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）。目录1.设计方案简介……………………………………………………………………11.1设计方案的确定………………………………………………………………11.2操作条件和基础数据…………………………………………………………12.精馏塔的物料衡算…………………………………………………………………12.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率………………………………………12.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量…………………………………12.3物料衡算………………………………………………………………………23.塔板数的确定………………………………………………………………………23.1理论板层数NT的求取………………………………………………………23.1.1求最小回流比及操作回流比………………………………………23.1.2求精馏塔的气、液相负荷…………………………………………33.1.3求操作线方程………………………………………………………33.1.4图解法求理论板层数………………………………………………33.2塔板效率的求取……………………………………………………………43.3实际板层数的求取…………………………………………………………54.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算……………………………………54.1操作压力计算………………………………………………………………54.2操作温度计算………………………………………………………………54.3平均摩尔质量的计算………………………………………………………54.4平均密度的计算……………………………………………………………64.4.1气相平均密度计算…………………………………………………64.4.2液相平均密度计算…………………………………………………64.5液体平均表面张力计算……………………………………………………74.6液体平均黏度计算…………………………………………………………75.精馏塔的塔体工艺尺寸计算……………………………………………………85.1塔径的计算…………………………………………………………………85.1.1精馏段塔径的计算…………………………………………………85.1.2提馏段塔径的计算…………………………………………………95.2精馏塔有效高度的计算……………………………………………………95.3精馏塔的高度计算………………………………………………………106.塔板主要工艺尺寸的计算………………………………………………………106.1溢流装置计算……………………………………………………………106.1.1堰长lw……………………………………………………………106.1.2溢流堰高度hw…………………………………………………116.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af………………………………116.1.4降液管底隙高度ho………………………………………………116.2塔板布置…………………………………………………………………126.2.1塔板的分块………………………………………………………126.2.2边缘区宽度确定…………………………………………………126.2.3开孔区面积计算…………………………………………………126.2.4筛孔计算及其排列………………………………………………127.筛板的流体力学验算…………………………………………………………137.1塔板降……………………………………………………………………137.1.1干板阻力hc计算…………………………………………………137.1.2气体通过液层的阻力hl计算………………………………………137.1.3液体表面张力的阻力hσ计算………………………………………137.2液面落差…………………………………………………………………137.3液沫夹带…………………………………………………………………147.4漏液………………………………………………………………………147.5液泛………………………………………………………………………148.塔板负荷性能图…………………………………………………………………158.1漏液线……………………………………………………………………158.2液沫夹带线………………………………………………………………158.3液相负荷下限线…………………………………………………………168.4液相负荷上限线…………………………………………………………178.5液泛线……………………………………………………………………179.主要接管尺寸计算……………………………………………………………199.1蒸汽出口管的管径计算…………………………………………………199.2回流液管的管径计算……………………………………………………199.3进料液管的管径计算……………………………………………………199.4釜液排出管的管径计算…………………………………………………1910.塔板主要结构参数表…………………………………………………………2011.设计过程的评述和有关问题的讨论…………………………………………21参考文献……………………………………………………………………………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GF=17000吨/年；塔顶操作压力4kPa；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=46.07kg/kmol水的摩尔质量MB=18.02kg/kmolxF=02.18/75.007.46/25.007.46/25.0=0.115xD=02.18/06.007.46/94.007.46/94.0=0.860xW=02.18/999.007.46/001.007.46/001.0=0.00042.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=02.18)115.01(07.46115.021.25kg/kmolMD=02.18860.0107.46860.0）（42.14kg/kmolMW=02.18)001.01(07.46001.018.05kg/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=25.2124300/10170003）（111.11kmol/h总物料衡算111.11=D+W乙醇的物料衡算111.110.115=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—x—y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，该线与相平衡线的由a点引出的切线的交点坐标为yq=0.354，xq=0.115故最小回流比为Rmin115.0354.0354.086.012.2R=1.5Rmin=1.52.12=3.183.1.2求精馏塔的气、液相负荷L10.4781.1418.3RDkmol/hV91.6181.14)118.3()1(DRkmol/hL'21.15811.11110.47FLkmol/hV'91.61Vkmol/h3.1.3求操作线方程精馏段操作线方程为y206.0761.0860.091.6181.1491.6110.47xxxVDxVLD提馏段操作线方程为y'001.0555.20004.091.6130.9691.6121.158''''''xxxVWxVLW3.1.4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度计算：由乙醇—水的气液两相平衡图【1】可查得组成分别为0004.0115.0860.0WFDxxx的泡点温度：℃塔釜温度：℃进料板温度：℃塔顶温度：5.99t5.85t5.78tWFD由乙醇—水的气液两相平衡图可查得：塔顶和塔釜的气液两相组成为：002.00004.0860.0860.0AAAAyxyx塔釜：塔顶：查化工物性算图手册得：2.1502.1底顶则塔内相对挥发度：94.32.1502.1底顶m全塔液体平均粘度的计算：液相平均粘度的计算，即iiLmxlglg塔顶液相平均粘度的计算由C5.78Dt，查手册【2】得：smPaA45.0smPaB36.0)36.0lg(140.0)45.0lg(860.0lgLDm解出smPaLDm44.0塔底液相平均粘度的计算042.0Ay塔釜由C5.99Wt，查手册【3】得：smPA34.0smPaB29.0【1】)29.0lg(958.0)34.0lg(042.0lgLWm解出smPaLWm29.0则全塔液相平均粘度为smPLm37.02)29.044.0(故smPLmm46.137.094.3查奥康内尔（o'connell）关联图【1】得：%450