化工原理課程設計---乙醇—水溶液連續(xù)板式精餾塔設計

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　轉(zhuǎn)眼之間，我們已經(jīng)結束了大三的學習。在這三年的學習當中，我們系統(tǒng)的學習了化工原理，物理化學，無機化學，有機化學，分析化學，化工設備與機械基礎，機械制圖，化工熱力學等方面的知識，初步掌握了化學生產(chǎn)與化學設備之間的相互關系。在李志禮老師的指導下，我們開始了化工原理課程設計。實踐是檢驗真理的唯一標準，學習了那么多的理論知識以后，終于有

2、機會在現(xiàn)實過程中運用自己學習到的知識。在這次設計過程中，我們得到了老師學長學姐們很多的幫助，在此對他們表示衷心的感謝，由于我們所知識的有限和能力的不足，在設計過程中難免會遇到設計不合理，考慮不周全的地方，希望老師給予理解與指導，我們會更加努力，爭取做得更好。</p><p><b>　　設計者：</b></p><p><b>　　2011.7.6</

3、b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 設計題目與要求</p><p>　　1.1 設計題目………………………………………………………………………… </p><p>　　1.2 任務要求與數(shù)據(jù) …………………………………………………………… </p><

4、p>　　第二章 篩板式精餾塔的工藝設計與計算</p><p>　　2.1 塔板數(shù)的確定</p><p><b>　　2.2 塔徑的確定</b></p><p>　　第一章 設計題目與要求</p><p>　　1.1設計題目： 乙醇—水溶液連續(xù)板式精餾塔設計</p><p>　　1.2任務要

5、求與數(shù)據(jù)：</p><p>　　1、設計一連續(xù)精餾塔分離乙醇和水，具體工藝參數(shù)如下：</p><p>　?。?）原料乙醇含量：質(zhì)量分率40%</p><p>　?。?）年產(chǎn)量：30000t</p><p>　?。?）摩爾分率：xD=0.82；xW=0.02</p><p>　　2、工藝操作條件：常壓精餾，塔頂全凝，泡點

6、進料，泡點回流，R=（1.2~2）Rmin。</p><p><b>　　設備形式</b></p><p><b>　　篩板塔。</b></p><p><b>　　設計工作日</b></p><p>　　每年330天，每天24小時連續(xù)運行。</p><p&

7、gt;　　第二章 篩板式精餾塔的工藝設計與計算</p><p>　　2.1 塔板數(shù)的確定</p><p>　　2.1.1全塔物料衡算</p><p>　　原料液中：設 乙醇（A）; 水（B）</p><p>　　查附表得: MA =46.07 MB=18.02</p><p>　　由已知條件可知： =0.

8、4 =0.82 =0.02</p><p>　　年產(chǎn)量：30000t 每年330天，每天24小時連續(xù)運行</p><p>　　由 F = D + W</p><p><b>　　*F=*D+*W</b></p><p>　　得 F=194.4（kmol/h），</p><p>　　W

9、=102.6（kmol/h），</p><p>　　表2-1 不同溫度下乙醇—水的汽液平衡組成</p><p>　　由t-x(y)圖用內(nèi)插法可知: 塔頂溫度t= 78.3℃，塔底溫度t= 95.3℃</p><p><b>　　平均溫度</b></p><p>　　進料溫度：80.7℃</p><p

10、><b>　　相對揮發(fā)度的確定</b></p><p>　　當t=95.5℃時：</p><p><b>　　=10.58</b></p><p>　　當t=89.0℃時：</p><p>　　當t=86.7℃時：</p><p>　　當t=85.3℃時：</p&

11、gt;<p>　　當t=84.1℃時：</p><p><b>　　=5.20</b></p><p>　　當t=82.7℃時：</p><p>　　當t=82.3℃時：</p><p>　　當t=81.5℃時：</p><p>　　當t=80.7℃時：</p><

12、;p><b>　　=2.40</b></p><p>　　當t=79.8℃時：</p><p>　　當t=79.7℃時：</p><p>　　當t=79.3℃時：</p><p>　　當t=78.74℃時：</p><p>　　當t=78.41℃時：</p><p>

13、<b>　　=1.21</b></p><p><b>　　平均相對揮發(fā)度</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　泡點進料，泡點回流 =0.82 α=3.29</p><p><b>　　∴ </b></p&

