《化工原理课程设计》报告-乙醇水填料塔精馏装置设计

1《化工原理课程设计》报告乙醇~水填料塔精馏装置设计2目录1、设计依据/32、设计任务及要求/33、设计计算/43.1工艺物料计算/43.1.1原料液的组成/43.1.2最小回流比，操作回流比的计算/53.1.3塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算/73.1.4全凝器冷凝介质的消耗量/74、主体设备计算/84.1塔径的计算/84.1.1泛点气速的计算/84.1.2塔径的计算/94.2塔高的计算/94.2.1计算塔高/94.2.2填料塔压降/105、塔主要附属构件结构尺寸计算设计/115.1液体分布器/115.1.1计算喷淋密度/115.1.2设计计算/115.2导流板/115.3各接管尺寸的确定/115.3.1进料管/125.3.2釜残液出料管/125.3.3回流液管/125.3.4塔顶上升蒸汽管/135.3.5水蒸气进口管/136、主要辅助设备扬程/136.1进料泵/136.1.1泵的基本计算/136.1.2泵的选用/146.2再沸器/146.3冷凝器/1431、设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。2、设计任务及要求原料：乙醇~水混合溶液，日产量35吨乙醇含量：35%(质量分数)，原料液温度：25℃，压力：常压条件：泡点进料，刚鲍尔环填料，塔顶压强为5kPa（表压）加热蒸汽为压力0.17MPa（表压）的饱和水蒸气，冷却介质为25℃循环冷却水。设计要求：塔顶的乙醇含量不小于94.5%(质量分数)塔底的乙醇含量不大于0.25%(质量分数)表1乙醇~水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.04表2钢鲍尔环的结构特性参数公称直径/mm16253850个数/(1/3m)14300055900130006500堆积密度/（3mkg）216427365395孔隙率/％0.9280.9340.9450.949比表面积/(1m)239219129112.3填料因子/（1m）2992691531313、设计计算计算之前进行对物性数据的查询，部分物性数据列于表1、表2中，其它数据见参考资料与互联网上资源。3.1工艺物料计算3.1.1原料液组成由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。原料液的摩尔组成：1740.018654635463525252OHOHHCOHHCfnnnx同理可求得：8705.0Dx0010.0Wx原料液的平均摩尔质量：kmolkg.).(.)Mx(MxMOHfOHHCff32218174014617401252同理可求得：kmolkgMkmolkgMWD028.18374.42查表可得在25℃时，原料液中305.9972mkgOH，37.4785mkg乙醇5由此可查得原料液、塔顶和塔底混合物的沸点，列表3表3原料液、溜出液、釜液的流量和温度名称原料液溜出液釜残液x/％3594.50.25摩尔分数0.17400.87050.0010平均摩尔质量（kmolkg）22．342.37418.208沸点（℃）83.8378.183．1.2最小回流比、操作回流比的计算根据乙醇和水的两相平衡数据做汽液平衡图如下：由泡点进料，可知1740.0Fqxx，过点e（0.174，0.174）做一条直线X=0.174交6平衡线与点d，读取513.0qy，因此：055.1174.0513.0513.08705.01minqqedxyyxR但是，当回流比减小到某一数值时，精馏段操作线首先与平衡线相切于e点，此时即使无穷多块等效塔板也不能跨越切点，故该点回流比为最小回流比minR，又过点a（0.8705,0.8705）作平衡线的切线，切点为g，读得其坐标为7560.0'qx，7878.0'qy，因此：6.27560.07878.07878.08705.0'''minqqqdxyyxR而取4538.1minRRopt（minR22.1optR），操作线如下图：由此图作图可得填料塔等效塔板数为18块，精馏段15块，提馏段3块。精馏端操作线方程：71740.08.011xRxxRRyD提馏段操作线方程：000817.0817.1)1()1()1()1(xxFqDRDFxFqDRqFRDyW3.1.3塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算每天开车24小时计，进料量为：hkmolF4.653.222435000由全塔的物料衡算方程可得（设加热蒸汽量为0V，直接蒸汽加热）：qFRDqFLLWWxDxFxyVWDVFWDf000可知1,00qy，代入数据解得：hkmolVhkmolWhkmolD29.64832.116858.120且hkmolRDL432.51858.124hkmolDRV29.64)1(3.1.4全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：(1)()CVDLDQRDII可以查得1266/,253.9/VDLDIkJkgIkJkg，所以：hkJQC2757000)9.2531266(374.42858.12)14(取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃则平均温度下的比热4.174/pcckJkgCº，于是冷凝水用量可求：hkgttCQWpcCC66056)2535(174.42757000)(1284、主体设备计算4.1塔径的计算4.1.1泛点气速的计算计算泛点气速采用埃克特泛点气速关联图法，先求得横坐标：5.0)(LVVLGGX然后查埃克特泛点气速关联图得对应的纵坐标，有：2.022.02LLVLLVVgugGY根据纵坐标的计算式可以求出泛点气速u，再根据DVD4就可求出塔径。