理得 在操作范围内，任取多个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表3。表3 0.0001 0.0015 0.0030 0.0045 2.39 2.21 2.09 1.98 由上表数据即可作出液沫夹带线2。8.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。则 取，则 据此可作出和气体流量无关垂直液相负荷下限线3。8.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间下限，由下式可得，即 故 据此可作出和气体流量无关垂直液相负荷上限线4。8.5液泛线令 由 联立得 忽略，将和，和，和关系式代入上式，并整理得 式中 将相关数据代入，得 故 或 在操作范围内，任取多个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表4。表4 0.0001 0.0015 0.0030 0.0045 0.98 0.85 0.69 0.47由上表数据即可作出液泛线5。依据以上各线方程，可作出筛板塔负荷性能图，以下图所表示。在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板操作上限为液泛控制，下限为液沫夹带控制。由图可查得 故操作弹性为 9.关键接管尺寸计算9.1塔顶蒸汽管管径计算因为塔顶操作压力为4kpa，故选择6，则 圆整直径为9.2回流液管管径计算冷凝器安装在塔顶，故选择6，则 圆整直径为9.3进料液管管径计算因为料液是由泵输送，故选择6；进料管中料液体积流量 故 圆整直径为9.4釜液排出管管径计算釜液流出速度通常范围为6，故选择；塔底平均摩尔质量计算由，得：塔底液相平均密度计算由，查手册【2】得 塔底液相质量分率 塔釜排液管体积流量 故 圆整直径为10.塔板关键结构参数表所设计筛板关键结果汇总于表5。表5 筛板塔设计计算结果参数表 序 号项 目数 值12345678910111213141516171819202122232425262728293031平均温度tm，平均压力Pm，kPa气相流量Vs，（m3/s）液相流量Ls，（m3/s）实际塔板数有效段高度Z，m塔径D，m板间距HT，m溢流形式降液管形式堰长lW，m堰高hW，m板上液层高度hL，m堰上液层高度hOW，m降液管底隙高度ho，m安定区宽度Ws，m边缘区宽度Wc，m开孔区面积Aa，m2筛孔直径d0，m筛孔数目n孔中心距t，m开孔率，%空塔气速，m/s筛孔气速，m/s稳定系数每层塔板压降，Pa负荷上限负荷下限液沫夹带eV，（kg液/kg气）气相负荷上限Vs，max，m3/s气相负荷下限Vs，min，m3/s操作弹性82113.70.400.00063011.20.80.40单溢流弓形0.530.0530.060.0070.0140.070.0350.310.00515920.0150.1010.8612.781.89500.6液泛控制液沫夹带控制0.860.471.8311.设计过程评述和相关问题讨论111 筛板塔特征讨论筛板塔式最早使用板式塔之一，它关键优点有：结构简单，易于加工，造价较低；在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%40%；踏板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔；气体压降较小，约比泡罩塔低30%；但也有部分缺点，即是：小孔筛板易堵塞，不易处理部分粘性较大或带固体粒子料液；操作弹性相对较小。此次设计中物系是乙醇水体系，故选择筛板塔。112 进料热情况选择 此次设计中选择泡点进料，原因是泡点进料操作比较轻易控制，且不受季节气温影响。113 回流比选择 通常筛板塔设计中，回流比选择是最小回流比1.12.0倍。此次设计中，因为最小回流比比较大，故选择。114 理论塔板数确实定 理论塔板数确实定有多个方法，此次设计中采取梯级图解法求取理论塔板数。利用求得精馏段操作线、提馏段操作线及q线，在操作线和平衡线间画梯级得出理论塔板数，由此也得到了最好进料位置。此次设计中求取到理论塔板数为15块，进料板是第13块。115 操作温度求解此次设计中，为计算方便，均依据其组成选择泡点温度作为其操作温度。116 溢流方法选择此次设计中，因为塔径为0.8m，不超出2.0m，可选择单溢流弓形降液管，此种溢流方法液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便。117 筛板流体力学验算结果讨论此次设计中，气体经过每层塔板压降：；液面落差忽略（塔径及液流量均不大）；液沫夹带：；稳定系数： 降液管内液层高度： 综上数据表明，此次设计结果塔板压降合理、液面落差影响极小、液沫夹带量在许可范围内、不会发生漏液及液泛现象。118 塔板负荷性能图结果讨论由此次设计所得数据计算得出塔板负荷性能图中A点为此次设计中精馏塔操作点。由图中可看出，操作点在理论范围内，但偏边界位置，即该操作点并非最好操作点，可能因为回流比取值较小造成。参考文件1 杨祖荣，刘丽英，刘伟 化工原理（第二版）北京：化学工业出版社，2 刘光启，马连湘，邢志有 化工物性算图手册 北京：化学工业出版社，3 程能林 溶剂手册（第三版） 北京：化学工业出版社，4 贾绍义，柴诚敬 化工原理课程设计 天津：天津大学出版社，.85 林大钧，于传浩，杨静 化工制图 北京：高等教育出版社，.86 板式精馏塔设计，太原理工大学化工学院：化工教研室附图：