14、gt;<p>　　回流比系數(shù)我們?nèi)≌壑兄?.6 </p><p>　　R=1.6Rmin=0.73</p><p>　　根據(jù)理論板數(shù)的捷算法有=0.156</p><p><b>　　由吉利蘭關聯(lián)圖</b></p><p><b>　　→得→N=10塊</b></p>&

15、lt;p><b>　　操作方程的確定</b></p><p>　　精餾段：=(R+1)D=(0.73+1)92.34=159.25（kmol/h），</p><p>　　=RD=0.73×92.34 =67.41（kmol/h），</p><p>　　提餾段：=V–(1-q)F =159.75kmol/h），</p>

16、<p>　　=L＋qF = 67.41+ 1×194.4=261.8（kmol/h），</p><p>　　則精餾段操作線方程： =0.422xn ＋0.474 </p><p>　　提餾段操作線方程：yn+1 = </p><p><b>　　全塔效率</b></p><

17、;p>　　塔頂溫度t= 78.3℃， 塔底溫度t= 95.3℃ ， 進料溫度：80.7℃</p><p><b>　　平均溫度</b></p><p>　　表3-1乙醇在不同溫度下的粘度[8] </p><p>　　表3-2水在不同溫度下的粘度[8] </p><p>　　由表用內(nèi)差法求86.8℃ 下的粘度：<

18、;/p><p>　　μA= 0.449mpas ，μB=0.332mpas</p><p>　?、賱t平均粘度μL= xF μA＋（1－xF）μB </p><p>　　=0.4*0.449+（1-0.4）*0.332=0.379mpas</p><p>　　αμL=3.29*0.379=1.246</p><p>

19、;<b>　?、谇笕蔈T</b></p><p>　　由αμL=1.246，由《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊》164頁圖10-20查得 </p><p><b>　　③求實際板數(shù)由</b></p><p>　　得N=21.5≈22塊</p><p>　　2.2精餾段物料衡算</p>&

20、lt;p><b>　　物料組成：</b></p><p>　　塔頂溫度t= 78.3℃， 塔底溫度t= 95.3℃ ， 進料溫度：80.7℃</p><p><b>　　平均溫度</b></p><p><b>　　查表2-1 得</b></p><p>　　(1)塔頂

21、 y= X= 0.82 α=3.29</p><p><b>　　x=0.58</b></p><p>　　進料 x=0.3965 y=0.6122</p><p><b>　　平均分子量 </b></p><p>　?。?）塔頂：=0.8246.07+(1-0.82)18.02

22、=41.54（）</p><p>　　=0.5846.07+(1-058)18.02=34.29（）</p><p>　　(2)進料: =0.612246.07+(1-0.6122)18.02=35.19（）</p><p>　　=0.396546.07+(1-0.3965)18.02=29.14（）</p><p>　　平均分子量==38.

23、37（）</p><p><b>　　==31.72（）</b></p><p>　　平均密度 由書：1/=a/+a/ </p><p>　　塔頂：在78.3℃下：=744.5() =972.96()</p><p>　　=0.82/744.5+0.18/972.96

24、 則=777.36()</p><p>　　進料:在進料溫度80.7℃下：</p><p>　　=741.5 () =971.4()</p><p><b>　　a = </b></p><p>　　= 則=813.01() </p><p>　　即精餾段的平均液相密=(77

25、7.36+813.01)/2=795.18() </p><p>　　平均氣相密度==()</p><p><b>　　液體表面張力 </b></p><p>　　塔頂: 查圖表求得在78.3℃下：（物化手冊）</p><p><b>　　()</b></p><p>　

26、　進料: 在80.7℃下：</p><p><b>　　()</b></p><p>　　則 =(+)/2=(26.00+44.78)/2=35.39()</p><p><b>　　氣液負荷的計算</b></p><p>　　由已知條件=159.75 =67.41 得 </p>

27、;<p><b>　　== ()</b></p><p><b>　　== ()</b></p><p><b>　　塔徑D的計算</b></p><p>　　兩相流動參數(shù)計算如下</p><p><b>　　= </b><

28、;/p><p><b>　　=</b></p><p>　　參考化工原理下表10-1(p129)，我們?nèi)“彘g距</p><p><b>　　H=0.45m </b></p><p><b>　　H-</b></p><p>　　參考化工原理下圖10-42篩

