分离乙醇-水浮阀精馏

分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计1设计题目：分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计2原始数据及条件生产能力：年处理乙醇-水混合液14.0万吨（开工率300天/年）原料：乙醇含量为20%（质量百分比，下同）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%塔底乙醇含量不高于0.2%建厂地址：3.4.2塔板的工艺设计1精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量（kmol/s）xF：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（kmol/s）xD：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s）xW：塔底组成原料乙醇组成：25/4611.54%25/4675/18FX塔顶组成：90/4677.88%90/4610/18DX塔底组成：0.2/460.078%0.2/4699.8/18FX进料量：2145068.3/1.89710/0.1154460.884618FKmolhKmols物料衡算式：FDWFDWXXX联立代入求解：D=58.24kmol/h=0.0168kmol/s，W=10.06kmol/h=0.002794kmol/s2常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系在示例中对表格、图和公式未编号，在设计说明书中要求严格编号。表3-11乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系温度/℃液相气相温度/℃液相气相温度/℃液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99（1）温度利用表中数据由拉格朗日插值可求得tF、tD、tW①tF：96.78.386.79.6612.3811.549.66FttF=8.73℃②tD：78.1578.4178.1589.4574.7277.8889.43DttD=78.17℃③tW：10095.51000.0.0780WttW=99.82℃④精馏段平均温度：185.7378.1781.9522FDttt℃⑤提馏段平均温度：285.7399.8292.7822FDttt℃⑥精馏塔平均温度：78.1799.8288.9922wDttt℃（3）混合液体表面张力乙醇-水溶液表面张力可用下列各式计算公式：2525cxXcttt注：25为xt温度下质量分数为25%的乙醇水溶液的表面张力ciitxt①精馏段181.95t℃表3-13不同温度下的表面张力温度/℃81.9592.78乙醇表面张力/10-2N/m224.317.15水表面张力/10-2N/m26462.61.提馏段（4）混合物的粘度181.95t℃，查表得：0.3436mPas水，0.41mPas醇292.78t℃，查表得：'0.3070mPas水，'0.365mPas醇精馏段粘度：10.410.27760.343610.27760.3640mPas提馏段粘度：10.3650.27760.307010.27760.3094mPas（5）相对挥发度①精馏段挥发度：由，得，所以②提馏段挥发度：由，得，（2）密度已知：混合液密度：混合气密度：①精馏段：181.95t℃液相组成x1：182.181.581.9581.526.0532.7332.73xx1=27.76%气相组成y1：182.181.581.9581.555.8059.2659.26y，y1=56.67%所以______1460.27761810.277625.77/LMKgkmol______1460.56671810.566733.87/VMKgkmol②提馏段192.78t℃液相组成x2：295.589.092.7889.01.907.217.21x,x2=4.12%气相组成y2：295.589.092.7889.017.038.9138.91y,y2=26.17%所以______2460.04121810.041219.15/LMKgkmol______2460.26171810.261725.33/VMKgkmol表3-12不同温度下乙醇和水的密度温度/℃ρ乙ρ水温度/℃ρ乙ρ水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下的乙醇和水的密度181.95t℃，185.080.081.9580.0730735735，2733.05Kg/m乙85.080.081.9580.0968.6971.8971.8水，2970.55Kg/m水同理：192.78t℃，'2721.78Kg/m乙，'2963.38Kg/m水在精馏段：液相密度：10.277646/0.277646+181-0.27761-0.277646/0.277646+181-0.27761=+733.05970.55L所以2L1836.21Kg/m气相密度：1___012v10101.325106.825273.1533.87TPM21.194/22.4TP22.4273.1581.95101.325Kgm在提馏段：液相密度：20.041246/0.041246+181-0.04121-0.041246/0.041246+181-0.04121=+721.78963.38L所以2L2932.49Kg/m气相密度：2___022v20106.825109.825273.1525.33TPM20.9024/22.4TP22.4273.1592.78101.325Kgm（7）气液相体积流量计算根据x-y图得：取①精馏段：3310.0630.18/8.38310/LRDkmolhkmols(1)410.0640.24/0.01118/VRDkmolhkmols已知：_____125.77/LMkgkmol，_____133.87/VMkgkmol13836.21/Lkgm，131.194/Vkgm则有质量流量：_____1125.7730.18777.74/0.216/LLMLkghkgs_____1133.8740.241360.1/0.3778/LVVVkghkgs体积流量：1134310.93/2.5810/LSLLmhms113311139.1/0.3164/vSVVmhms②提馏段：因本设计1.121q'30.181.12168.3106.74/0.02965/LLqFkmolhkmols'(1)40.240.12168.348.5/0.01347/VVqFkmolhkmols已知：_____219.15/LMkgkmol，_____225.33/VMkgkmol23932.49/Lkgm，230.9024/Vkgm则有质量流量：_____'2219.15106.742044.071/0.5678/LLMLkghkgs_____'2225.3348.51228.5/0.3413/LVVVkghkgs体积流量：2234322.192/6.08910/LSLLmhms223321361.4/0.3782/vSVVmhms3理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。根据1.01325×105Pa下，乙醇—水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线，即x-y曲线图，q=1.121，即q为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切，如图（图略）：，操作回流比已知：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：在图上作操作线，由点（0.8814,0.8814）起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交点小于0.00078为止，由此得到理论板NT=26块（包括再沸器）加料板为第24块理论板。。4塔径的初步设计(1)精馏段由，，式中C可由史密斯关联图查出：横坐标数值：取板间距：，，则查图可知，横截面积：，空塔气速：(2)提馏段横坐标数值：取板间距：，，则查图可知，圆整：，横截面积：，空塔气速：5溢流装置(1)堰长取出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算近似取①精馏段②提馏段（2）弓形降液管的宽度和横截面查图得：验算降液管内停留时间：精馏段：提馏段：停留时间。故降液管可使用。(3)降液管底隙高度①精馏段取降液管底隙的流速，则②提馏段取，，取因为不小于20mm，故满足要求。6塔板布置及浮阀数目与排列（1）塔板分布本设计塔径，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。（2）浮阀数目与排列①精馏段取阀孔动能因子，则孔速每层塔板上浮阀数目为：取边缘区宽度，破沫区宽度计算塔板上的鼓泡区面积，即：其中所以浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距则排间距：考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用81mm，而应小些，故取，按，，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数288个。按重新核算孔速及阀孔动能因数阀孔动能因数变化不大，仍在9~13范围内塔板开孔率②提馏段取阀孔动能因子，则每层塔板上浮阀数目为：按，估算排间距，取，排得阀数为244块按块重新核算孔速及阀孔动能因数阀孔动能因数变化不大，仍在9~13范围内塔板开孔率浮阀数排列方式如图所示（图略）3.4.3塔板的流体力学计算1气相通过浮阀塔板的压降可根据计算(1)精馏段①干板阻力：因，故：②板上充气液层阻力取③液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为(2)提馏段①干板阻力：因，故：②板上充气液层阻力取③液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与单板的压降相当的液柱高度为2淹塔为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度（1）精馏段①单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度②液体通过液体降液管的压头损失③板上液层高度取，已选定则可见所以符合防止淹塔的要求。（2）提馏段①单板压降所相当的液柱高度②液体通过液体降液管的压头损失③板上液层高度取，则可见所以符合防止淹塔的要求。3物沫夹带（1）精馏段板上液体流经长度：板上液流面积：查物性系数，泛点负荷系数图对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，物沫夹带能够满足的要求。（2）提馏段取物性系数，泛点负荷系数图由计算可知，符合要求。4塔板负荷性能图（1）物沫夹带线据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算：①精馏段整理得：由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值算出②提馏段整理得：表3-14精馏段Ls(m3/s)0.0020.01Vs(m3/s)4.794.39提馏段L′s(m3/s)0.0020.01V′s(m3/s)5.835.33（2）液泛线由此确定液泛线，忽略式中而①精馏段整理得：②提馏段整理得：在操作范围内任取若干个值，算出相应得值：表3-15Ls1(m3/s)0.0010.0030.0040.007精馏段Vs1(m3/s)7.156