化工原理課程設計--分離乙醇-水混合物

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、概述…………………………………………………………………4</p><p>　　1.設計依據……………………………………………………………….4</p><p>　　2.技術來源……………………………………………………………….5</p><p>　　3.

2、設計任務及要求…………………………………………………….....5</p><p>　　二、計算過程……………………………………………………………5</p><p>　　1.塔型選擇……………………………………………………………….5</p><p>　　2.有關工藝的計算……………………………………………………….6</p><p>　　3

3、.操作壓力的確定………………………………………………………6</p><p>　　4.塔頂產品、釜殘液量的計算…………………………………………7</p><p>　　5.回流比的確定…………………………………………………………7</p><p>　　6.理論與實際塔板數的確定……………………………………………7</p><p>　　7.對精餾

4、塔主體數據的計算…………………………………………….9</p><p>　?。?）操作壓力的計算……………………………………………………8</p><p>　?。?）對于精餾段計算……………………………………………………9</p><p>　?。?）對于提留段其與精餾段有相同的計算方法得到提餾段的負荷..10</p><p>　?。?）精餾塔

5、有效高度的計算………………………………………….,10</p><p>　?。?）精餾塔塔徑的計算………………………………………………..11</p><p>　　8.塔板結構尺寸計算…………………………………………………..12</p><p>　?。?）精餾段塔板尺寸計算……………………………………………12</p><p>　?。?）提

6、餾段塔板尺寸計算……………………………………………13</p><p>　　（3）塔板布置計算……………………………………………………14</p><p>　　9.計算塔板負荷性能與塔板負荷性能圖……………………………..15</p><p>　?。?）精餾段塔板負荷性能的計算……………………………………15</p><p>　　（2）提餾段

7、塔板負荷性能的計算……………………………………17</p><p>　　（3）操作性能負荷圖…………………………………………………19</p><p>　　10.篩板的流體力學驗算………………………………………………20</p><p>　?。?）精餾段：塔板壓降計算…………………………………………20</p><p>　　（2）提餾段：塔板

8、壓降計算…………………………………………21</p><p>　?。?）液面落差…………………………………………………………22</p><p>　　（4）液沫夾帶（精餾段與提餾段計算）……………………………22</p><p>　?。?）漏夜驗算（精餾段與提餾段驗算）……………………………22</p><p>　?。?）液泛……………………

9、…………………………………………23</p><p>　　三、塔結構設計………………………………………………………..24</p><p>　　1.塔體結構……………………………………………………………...24</p><p>　?。?）塔頂空間…………………………………………………………24</p><p>　?。?）塔底空間………………

10、…………………………………………24</p><p>　?。?）入孔………………………………………………………………24</p><p>　?。?）塔高………………………………………………………………24</p><p>　　2.塔板結構……………………………………………………………...25</p><p>　　四、塔附件設計…………………

11、……………………………………..25</p><p>　　1.各接管尺寸的確定………………………………………………..…25</p><p>　?。?）進料管……………………………………………………………25</p><p>　?。?）釜殘液出料管……………………………………………………25</p><p>　?。?）回流液管……………………

12、……………………………………26</p><p>　　（4）塔頂上升蒸汽管…………………………………………………26</p><p>　?。?）水蒸氣進管口……………………………………………………26</p><p>　　五．篩板塔的工藝設計計算結果……………………………………..27</p><p>　　六、參考文獻………………………………

13、…………………………..29</p><p><b>　　一 、概述</b></p><p>　　乙醇-水是一種重要的工業(yè)原料 ,廣泛應用于化工、食品飲料工業(yè)、軍工、日用化工和醫(yī)藥衛(wèi)生等領域。將無水乙醇與汽油混合 (俗稱汽油醇 )可作為內燃機的燃料 ,隨著世界石油資源的減少 ,作為生物燃料的無水乙醇可能在今后的動力燃料中占一席之地。精餾是分離均相液體混合物的。<

14、/p><p>　　乙醇-水是工業(yè)上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色，無毒，污染性和腐蝕性小的液體混合物，長期以來，乙醇多以蒸餾法生產，但是乙醇-水體系有共沸現象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產量不好。在日常生活與生產中用的多為乙醇-水溶液。</p><p>　　塔設備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產過程中得到了廣泛的應用，所以我們必須要熟悉單元操作

