化工原理课程设计乙醇和水.docx

1、化工原理课程设计乙醇和水设计任务书(一) 设计题目：试设计一座乙醇 -水连续精馏塔提纯乙醇。进精馏塔的料液含乙醇 25% （质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于 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) 工作日每年工作日为 300 天，每天 24 小时连续运行。(五) 设计内容1、设计说明书的内容1)精馏塔的物料衡算；2)塔板数的确定；3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据

2、的计算；4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5)塔板主要工艺尺寸的计算；6)塔板的流体力学验算；7)塔板负荷性能图；8)精馏塔接管尺寸计算；9)对设计过程的评述和有关问题的讨论。2、设计图纸要求：1)绘制生产工艺流程图（ A2 号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（ A2 号图纸）。1.11.111.2 12. 12.1 12.2 12.3 23. 23.1NT23.1.123.1.233.1.333.1.433.2 43.3 54. 54.1 54.2 54.3 54.4 64.4.1 64.4.2 64.574.675. 8 5.1 85.1.1 85.1.2 95.2 95.3106. 106.

3、1106.1.1l w106.1.2w11h6.1.3WdAf 116.1.4ho116.2126.2.1126.2.2126.2.3126.2.4127. 137.1137.1.1hc 137.1.2hl 137.1.3h137.2137.3147.4147.5148. 158.1158.2158.3168.4178.5 179. 199.1 199.2 199.3 199.4 1910. 2011. 21 231.设计方案简介1.1 设计方案的确定本设计任务为分离乙醇水混合物提纯乙醇， 采用连续精馏塔提纯流程。 设计中采用泡点进料， 将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。 塔顶上升蒸

4、气采用全凝器冷凝， 冷凝液在泡点下一部分回流至塔内， 其余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的 1.5 倍。塔釜采用直接蒸汽加热，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 G F = 17000 吨/年；塔顶操作压力 4 kPa；进料热状况泡点进料；单板压降 0.7kPa；2.精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量MA =46.07 kg/k

5、mol水的摩尔质量MB =18.02kg/kmolxF=0.25/ 46.07=0.1150.25 / 46.070.75/18.02xD =0.94/ 46.07=0.8600.94 / 46.070.06 / 18.02xW=0.001/ 46.07=0.00040.001/ 46.070.999 / 18.022.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF = 0.115 46.07 (1 0.115) 18.02 21.25 kg/kmolMD =0.860 46.07 （1 0.860） 18.02 42.14 kg/kmolMW=0.001 46.07 (1 0.001) 18.

6、02 18.05 kg/kmol2.3 物料衡算每年 300 天，每天工作 24 小时，其处理量为17000 吨/ 年故原料液的处理量为 F=17000 103（）111.11kmol/h/ 3002421.25总物料衡算111.11= D + W乙醇的物料衡算111.110.115 = 0.860D + 0.0004W联立解得D = 14.81kmol/hW = 96.30kmol/h3.塔板数的确定3.1 理论板层数 NT 的求取3.1.1 求最小回流比及操作回流比乙醇 - 水是非理想物系， 先根据乙醇 - 水平衡数据（见下表 1），绘出平衡线，如下图所示。表 1 乙醇水系统 t xy 数

7、据沸点乙醇摩尔数 /%沸点 t/乙醇摩尔数 /%t/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.

8、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，该线与相平衡线的由 a 点引出的切线的交点坐标为yq =0.354 ， x q =0.115故最小回流比为0.860.3542.12R min0.1150.354R =1.5Rmin =1.5 2.12=3.183.1.2求精馏塔的气、液相负荷LRD3.18 14.81 47.10 kmol/hV(

9、 R1) D(3.18 1) 14.8161.91kmol/hL LF47.10111.11 158.21kmol/hV V 61.91kmol/h3.1.3 求操作线方程精馏段操作线方程为yL xD xD47.10x14.810.860 0.761x 0.206VV61.9161.91提馏段操作线方程为LW xW158.21 x96.30 0.0004 2.555xy x0.001VV61.9161.913.1.4 图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，结果见上图，得理论塔板数 NT =15 块（不包括再沸器），精馏段 12 块，提馏段 3 块（不包括再沸器）3.2 塔板效率的求取操作温

10、度计算：xD 0.860由乙醇水的气液两相平衡图 【 1】可查得组成分别为 xF 0.115 的泡点温度：xW 0.0004塔顶温度： tD78.5进料板温度： t F85.5塔釜温度： tW99.5由乙醇水的气液两相平衡图可查得：塔顶： x A0.860塔顶和塔釜的气液两相组成为：yA0.860塔釜： xA0.0004yA0.002查化工物性算图手册得：顶1.0215.2底则塔内相对挥发度： m顶底1.0215.2 3.94全塔液体平均粘度的计算：液相平均粘度的计算，即 lgLmxi lg i塔顶液相平均粘度的计算由 tD 78.5 C，查手册 【 2】 得：A0.45mPa s B 0.3

11、6mPa slgLDm0.860 lg( 0.45) 0.140 lg( 0.36)解出LDm0.44mPa s塔底液相平均粘度的计算塔釜 yA0.042由 tW 99.5C ，查手册 【 3】得：A0.34mP s B 0.29mPa s 【 1】lgLWm 0.042 lg( 0.34) 0.958 lg( 0.29)解出 LWm 0.29mPa s则全塔液相平均粘度为Lm (0.44 0.29) 2 0.37mP s故 m Lm 3.94 0.37 1.46 mP s查奥康内尔（ oconnell）关联图 【 1】 得： E0 45%【 1】因为筛板塔全塔效率相对值为 1.1 ，故精馏塔