精馏段：冷凝器为全凝器，故可得：Dxxy01质量流速计算塔顶与进料口的算术平均值:hkgGV85.239829.6425.32374.42hkgGL16.1663432.5123.22374.42注：进料处的气相组成由乙醇-水的两相平衡数据表差得，再根据组成计算平均摩尔质量，计算方法与前面相同，故不列出。塔顶组成为Dxxy01，根据乙醇-水系统t-x-y数据，用差值法计算塔顶温度：2.7897.8505.8715.7805.8741.89tt解得塔顶温度℃18.78t，由此差得塔顶液相：3mkg973水，3，结合乙醇质量分数a=94.5％，有：3L1L100mkg5.674611水乙醇aa在进料口有3mkg5.0997水，3mkg4.7785乙醇，乙醇质量分数a=35％，有：3L2L200mkg911.511水乙醇aa9则3L9.82825.19115.6746mkg对于气相，根据nRTPV，有：塔顶3147.118.782732734.22374.42mkgV进料口32075..138.952732734.225.32mkgV3V273.12075.147.1mkg代入横坐标计算式有043.0)(5.0LVVLGGX从埃克特图上查得纵坐标Y=0.21。查得塔顶粘度：3655.0水，95.40乙醇，同样根据质量分数计算：0.48611L2L200水乙醇aa查得塔底粘度：8937.0水，982.0乙醇，用相同方法计算：932.011L1L100水乙醇aa704.02486.0932.0L由2.022.02LLVLLVVgugGY代入以上数据解得：smf32.21提馏段：提馏段与精馏段的计算方法一致，最后计算可得smf43.22。4.1.2塔径的计算对1fu、2fu安全系数取0.5-0.8，最终圆整可得u=1.2m/s。则有：mDVD75.02.114.336002733.922734.2229.64444、2塔高的计算4.2.1计算塔高10采用默奇等板高度经验公式：LLccGZDGcHETP31132取43001c，41.02c，11.13c。精馏段：)(6.5432422hmkgDGVGG由之前的计算有：704.0L，3L9.828mkg塔顶的相对挥发度11，进料口的相对挥发度9.4826.01740.0491.05090.02，则329.41根据HETPNZ有：LLccGHETPNDGcHETP3111)(32，代入数据解得：mmHETP3.430精馏段填料高度：mNHETPZ45.6153.43011提馏段：提馏段的计算方法与精馏段一致，最终计算得mmHETP360，提馏段的填料高度mNHETPZ08.1336021塔釜高度：取装填系数为0.5，则有塔釜的高度：mDZ5.1275.02那么有塔高mZZZH03.908.145.65.1321（不计入法兰和封头及群做的高度）。4.2.2计算填料塔压降已经求出气速smu/2.1，再次利用埃克特压降通用关系图得精馏段的056.02.02LLVguY，在图上查得)/(3621填料mOmmHZP；提馏段的1146.002.02LLVguY，在图上查到)/(2722填料mOmmHZP（注：PaOmmH80665.912）。所以可得精馏段的压降PaZZPP1.227790665.945.6361111，而提馏段的压降PaZZPP28690665.908.1272222。5、塔主要附属构件结构尺寸计算设计5.1液体分布器槽式液体分布器具有较大的操作弹性和好的抗污堵性，具有优良的分布性能，应用广泛，故选用槽式液体分布器。5．1.1喷淋密度的确定选用的钢鲍尔环的比表面积为2391m，查表4得没平方米喷淋点数为100表4比表面积（1m）125125300450700每2m喷淋点数100100806045-505.1.2设计计算根据流体力学孔流公式，重力分布器的排液量与小孔数目及管径存在关系：21)2()4(2ghdnCdQ采用的打孔方式为冲孔，则707.0Cd，小孔以上的液高度h=0.025m，由于设计的Q很小，故采用规定中的最小值2.5mm。塔的筒体中使用锥形液体再分布器。5．2导流板由于此设计中的流体流速很小，故不需要设计导流板。5.3各接管尺寸的确定125.3.1进料管进料管的体积流量smhmVsf3344.46.17.9573.224.65取适宜的输送速度smuf/0.2，可得：muVdsfif0168.021044.4444经圆整选取冷轧无缝钢管，规格mm325管内实际流速smuw/57.1019.01044.4424。5.3.2釜残液出料管釜残液的体积流量smhmVsw3300061.020.27.957028.18832.116取适宜的输送速度smuf/5.1，可得：muVdswiw0168.05.1101.6444