15、設備的設計流程與注意事項。</p><p>　　1.設計依據： </p><p>　　根據設計任務書的要求以及教科書的設計實例進行分析，做出理論計算。本設計任務為分離乙醇-水混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精

16、餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷凝器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.3倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。</p><p><b>　　2.技術來源</b></p><p>　　精餾塔設計方法以嚴格的計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴格的計算法對于連

17、續(xù)精餾塔是最長采用的。</p><p><b>　　3.設計任務及要求</b></p><p>　　原料：乙醇~水溶液，處理量4000</p><p>　　乙醇含量： 20%，R/Rmin=1.3 </p><p><b>　　設計要求：</b></p><p><b&

18、gt;　　泡點進料；</b></p><p><b>　　總板效率為0.6</b></p><p>　　塔頂的乙醇含量不小于86%（摩爾分率）</p><p>　　塔低的乙醇含量不大于2%（摩爾分率）</p><p><b>　　二 、計算過程</b></p><p&

19、gt;<b>　　1.塔型選擇</b></p><p>　　根據生產任務，由于產品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產過程中的壓降和塔板液面落差的影響，提高生產效率，選用篩板塔。</p><p><b>　　2.有關工藝的計算</b></p><p><b>　　精餾塔全塔物料衡算</b><

20、/p><p>　　F：原料液的流量 （） ｘF：原料組成（摩爾分數，下同） 0.2</p><p>　　D：塔頂產品流量（） ｘD：塔頂組成 0.86</p><p>　　W：塔底殘液流量（） ｘW：塔底組成 0.02</p><p>　　原料液的平均摩爾質量:</p><p><b>　　進料量: </b

21、></p><p>　　物料衡算式： ， </p><p><b>　　聯立代入求解： ，</b></p><p>　　常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關系-表1</p><p><b>　　3.操作壓力的確定</b></p><p>　　操作壓力選用常壓：

22、其塔頂的壓力為1.01325pa，</p><p><b>　　其塔低的壓力為</b></p><p>　　4.塔頂產品、釜殘液量的計算</p><p>　　物料衡算式： ， </p><p>　　D=36.32 W=133.17</p><p><b>　　5.回流比的確定&

23、lt;/b></p><p><b>　　進料量: </b></p><p>　　物料衡算式： ， </p><p><b>　　聯立代入求解： ，</b></p><p>　　過點a（0.86，0.86）做平衡線的切線，如圖。</p><p><b>　

24、　讀出切點坐標為 </b></p><p>　　可取操作回流比：R/Rmin=1.3 </p><p>　　6.理論與實際塔板數的確定</p><p>　　由精餾段操作線方程：</p><p>　　由提餾段操作線方程：</p><p>　　由相平衡方程式可得：</p><p>

25、　　根據上表可知乙醇-水的相平衡數據：</p><p><b>　?。ㄋ數谝粔K板） </b></p><p><b>　?。恿习妫?lt;/b></p><p><b>　?。ㄋ?lt;/b></p><p>　　根據上面數據可得： </p><p>　

26、　精餾段平均相對揮發(fā)度：</p><p>　　提餾段平均相對揮發(fā)度：</p><p>　　由此利用逐板求解可得：表-2</p><p>　　塊（含塔釜） 其中進料板在第10塊理論版</p><p>　　實際塔板數：塊（含塔釜）</p><p>　　精餾段的塔板數為：塊 </p><p>　　提

27、餾段的塔板數為：塊</p><p>　　7.對精餾塔主體數據的計算：</p><p>　　（1）操作壓力的計算：</p><p>　　塔頂壓力： 每層壓降</p><p><b>　　進料板的壓力：</b></p><p><b>　　塔低壓力：</b></p>

28、<p><b>　　精餾段的平均壓力：</b></p><p><b>　　提餾段的平均壓力：</b></p><p>　　（2）對于精餾段計算</p><p><b>　　氣相密度公式為：</b></p><p>　　混合液相密度公式為：</p>

29、<p><b>　　液相平均溫度：℃</b></p><p>　　精餾段已知數據-表3</p><p><b>　　精餾段的氣相負荷：</b></p><p><b>　　液相負荷：</b></p><p><b>　　所以平均密度為：</b>&