12、的全塔效率为E1.1 E0 1.1 45%50%3.3实际板层数的求取精馏段实际板层数N 精12/ 0.5024提馏段实际板层数N 提3 / 0.5064.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1 操作压力计算塔顶操作压力 PD 101.3 4 105.3 kpa每层塔板压降 P 0.7kPa进料板压力 PF 105.3 0.7 24 122.1 kpa精馏段平均压力 Pm （105.3 122.1）/ 2 113.7 kpa4.2 操作温度计算从乙醇 -水溶液的气液相平衡图 【1】查得泡点温度（近似看作是操作温度）为：塔顶温度 tD 78.5 C进料板温度 tF 85.5精馏段平均温度为：

13、 tm (78.5 85.5) / 2 824.3 平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算由 xDy1 0.860 ，查平衡曲线（ x-y 图），得x1 0.848M VDm0.86046.07(10.860)18.0242.14kg / kmolM LDm0.84846.07(10.848)18.0241.81kg / kmol进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（ x-y 图），得yF 0.415查平衡曲线（ x-y 图），得xF 0.105M VFm0.41546.07(10.430)18.0230.08kg/ kmolM LFm0.10546.07(10.115)18.0221.25kg

14、/ kmol精馏段平均摩尔质量MVm( 42.1430.08) 236.11kg / kmolM Lm(41.8121.25) 231.53kg / kmol4.4 平均密度的计算4.4.1 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即V mPm M Vm113.736.111.55 kg/ m3RTm8.314 (82273.15)4.4.2 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1 Lm ai i塔顶液相平均密度的计算由 tD78.5 C，查手册 【2】得A611.0kg / m3B 972.7kg / m3塔顶液相的质量分率aA0.86046.070.9400.86046.070.14

15、018.02LDm1624.9kg / m30.940 611.00.060 972.7进料板液相平均密度的计算由 tF85.5 ，查手册【2】得A505.0kg / m3B867.6kg / m3进料板液相的质量分率aA0.10546.070.2300.10546.070.89518.02LFm0.230 505.01773.2kg / m30.770 867.6精馏段液相平均密度为Lm(624.9 773.2) 2699.1kg / m34.5 液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即Lm xi i塔顶液相平均表面张力的计算由 tD78.5 C，查手册 【2】得A17.3mN /

16、 m B62.9mN / mLDm0.860 17.30.140 62.9 23.7mN / m进料板液相平均表面张力的计算由 tF85.5 ，查手册得A15.9mN / m B60.4mN / mLDm0.115 15.90.885 60.4 55.3mN / m精馏段液相平均表面张力为Lm (23.7 55.3) 2 39.5mN / m4.6 液体平均黏度计算液相平均粘度依下式计算，即lg Lm xi lg i塔顶液相平均粘度的计算由 tD 78.5 C，查手册 【 2】 得：A0.45mPa s B 0.36mPa slg LDm 0.860 lg( 0.45) 0.140 lg( 0

17、.36)解出 LDm 0.44mPa s进料板液相平均粘度的计算由 tF 85.5 ，查手册 【 3】 得：A0.45mP s B 0.36mPa s【1 】lg LFm 0.074lg( 0.45) 0.926 lg( 0.36)解出 LWm 0.37mPa s精馏段液相平均粘度为Lm (0.44 0.37) 2 0.41mPa s5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1 塔径的计算5.1.1 精馏段塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为VsVM Vm61.9136.110.40 m3/s3600Vm36001.55LsLM Lm47.1031.530.0006 m3/s3600Lm3600699.

18、1由 um ax CLVV0.2【 4】式中C由式CC 20L计算，式中C20 由图（史密斯关系图）查得，图的20横坐标为Ls LVs V120.0006 699.10.40 1.55120.032取板间距 H T0.40m ，板上液层高度 hL0.06m ，则H T hL 0.400.06 0.34m查图（史密斯关系图） 【4】 得 C20 0.0730.20.2CC20L0.073 39.50.0842020umax0.084699.1 1.551.78m / s1.55取安全系数为 0.7，则空塔气速为u 0.7umax0.71.78 1.25 m/s4Vs40.40D0.64 mu3.

19、14 1.255.1.2 提馏段塔径的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D 0.52 m比较精馏段与提馏段计算结果，两段的塔径相差不大，圆整塔径，取D 0.8m塔截面积为ATD23.14 0.820.50 m244实际空塔气速为Vs0.40u0.8 m/sAT0.505.2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为Z精 （N精1） H T ( 24 1) 0.4 9.2 m提馏段有效高度为Z提 （N提1） H T (6 1) 0.4 2m故精馏塔的有效高度为Z Z 精 Z提 9.2 2 11.2 m5.3 精馏塔的高度计算实际塔板数 n30块；进料板数 nF1块 ；由于该设计中板式塔的塔径D 800mm ，为安装、检修的需要， 选取每 6 层塔板设置一个人孔【 4】，故人孔数n p 5 ；进料板处板间距 H F0.5m ；设人孔处的板间距 H p0.6m ；【4】为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距 ，故选取塔顶间距H D 1.7H T 1.7 0.40 0.68m；塔底空间高度 H B 1.2m