年产量3.8万吨乙醇-正丙醇精馏塔设计

课程设计说明书学院：生态与资源工程学院专业班级：2012级化学工程与工艺(1)班课程名称：化工原理课程设计题目：年产量3.8万吨乙醇-正丙醇精馏塔设计学生姓名：卢学号：20124121053指导老师：吴12015年6月目录1．设计任务.........................................................32．设计方案.........................................................33．精馏塔物料衡算...................................................53.1物料衡算....................................................53.2摩尔衡算...................................................64．塔体主要工艺尺寸.................................................64.1塔板数的确定................................................64.1.1塔板压力设计...........................................64.1.2塔板温度计算...........................................74.1.3物料相对挥发度计算.....................................84.1.4回流比计算.............................................84.1.5塔板物料衡算...........................................84.1.6实际塔板数的计算......................................104.1.7实际塔板数计算........................................104.2塔径计算...................................................104.2.1平均摩尔质量计算......................................104.2.2平均密度计算..........................................114.2.3液相表面力计算........................................124.2.4塔径计算..............................................12按标准塔径圆整后D=2.2m.........................................134.3塔截面积...................................................134.4精馏塔有效高度计算.........................................134.5精馏塔热量衡算.............................................134.5.1塔顶冷凝器的热量衡算..................................134.5.2全塔的热量衡算........................................155．板主要工艺尺寸计算..............................................185.1溢流装置计算...............................................1825.1.1堰长wl................................................185.1.2溢流堰高度Wh.........................................185.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af...........................185.1.4降液管底隙高度h0......................................185.2塔板布置...................................................185.2.1塔板的分块............................................185.2.2边缘宽度的确定........................................185.2.3开孔区面积的计算......................................185.3.4阀孔计算..............................................195.3阀孔的流体力学验算.........................................205.3.1塔板压降..............................................205.3.2液泛..................................................215.3.3液沫夹带..............................................225.3.4漏液..................................................246．设计筛板的主要结果汇总表........................................24附图...............................................................2531．设计任务物料组成：乙醇30%、正丙醇70%（摩尔分数）；产品组成:塔顶乙醇含量》99%，塔底釜液丙醇含量》99%；操作压力：101.325kPa(塔顶绝对压力)；加热体系：间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为5kgf/cm2（绝压）；冷凝体系：冷却水进口温度25℃，出口温度45℃；热量损失：设备热损失为加热蒸汽供热量的5％；料液定性：料液可视为理想物系；年产量（乙醇）：3.8万吨；工作日：每年工作日为300天，每天24小时连续运行；进料方式：饱和液体进料，q值为1；塔板类型:浮阀塔板。厂址选地：2．设计方案蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，本课程设计中年产量大（38000吨/年），所以采用连续蒸馏的方式。蒸馏过程根据操作压力的不同，可分为常压、减压和加压蒸馏。本设计中，由于物料乙醇、正丙醇都是易挥发有机物，所以常压操作，塔顶蒸汽压力为大气4压，全塔的压力降很小。由任务书给定，进料热状况为泡点进料，加热方式采用间接蒸气加热，设置再沸器。塔底设冷凝回流装置。工艺流程设计：原料液的走向考虑到蒸气压力对设备要求等各方面的影响，选用的蒸气压力为5kgf/cm2分配器产品贮罐再沸器釜液贮罐冷却器精馏塔原料预热器原料贮罐产品DL冷却器全凝器釜液WL冷凝水WC再沸器E-102低压蒸气LM5冷凝水的走向换热器物料走壳程，冷却水走管程3．精馏塔物料衡算3.1物料衡算已知数据：乙醇的摩尔质量MA=46.07kg/kmol,正丙醇摩尔质量MB=60.1kg/kmol冷却水CWR冷却器E-105冷却器E-104全凝器E-103冷却水CW6D=38000×1000×0.99÷（300×24×46.07×0.99）=114.29Kmol/hFXF=DXD+WXW（1）F=D+W（2）联立求出：F=332.08Kmol/hW=217.79Kmol/h3.2摩尔衡算原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量BFAFFMxMM1x=55.07kg/kmolBDADVDMMxMxM1=46.18kg/kmolBWAWWMxMxM1=59.74kg/kmol4．塔体主要工艺尺寸4.1塔板数的确定4.1.1塔板压力设计常压操作，即塔顶气相绝对压力p=110.925kPa预设塔板压力降：6.0kPa估计理论塔板数：18估计进料板位置：127塔底压力：Pw=101.325+0.6×18=112.125kPa进料板压力：进P101.325+0.6×12=108.525kPa精馏段平均压力：mP104.925kPa4.1.2塔板温度计算温度（露点）-气相组成关系式：AAAxppABBxpp1BABAppppXAaAxppy温度（露点）-气相组成关系式：0000BABAppppppy(1)温度-饱和蒸汽压关系式（安托因方程）：乙醇：918.230220.164833675.7lgtpA(2)丙醇：807.205940.151299991.6lgtpB(3)各层塔板压力计算公式：ABAAxpxpp1(4)塔顶：已知乙醇的气相组成y为产品组成0.9923，操作压力为常压，则通过联立（1）、（2）、(3)由计算机绘图可求得操作温度及组分饱和蒸汽压；塔底：已知乙醇组成0.01，通过联立（2）、（3）、(4)并由计算机绘图可得实际操作温度及组分饱和蒸汽压。结果如下：塔顶：PA=102.21875kPaPB=47.64263kPatD=78.4779℃8塔底：PA=222.41892kPaPB=110.42089kPatD=99.4145℃进料板：PA=162.15676kPaPB=78.55308kPatD=92.2008℃4.1.3物料相对挥发度计算BApp，根据上文求出的数据可得：塔顶：D2.1455塔底：W=2.01428进料板：F=2.06430平均相对挥发度：3FWD=2.4.1.4回流比计算最小回流比qqqDxyyxRmin(5)q线方程：采用饱和液体进料时q=1,故q线方程为：Xq=XF=0.3585(6)相平衡方程：qqqqqxxxxy075.11075.211(7)（6），（7）联立得：qx=0.3585qy=0.537代入式（5）可以求得：最小理论板数lg11lgminWWDDxxxxN=11.625（包括再沸器）最适回流比min0203.0min0917.0min3536.13748.0RNNRopt3.5924.1.5塔板物料衡算精馏段操作线方程：9DxRxRRy111，代入数据得：y=0.7822x+0.2161提馏段操作线WqFLxWxWqFLqFLyW，（RDL），代入数据得：y=1.4150x-0.0107相平衡方程:xxy074.11074.2用图解法求求理论板层数用图解法求求理论板层数N=21根据图像得出x1=0.99219xF=0.35569yF=0.5337104.1.6实际塔板数的计算4.1.6.1黏度（通过液体黏度共线图差得）乙醇、正丙醇黏度共线图坐标值物质XY乙醇10.513.8正丙醇9.116.5全塔平均温度为：89.1935℃物料在平均温度下的粘度，通过查表可得：乙醇：mPa/s0.380A正丙醇：smPaB/575.0全塔平均黏度计算公式:BFAFxxlg1lglg代入数据可得平均粘度4.1.6.2总塔板效率普特拉—博伊德公式：245.049.0E代入相关数据得：4.1.7实际塔