30、lt;/p><p>　　精餾段的氣液相負荷-表4</p><p>　?。?）對于提留段其與精餾段有相同的計算方法得到提餾段的負荷。</p><p>　　提餾段的已知數據-表5</p><p>　　精餾段的氣液相負荷-表6</p><p>　?。?）精餾塔有效高度的計算：</p><p>　　板式塔的

31、有效高度是指安裝塔板部分的高度，取塔板間距，板上層液高度。</p><p><b>　　分離空間：</b></p><p><b>　　所以有效高度為：</b></p><p>　　（5）精餾塔塔徑的計算</p><p>　　汽塔的平均液相流量：</p><p>　　汽塔的平

32、均蒸汽流量：</p><p>　　汽塔的汽相平均密度：</p><p>　　汽塔的液相平均密度：</p><p><b>　　塔徑的公式為：</b></p><p>　　由于適宜的空塔氣速，所以應計算出最大允許氣速。</p><p>　　由于板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，取塔板間距，板上

33、層液高度。</p><p><b>　　分離空間：</b></p><p><b>　　功能參數：</b></p><p>　　從史密斯關聯圖查的：,由于,所以要先求出平均面張力，可以用計算。</p><p><b>　　查表可知：</b></p><p&g

34、t;　　乙醇液面的表面張力-表7</p><p>　　在精餾塔段的乙醇-水溶液的表面張力計算： </p><p>　　在提留塔段的乙醇-水溶液的表面張力計算：</p><p><b>　　所以： </b></p><p><b>　　所以： </b></p><p&g

35、t;　　根據塔徑系列的尺寸圓整為D=1000mm;</p><p><b>　　其面積為：</b></p><p>　　此時精餾段的上升蒸汽的速度為： </p><p>　　由此我們可以計算出提餾段的直徑：D=0.821m</p><p>　　為了方便制造可以取塔板直徑：D=1000mm</p><p

36、>　　此時提留段的上升蒸汽的速度為：</p><p>　　8.塔板結構尺寸計算</p><p>　?。?）精餾段塔板尺寸計算</p><p>　?、?由于塔徑D=1000mm，所以采用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。</p><p><b>　?、?堰長</b></p><p><b

37、>　　取堰長</b></p><p>　?、?采用平直堰高，堰高;取液流收縮系數E=1</p><p><b>　　取 。</b></p><p><b>　　用式 驗算復合。</b></p><p>　?、?弓形降液管高度及降液管面積：</p><p&

38、gt;<b>　　由于 查表可知</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　⑤ 驗算液體在降液管中的停留時間：</p><p>　?、?降液管低隙高度 取經驗值</p><p>　?。?）提餾段塔板尺寸計算</p><p><b>　?、?

39、堰長</b></p><p><b>　　取堰長</b></p><p>　?、?采用平直堰高，堰高;取液流收縮系數E=1</p><p><b>　　取 。</b></p><p><b>　　用式 驗算復合。</b></p><p&g

40、t;　　③ 弓形降液管高度及降液管面積：</p><p><b>　　由于 查表可知</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　?、?驗算液體在降液管中的停留時間：</p><p>　?、?降液管低隙高度取經驗值</p><p><b>　　

41、（3）塔板布置計算</b></p><p>　　邊緣區(qū)寬度確定： </p><p>　　開孔區(qū)面積的計算公式：</p><p>　　③ 篩孔計算及其排列</p><p>　　本系統(tǒng)無腐蝕，可選用碳鋼管，取篩孔直徑。</p><p>　　篩孔按正三角排列，取孔中心距</p><p>

42、<b>　　篩孔數目為</b></p><p><b>　　開孔率為</b></p><p>　　精餾段氣體通過篩孔的氣速為： </p><p>　　提餾段氣體通過篩孔的氣速為： </p><p>　　9.計算塔板負荷性能與塔板負荷性能圖</p><p><b>　

43、?。?）精餾段的計算</b></p><p><b>　?、?漏液線</b></p><p><b>　　整理可得：</b></p><p><b>　　液沫夾帶線</b></p><p><b>　　以，求關系：</b></p>

44、<p><b>　　由</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　　整理可得：</b></p><p><b>　　液體負荷上限線</b></p><p>　　以作為液體在降液管內停留時間的下限，由</

45、p><p><b>　　液體負荷下限線</b></p><p><b>　　取上層液高 </b></p><p><b>　　所以可得：</b></p><p><b>　　液泛線</b></p><p>　　液泛線方程為： 其中&