29、板的泛點關聯(lián)得：C=0.081</p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　u=</b></p><p>　　本物系不易起泡,取泛點百分率為85%，可求出設計氣速</p><p>　　=0.852.25=1.91)</p><p>　　根據(jù)塔設備系列

30、化規(guī)格，將圓整到D=1m 作為初選塔徑，因此重新校核流速u</p><p><b>　　實際泛點百分率為 </b></p><p><b>　　塔板詳細設計</b></p><p>　　由于=0.00075/s，D=1m，所以2.7（m3/h）<45(m3/h).根據(jù)《化工原理（下）》表10-2</p>

31、<p>　　選擇單溢流,弓形降液管，不設進口堰。</p><p>　　因為弓形降液管具有較大容積，又能充分利用塔面積，且單溢流液體流徑長，塔板效率高，結構簡單，廣泛用于直徑小于2.2米的塔中。</p><p><b>　　(1)溢流裝置</b></p><p>　　取堰長=0.7D=0.7×1=0.7m, 選擇平流溢流堰&

32、lt;/p><p>　　出口堰高 ,已取=0.06</p><p><b>　　=2.84×E</b></p><p>　　由=0.00075×3600/0.72.5=6.59</p><p>　　查化工原理下圖10-48得：E=1.020</p><p>　　=2.84×

33、;×1.020×(0.00092×3600/0.7)2/3=0.0082m</p><p>　　=0.06-0.0082=0.0518m</p><p>　　取0.06是符合的。</p><p>　　∴hL=hW+hOW=0.06+0.0082=0.0682m</p><p>　　修正后hL對un影響不大,故塔徑

34、計算不用修正.</p><p>　　(2) 降液管寬度Wd與降液管面積Af</p><p>　　由/D=0.7查化工原理下圖10-40得:</p><p>　　∴ =0.140×1=0.140m</p><p>　　(3) 降液管底隙高度hO</p><p>　　為了保證降液管底端有良好的液封。hO要小于h

35、.同時為了防止因安裝偏差而使液流不暢造成液泛，hO一般不宜小于20-25mm。而hO=，取液體通過降液管底隙速度=0.07m/s.</p><p>　　過小,取ho=0.04m</p><p>　　(4)塔板布置 取安定區(qū)寬度W=0.07m, 取邊緣區(qū)寬度W=0.05m，從圖10-40求出Wd=0.140D=0.140 m。</p><p>　　(5)篩板數(shù)與開孔

36、率 </p><p>　　按設計經(jīng)驗取塞班孔徑，因空心t與的比值過小會使氣流易相互干擾，過大則鼓泡不均勻，均會影響傳質(zhì)效率。故選擇推薦值內(nèi)的 = 呈正三角形排列</p><p>　　依下式計算塔板上的開孔率</p><p>　　=10.1% 則每層塔板上的開孔面積為：</p><p><b>　　==</b>

37、;</p><p>　　2.3篩板能校塔流體力學校核</p><p><b>　　板壓降的校核 </b></p><p>　　氣體通過篩板壓降相當?shù)囊褐叨龋篽p=hc+hl+hσ</p><p>　　(1)干板壓降相當?shù)囊褐叨?lt;/p><p>　　取板厚，,=10.1%</p>

38、<p>　　查化工原理下圖10-45得:</p><p><b>　　Co=0.74</b></p><p><b>　　m/s</b></p><p>　　hc=0.051=液柱</p><p>　　(2)氣體穿過板上液層壓降相當?shù)囊褐叨萮l</p><p>

39、;　　相應的氣體動能因子 (m·s-1·kg·m-3)1/2</p><p>　　查化工原理下圖10-46得：β=0.58</p><p><b>　　液柱</b></p><p>　　(3)克服液體表面張力壓降相當?shù)囊褐叨萮σ</p><p>　　∴ 板壓降 =0.1097+0.03

40、96+0.00363=0.1529m</p><p>　　本設計系常壓操作，對板壓降本身無特殊要求。</p><p>　　液沫夾帶量的校核 </p><p><b>　　Kg液/Kg氣</b></p><p>　　0.0314Kg液/Kg氣＜0.1Kg液/Kg氣</p><p>　　同樣得到

