课程设计-乙醇―水连续精馏塔筛板塔的设计CJP

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、设计基础数据常压下乙醇—水系统t—x—y数据如表1—6所示。表1—6乙醇—水系统t—x—y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99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41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σ——25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力，N／m；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σ1——温度为T1时的表面张力；N／m；σ2——温度为T2时的表面张力；N／m；TC——混合物的临界温度，TC＝∑xiTci，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*(αμl)-0.24558453210314.410348.100163.009604.09726.283364.67xxxxxσ2.11221TTTTCC＝σσ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=18.56kg/kmol2.3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F×XF=D×XD+W×XW联立总物料衡算和易挥发组分物料衡算解得：F=(11.2×103kg/h)/22.98mol/kg=487.38kmol/hW=357.24kmol/hD=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=98.75℃tM=（tD+tW）/2=88.63℃88.63℃时，乙醇和水的粘度分别为：0.440mPa·s和0.322mPa·s，该温度下进料液相平均粘度为：μM=0.1778×μ乙醇+（1-0.1778）×μ水=0.343mPa·s所以ET=0.49*(αμM)-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+14×0.6=113.7kpaPW=105.3+19×0.6=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：p0—在温度为T时的饱和蒸汽压，mmHg；T—温度，℃；A,B,C—Antoine常数，其值表1表1A,B,C—Antoine常数计算结果如下：塔顶温度3.1052221.0313.0108877.0133.01022821.166896681.765.2223.155404496.8tt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：℃89.17295.562.788t精m℃98.292101.0295.56t提m4.3平均摩尔质量Mm塔顶7788.01yxD3847.01x(由气液平衡曲线得)kmolkgMVDm/39.80618)8778.01(467788.0kmolkgMLDm/38.67518)3847.01(463847.0进料板7781.0Fy0187.0Fx同理得kmolkgMVFm/2.982；kmolkgMLFm/53.18塔底0201.0Wy00201.0Wx同理得kmolkgMVWm/56.81；kmolkgMLWm/65.18则精馏段和提馏段的平均摩尔质量分别为：kmolkgMVm/933.31298.2239.806(精）组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228kmolkgMLm/28.60253.81.67583(精）kmolkgMVm/.7702218.5622.98(提）kmolkgMLm/54.18256.1853.18(提）4.4平均密度ρm4.4.1液相密度ρLm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/℃2030405060708090100110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3乙乙/3.6173735802.7887357308090mkg3水水/69.9998.971802.7888.9713.9658090mkg依下式LB///1BLAALm（为质量分数）3/93.75199.96910.061.73390.01mkgLmDLmD同理求得进料板和塔底液相密度3/89.858mkgLmF；3/27.954mkgLmW故精馏段和提馏段的平均密度分别为3精）(/41.8052/）89.85893.751（mkgLm；3提）(/58.9062/）89.85827.954（mkgLm4.4.2精馏段和提馏段的气相密度ρmV3精精）(/263.1)15.27317.89(314.87368.345.109mkgRTPMmmV3(/919.0)15.27329.98(314.85163.2425.115mkgRTPMmmV提提）4.5液体表面张力σm25℃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σ——25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力，N／m；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σ1——温度为T1时的表面张力；N／m；σ2——温度为T2时的表面张力；N／m；TC——混合物的临界温度，TC＝∑xiTci，K；xi——组分i的摩尔分数；TCi——组分i的临界温度，K。25℃时，σ=m66.77N／mTC乙醇=516.2KTC水=647.3KσF=89.77N／m同理σD=91.92mN／mσW=89.70mN／m则精馏段和提馏段平均表面张力分别为mNm/m85.90292.9177.89精）(mNm/m74.89270.8977.89提）(4.6液体粘度μLm塔顶、进料板、塔底所对应的温度下水的粘度分别为samD434.0水samF982.0水samW082.0水塔顶、进料板、塔底所对应的温度下乙醇的粘度分别为samD894.0乙samF393.0乙samD483.0乙samLmD574.0434.0）8877.01（948.08877.0samLmF315.0982.01778.01393.01778.0）（samLmW812.0082.00201.01483.00201.0）（则精馏段和提馏段平均液相粘度分别为samLm386.02315.0574.0(精）samLm982.02281.0315.0(提）5气液负荷计算精馏段气液负荷计算如下：hkmolDRV/665.30282.114)1636.1()1(smVMVVmVmS/31.2263.13600737.34665.30236003((精）精），精hkmolRDL/84.18782.114636.1smLMLLmLmS/001922.041.80536006717.2984.18736003((