46、lt;/p><p>　　將上述有關數據代入式子中可得：</p><p>　　帶入液泛方程式中可得：</p><p><b>　　（2）提餾段的計算</b></p><p><b>　?、?漏液線</b></p><p><b>　　整理可得： </b><

47、;/p><p><b>　　② 液沫夾帶線</b></p><p><b>　　以，求關系：</b></p><p><b>　　由</b></p><p><b>　　所以： </b></p><p><b>　　整理可得：

48、 </b></p><p><b>　?、?液體負荷上限線</b></p><p>　　以作為液體在降液管內停留時間的下限，由</p><p><b>　?、?液體負荷下限線</b></p><p><b>　　取上層液高 </b></p><

49、p><b>　　所以可得：</b></p><p><b>　?、?液泛線</b></p><p>　　液泛線方程為： 其中</p><p>　　將上述有關數據代入式子中可得：</p><p>　　帶入液泛方程式中可得： </p><p>　?。?）操作性能負荷圖&l

50、t;/p><p>　　由以上各數據畫出精餾段篩板的負荷性能圖，</p><p>　　如圖，B直線為提餾段操作線，（1）為漏液線，（2）為泡沫夾帶線，（3）液相負荷下限線，（4）為液相負荷上限線，（5）為液泛線。</p><p>　　由圖可以看出，該篩板的操作線上限為液相負荷上限線，下限為漏液線。從圖中可以看出：， 故操作彈性:</p><p>

51、　　由以上各數據畫出提餾段篩板的負荷性能圖，</p><p>　　如圖，B直線為提餾段操作線，（1）為漏液線，（2）為泡沫夾帶線，（3）液相負荷下限線，（4）為液相負荷上限線，（5）為液泛線。</p><p>　　由圖可以看出，該篩板的操作線上限為液相負荷上限線，下限為漏液線。從圖中可以看出：，故操作彈性為：</p><p>　　10.篩板的流體力學驗算</p

52、><p>　?。?）精餾段：塔板壓降計算</p><p><b>　　干板阻力計算</b></p><p><b>　　干板阻力</b></p><p>　　由，查干篩孔的流量系數圖，得</p><p><b>　　故</b></p><

53、p>　　氣體通過液層的阻力計算</p><p>　　查充氣系數關聯圖得：。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　液體表面張力的阻力計算</p><p>　　液體表面張力所產生的阻力：</p><p>　　氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算： </p>

54、<p>　　氣體通過每層塔板的壓降為</p><p>　?。?）提餾段：塔板壓降計算</p><p><b>　　干板阻力計算</b></p><p><b>　　干板阻力</b></p><p>　　由，查干篩孔的流量系數圖，得</p><p><b>

55、;　　故</b></p><p>　　氣體通過液層的阻力計算</p><p>　　查充氣系數關聯圖得：。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　液體表面張力的阻力計算</p><p>　　液體表面張力所產生的阻力：</p><p>　　氣體

56、通過每層塔板的液柱高度可按下式計算： </p><p>　　氣體通過每層塔板的壓降為</p><p><b>　?。?）液面落差</b></p><p>　　對于篩板塔，液面落差很小，故可忽略液面落差的影響。</p><p>　?。?）液沫夾帶（精餾段與提餾段計算）</p><p><b&g

57、t;　　精餾段</b></p><p>　　液沫夾帶量公式：， </p><p>　　故故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內。</p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　液沫夾帶量公式：， </p><p>　　故故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內。</p&g

58、t;<p>　?。?）漏夜驗算（精餾段與提餾段驗算）</p><p>　　對篩板塔，漏液點氣速</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　，則</b></p><p><b>　　實際孔速</b></p><p&

59、gt;<b>　　穩(wěn)定系數為</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　實際孔速： </b></p><p><b>　　穩(wěn)定系數為</b></p><p>　　故在本設計中無明顯漏液。</p><

60、;p><b>　　（6）液泛</b></p><p><b>　　精餾段</b></p><p>　　為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層應服</p><p>　　乙醇-水物系屬易發(fā)泡物系，取則</p><p>　　而 </p><p><b>

61、;　　板上不設進口堰，則</b></p><p>　　故在本設計中不會發(fā)生液泛現象。</p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層應服</p><p>　　乙醇-水物系屬易發(fā)泡物系，取則</p><p>　　而 &