41、：液沫夾帶量不超過10%，故在設計負荷下不會發(fā)生過量液沫夾帶。</p><p><b>　　溢流液泛條件的校核</b></p><p>　　溢流管中的當量清液高度可由式 </p><p>　　計液體沿篩板流動時,阻力損失很小,其液面落差可忽略不計,即 。</p><p>　　已知: hL=0.0396, ，<

42、/p><p>　　故降液管內(nèi)的當量清液高度： </p><p>　　乙醇-水混合液不易起泡,取=0.6,則降液管內(nèi)泡沫層高度：</p><p>　　<0.5m不會產(chǎn)生溢流液泛。</p><p>　　液體在降液管內(nèi)停留時間的校核 </p><p>　　降液管內(nèi)的停留時間 >5s</p>

43、<p>　　不會產(chǎn)生嚴重的氣泡夾帶。</p><p><b>　　漏液點的校核 </b></p><p><b>　　漏液點的孔速為：</b></p><p>　　= </p><p>　　篩孔氣速= 26.84m/s</p><p>&l

44、t;b>　　塔板穩(wěn)定系數(shù) ></b></p><p>　　表明具有足夠的操作彈性。</p><p>　　根據(jù)以上各項流體力學驗算，可認為設計的塔徑及各工藝尺寸合適。 </p><p>　　2.4塔板負荷性能圖</p><p>　　注:以下計算常用得,E ~~經(jīng)驗計算,</p><p>　　取E=

45、1.0 則=2/3 </p><p><b>　　過量液沫夾帶線</b></p><p>　　依下式計算: =3.2 (2-1)</p><p><b>　　式中： ===</b></p><p><b>　　=(h+h)==</

46、b></p><p>　　令=0.1kg液/kg氣，由= 35.3910, H=0.45</p><p>　　代入式(2-1)得：0.1=()</p><p><b>　　整理得：</b></p><p>　　在操作范圍中，任取幾個值，根據(jù)上式算出值列于表2-3中：</p><p><

47、b>　　表2－3</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)在作出過量液沫夾帶線（1）(參見圖2-1)</p><p><b>　　溢流液泛線</b></p><p>　　由式 和 聯(lián)立求解。</p><p><b>　　(1) </b></p><p>　

48、　=（）（）=（） </p><p><b>　　=（）=</b></p><p><b>　　=（h+h）=</b></p><p>　　故 =++0.00409=++ 0.03409</p><p>　　(2)=0.153（）=（）= 則： </p>

49、;<p>　　++0.03409+0.0518+0.8462+195.2</p><p>　　整理得： =3.92-8.94L-3570.97L </p><p>　　取若干值依(2-18)式計算值，見表2-4，作出液泛線（3）</p><p><b>　　表2-4</b></p&

50、gt;<p><b>　　液相上限線</b></p><p>　　取液體在降液管中停留時間為5秒。</p><p>　　則 ===（）</p><p>　　在=處作出垂線得液相負荷上限線(4)，可知在圖上</p><p>　　它為與氣體流量 V無關的垂直線。</p><p&g

51、t;　　漏液線（氣相負荷下限線）</p><p>　　由 h=h+h=0.0518+0.8462，</p><p>　　u=代入下式求漏液點氣速式：</p><p>　　u=4.4C </p><p><b>　　=4.40.74</b></p><p>　　將=0.0488

52、 代入上式并整理得：</p><p>　　V=0.1365 </p><p>　　據(jù)上式，取若干個值計算相應值，見表2-5，作漏液線（2）</p><p><b>　　表2－5</b></p><p><b>　　液相下限線</b></p><p>　

53、　取平頂堰堰上液層高度=6，作為液相負荷下限條件，低于此下限,則不能保證板上液流分布均勻。 則</p><p>　　h=2.8410E（） </p><p>　　0.006=2.84101.0（）</p><p>　　整理得： </p><p>　　在圖上處作垂線（5）即為液相下限線。</

54、p><p><b>　　操作線</b></p><p>　　P點為操作點，其坐標為：</p><p>　　操作線過點P（0.00075,1.31）OP為操作線，OP與過量液沫夾帶線的交點對應氣相負荷為Vs,man,與液相負荷下限線(的交點對應氣相負荷為Vs,min.由圖可知：Vs,man,= ；Vs,min.= </p><p&