乙醇-水分离过程连续精馏塔(直接加热)的设计

《化工原理》课程设计乙醇-水分离过程连续精馏塔的设计3.乙醇-水分离过程连续精馏塔的设计(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20%（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0.3%；要求产品乙醇的年产量为2.1万吨/年。(二)操作条件1)塔顶压力常压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）(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)设计说明书的内容1.设计内容(1)流程和工艺条件的确定和说明(2)操作条件和基础数据(3)精馏塔的物料衡算；(4)塔板数的确定；(5)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；(6)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(7)塔板主要工艺尺寸的计算；(8)塔板的流体力学验算；(9)塔板负荷性能图；(10)主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）(11)塔板主要结构参数表(12)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（A3号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（A3号图纸）。目录1．设计方案的确定…………………………………………………………………12．操作条件和基础数据……………………………………………………………13．精馏塔的物料衡算………………………………………………………………13．1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率……………………………………13．2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量………………………………13．3物料衡算……………………………………………………………………24．塔板数的确定……………………………………………………………………24．1理论板层数NT的求取……………………………………………………24．1．1求最小回流比及操作回流比………………………………………24．1．2求精馏塔的气、液相负荷…………………………………………34．1．3求操作线方程………………………………………………………34．1．4图解法求理论板层数………………………………………………44．2塔板效率的求取……………………………………………………………44．3实际板层数的求取…………………………………………………………65．精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算……………………………………65．1操作压力计算………………………………………………………………65．2操作温度计算………………………………………………………………65．3平均摩尔质量的计算………………………………………………………65．4平均密度的计算……………………………………………………………75．4．1气相平均密度计算…………………………………………………75．4．2液相平均密度计算…………………………………………………75．5液体平均表面张力计算……………………………………………………85．6液体平均粘度计算…………………………………………………………86．精馏塔的塔体工艺尺寸计算……………………………………………………96．1塔径的计算…………………………………………………………………96．1．1精馏段塔径的计算…………………………………………………96．1．2提馏段塔径的计算…………………………………………………106．2精馏塔有效高度的计算……………………………………………………106．3精馏塔（板式塔）的高度计算……………………………………………107．塔板主要工艺尺寸的计算………………………………………………………117．1溢流装置计算………………………………………………………………117．1．1堰长lW………………………………………………………………117．1．2溢流堰高度hW……………………………………………………117．1．3弓形降液管宽度Wd和截面积Af……………………………………127．1．4降液管底隙高度ho…………………………………………………127．2塔板布置……………………………………………………………………137．2．1塔板的分块……………………………………………………………137．2．2边缘区宽度确定………………………………………………………137．2．3开孔区面积计算………………………………………………………137．2．4筛孔计算及其排列……………………………………………………138．筛板的流体力学验算……………………………………………………………138．1塔板降………………………………………………………………………148．1．1干板阻力hc计算……………………………………………………148．1．2气体通过液层的阻力hl计算…………………………………………148．1．3液体表面张力的阻力hσ计算………………………………………148．2液面落差……………………………………………………………………148．3液沫夹带……………………………………………………………………158．4漏液…………………………………………………………………………158．5液泛…………………………………………………………………………159．塔板负荷性能图…………………………………………………………………169．1漏液线………………………………………………………………………169．2液沫夹带线…………………………………………………………………169．3液相负荷下限线……………………………………………………………179．4液相负荷上线线……………………………………………………………179．5液泛线………………………………………………………………………1810．主要工艺接管尺寸的计算和选取……………………………………………2010．1蒸汽出口管的管径计算……………………………………………………2010．2回流液管的管径计算………………………………………………………2010．3进料液管的管径计算………………………………………………………2010．4釜液排出管的管径计算……………………………………………………2010．5人孔相关尺寸的选取………………………………………………………2111．塔板主要结构参数表……………………………………………………………2112．设计过程的评述及有关问题的讨论……………………………………………22参考文献……………………………………………………………………………251设计计算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1.1倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2．操作条件和基础数据进料中乙醇含量（质量分数）20.0Fw；产品中乙醇含量（质量分数）94.0Dw；塔釜中乙醇含量（质量分数）003.0Ww；处理能力年万吨/10FG；塔顶操作压力常压操作；进料热状况泡点进料；根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算如下。3．精馏塔的物料衡算3．1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量kmolkgMA/07.46水的摩尔质量kmolkgMB/02.18001.002.18/997.007.46/003.007.46/003.0860.002.18/06.007.46/94.007.46/94.0089.002.18/80.007.46/20.007.46/20.0WDFxxx3．2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量kmolkgMF/52.2002.18)089.01(07.46089.02kmolkgMkmolkgMWD/05.1802.18)001.01(07.46001.0/14.4202.18)860.01(07.46860.03．3物料衡算每年300天，每天工作24小时，其处理量为10万吨/年故原料液的处理量为hkmolF/85.67652.20)24300/(10101034总物料衡算WD85.676乙醇的物料衡算WD001.0860.0089.085.676联立解得hkmolD/34.69hkmolW/51.6074．塔板数的确定4．1理论板层数NT的求取4．1．1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）【1】，绘出平衡线，如图（a）所示，然后由a（0.860，0.860）点出发作平衡线的切线，由于是泡点进料，此切线与q线交于d点，d点坐标为（qqyx,）。表1乙醇-水平衡数据液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.400.6140.040.2730.500.6570.060.340.60.06980.080.3920.700.7550.100.430.800.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.200.5251.01.03因为089.0Fqxx，在图上读出336.0qy于是124.2089.0336.0336.0860.0minqqqDxyyxR取操作回流比为336.2124.21.11.1minRR4．1．2求精馏塔的气、液相负荷hkmolVVhkmolFLLhkmolDRVhkmolRDL/32.231/83.83885.67698.161/32.23134.69)1336.2()1(/98.16134.69336.2''4．1．3求操作线方程精馏段操作线方程为258.0700.0860.032.23134.6932.23198.161xxxVDxVLyD提馏段操作线方程为0026.0626.3001.032.23151.60732.23183.838'''''''xxxVWxVLyW44．1．4图解法求理论塔板数采用图解法求理论板层数，如图（b）所示。求解结果为：总理论塔板数)(20包括再沸器TN进料板位置第17块板4．2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001.0089.0860.0WFDxxx的泡点温度：CtCtCtWFD0.975.865.78塔釜温度：进料板温度：塔顶温度：由乙醇—水的气液两相平衡图可查得：5塔顶和塔釜的气液两相组成为：042.0001.0860.0860.0AAAAyxyx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C0.97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E因为筛板塔全塔效率相对值为1.