62、lt;/p><p><b>　　板上不設進口堰，則</b></p><p>　　故在本設計中不會發(fā)生液泛現象。</p><p><b>　　三、塔結構設計</b></p><p><b>　　1.塔體結構</b></p><p><b>　?。?）

63、塔頂空間</b></p><p>　　塔頂空間指塔內最上層踏板與塔頂間的距離，為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應該大于板間距，設計中常取塔頂間距為 。本設計取塔頂空間高度</p><p><b>　　（2）塔底空間</b></p><p>　　塔底空間指塔內最下層塔板到塔底間距。塔底液面至最下層塔板之間要留有1~2m的間距。本設

64、計去塔底空間高度</p><p><b>　　（3）入孔</b></p><p>　　已知實際塔板數為n=22塊，板間距，由于料液較清潔，無需經常清洗，可取每隔8塊塔板設計一人孔，則人孔的數目為3個，精餾段2個，提留段一個。取人孔兩板之間的間距</p><p><b>　?。?）塔高</b></p><

65、p>　　塔的高度可以由下式計算:</p><p>　　人孔兩板之間的間距，塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度，那么全塔高度：</p><p><b>　　2.塔板結構</b></p><p>　　塔板按結構特點，可分為整塊式和分塊式兩類塔板。</p><p>　　因為D=1000mm，故塔板采用分塊式。查表得，塔板

66、分為3塊</p><p><b>　　四、塔附件設計</b></p><p>　　1.各接管尺寸的確定</p><p><b>　?。?）進料管</b></p><p><b>　　進料體積流量</b></p><p>　　取適宜的輸送速度。故</

67、p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格：</p><p><b>　　實際管內流速：</b></p><p><b>　?。?）釜殘液出料管</b></p><p><b>　　釜殘液的體積流量：</b></p><p>　　取適

68、宜的輸送速度 ，則</p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格：</p><p><b>　　實際管內流速：</b></p><p><b>　?。?）回流液管</b></p><p><b>　　回流液體積流量 </b></p>&

69、lt;p>　　利用液體的重量進行回流，取適宜的回流速度 ，</p><p><b>　　那么</b></p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格：</p><p><b>　　實際管內流速：</b></p><p>　?。?）塔頂上升蒸汽管</p>

70、<p>　　塔內氣體可以用公式 計算，塔頂氣體密度</p><p>　　塔頂上升蒸汽的體積流量 </p><p>　　取適宜的速度 ，那么 </p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格：</p><p><b>　　管內實際流速 </b></p><p>

71、<b>　?。?）水蒸氣進管口</b></p><p>　　進塔氣體為水蒸氣，密度 </p><p>　　通入塔德水蒸氣體積流量 </p><p>　　取適宜速度 ，那么</p><p>　　經圓整選取熱軋無縫鋼管（GB8163-87），規(guī)格</p><p><b>　　管內實際流速&

72、lt;/b></p><p>　　五．篩板塔的工藝設計計算結果</p><p>　　有關該篩板塔的工藝設計計算結果匯總于表7</p><p>　　表7篩板塔工藝設計計算結果</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　王國勝主編，化工原理課程設計第二版，大連理工大學

73、出版社</p><p>　　柴誠敬，劉國維，李阿娜等，化工原理課程設計，天津科技技術出版社</p><p>　　陳敏恒，叢得滋，方圖南，齊鳴齋，化工原理（上、下）（第二版），化學工業(yè)出版社</p><p>　　錢自強，林大鈞，蔡一祥等，大學工程制圖，華東理工大學出版</p><p>　　石油化學工業(yè)規(guī)劃設計院.塔的工藝計算.北京：石油化學工業(yè)

74、出版社，1997</p><p>　　化工設備技術全書編輯委員會.化工設備全書—塔設備設計.上海：上?？茖W技術出版1988</p><p>　　上海醫(yī)藥設計院.化工工藝設計手冊(上、下).北京：化學工業(yè)出版社，1986</p><p>　　大連理工大學化工原理教研室.化工原理課程設計.大連：大連理工大學出版社，1994</p><p>　　西

75、安科技大學化工原理課程設計</p><p>　　論文題目：乙醇-水溶液分離的常壓篩板精餾塔設計 </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>