乙醇水連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì).doc

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- 1 - 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 武 漢 工 程 大 學(xué) - 2 - 化工與制藥學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 課題名稱 乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 精細(xì)化工 3 班 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 課題工作時(shí)間 2015.12.14——2015.12.28 武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院 - 1 - 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 一、 課程設(shè)計(jì)題目 乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì) 二、 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1．設(shè)計(jì)方案的確定 2．帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的確定 3．操作條件的選擇（包括操作壓強(qiáng)、進(jìn)料狀態(tài)、回流比等） 4．塔的工藝計(jì)算 （1） 全塔物料衡算 （2） 最佳回流比的確定 （3） 理論板及實(shí)際板的確定 （4） 塔徑的計(jì)算 （5） 降液管及溢流堰尺寸的確定 （6） 浮閥數(shù)及排列方式（篩板孔徑及排列方式）的確定 （7） 塔板流動(dòng)性能的校核 （8） 塔板負(fù)荷性能圖的繪制 （9） 塔板設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 5．輔助設(shè)備工藝計(jì)算 （1）換熱器的面積計(jì)算及選型 （2）各種接管管徑的計(jì)算及選型 （3）泵的揚(yáng)程計(jì)算及選型 6．塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：（包括塔盤(pán)、裙座、進(jìn)出口料管） 三、 課程設(shè)計(jì)的要求 1、 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份 2、 工藝流程圖一張 3、 主體設(shè)備詳細(xì)條件圖一張 - 2 - 四、 課程設(shè)計(jì)所需的主要技術(shù)參數(shù) 原料： 乙醇-水溶液 原料溫度： 30℃ 處理量： 1.5 萬(wàn)噸 /年 ， 原料組成（乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：45%， 產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：92%, 塔頂產(chǎn)品中乙醇的回收率：99% 生產(chǎn)時(shí)間： 300 天（7200h） 冷卻水進(jìn)口溫度：30℃ 加熱介質(zhì)： 0.6MPa(表壓)飽和水蒸汽 五、 課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度安排 1、 查找資料，初步確定設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)內(nèi)容，1-2 天 2、 根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)初稿，2-3 天 3、 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，總裝圖，答辯，4-5 天 六、 課程設(shè)計(jì)考核方式與評(píng)分方法 指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、繪圖質(zhì)量及答辯情況評(píng)定 成績(jī)，采用百分制。 其中： 平時(shí)表現(xiàn) 20% 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 40% 繪圖質(zhì)量 20% 答辯 20% 指導(dǎo)教師： 課程負(fù)責(zé)人： 2015 年 12 月 10 日 - 3 - 目 錄 摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5 - ABSTRACT -------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 - 第一章 前言 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 - 第二章 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 -------------------------------------------------------------------------------------- 7 - 2.1 操作條件的確定 -------------------------------------------------------------------------------------- 7 - 2.1.1 裝置流程的確定 -------------------------------------------------------------------------------- 7 - 2.1.2 操作壓力 ----------------------------------------------------------------------------------------- 7 - 2.1.3 進(jìn)料狀態(tài) ----------------------------------------------------------------------------------------- 8 - 2.1.4 加熱方式 ----------------------------------------------------------------------------------------- 8 - 2.1.5 冷卻劑與出口溫度 ----------------------------------------------------------------------------- 8 - 2.1.6 回流比的選擇 ----------------------------------------------------------------------------------- 8 - 2.1.7 熱能的利用 -------------------------------------------------------------------------------------- 9 - 2.2 確定設(shè)計(jì)方案的原則 -------------------------------------------------------------------------------- 9 - 第三章 精餾塔的工藝計(jì)算 ------------------------------------------------------------------------------ 10 - 3.1 精餾塔的物料衡算 --------------------------------------------------------------------------------- 10 - 3.2 塔板數(shù)的確定 --------------------------------------------------------------------------------------- 11 - 3.2.1 相對(duì)揮發(fā)度 ------------------------------------------------------------------------------------- 11 - 3.2.2 最小回流比及操作回流比計(jì)算 ------------------------------------------------------------- 11 - 3.2.3 圖解法求理論塔板數(shù) ------------------------------------------------------------------------- 15 - 3.3 精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 --------------------------------------------------------------------- 16 - 3.3.1 操作溫度計(jì)算 ---------------------------------------------------------------------------------- 16 - 3.3.2 液體平均黏度和實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算 --------------------------------------------------------- 16 - 3.3.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 ---------------------------------------------------------------------------- 19 - 3.3.4 液體平均表面張力計(jì)算 ----------------------------------------------------------------------- 20- 3.4 精餾塔的塔體工藝尺寸設(shè)計(jì) --------------------------------------------------------------------- 22 - 3.4.1 塔徑的計(jì)算 ------------------------------------------------------------------------------------- 22 - 3.4.2 精餾塔有效高度的計(jì)算 ---------------------------------------------------------------------- 25 - 3.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 ------------------------------------------------------------------------ 25 - 3.5.1 溢流裝置計(jì)算 ---------------------------------------------------------------------------------- 25 - 3.5.1.1 堰長(zhǎng) ----------------------------------------------------------------------------------------- 25 - 3.5.1.2 溢流堰高度 -------------------------------------------------------------------------------- 25 - 3.5.1.3 弓形降液管寬度和截面積 -------------------------------------------------------------- 26 - 3.5.1.4 降液管底隙高度 -------------------------------------------------------------------------- 27 - 3.5.1.5 塔板的分塊 -------------------------------------------------------------------------------- 27 - 3.5.2 塔板布置 --------------------------------------------------------------------------------------- 28 - 3.5.2.1 浮閥數(shù)目及排列 -------------------------------------------------------------------------- 28 - 第四章 塔板的流體力學(xué)性能驗(yàn)算 --------------------------------------------------------------------- 30 - 4.1 氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降 ------------------------------------------------------------------------ 30 - 4.1.1 精餾段 ------------------------------------------------------------------------------------------- 30 - 4.1.2 提餾段 ------------------------------------------------------------------------------------------- 31 - 4.2 淹塔（降液管液泛）及嚴(yán)重漏液 --------------------------------------------------------------- 31 - 4.2.1 精餾段 ------------------------------------------------------------------------------------------- 31 - - 4 - 4.2.2 提餾段 ------------------------------------------------------------------------------------------- 32 - 4.3 霧沫夾帶 --------------------------------------------------------------------------------------------- 32 - 4.3.1 精餾段 ------------------------------------------------------------------------------------------- 33 - 4.3.2 提餾段 ------------------------------------------------------------------------------------------- 33 - 4.4 塔板負(fù)荷性能圖 ------------------------------------------------------------------------------------ 34 - 4.4.1 霧沫夾帶線 ------------------------------------------------------------------------------------- 34 - 4.4.2 液泛線 ------------------------------------------------------------------------------------------- 35 - 4.4.3 液相負(fù)荷上限線 ------------------------------------------------------------------------------- 35 - 4.4.4 漏液線 ------------------------------------------------------------------------------------------- 36 - 4.4.5 液相負(fù)荷下限線 ------------------------------------------------------------------------------- 36 - 第五章 接管尺寸的確定 --------------------------------------------------------------------------------- 37 - 5.1 進(jìn)料管 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 37 - 5.2 釜?dú)堃撼隽瞎?--------------------------------------------------------------------------------------- 38 - 5.3 回流液管 --------------------------------------------------------------------------------------------- 38 - 5.4 塔頂上升蒸汽管 ------------------------------------------------------------------------------------ 39 - 5.5 水蒸汽進(jìn)口管 --------------------------------------------------------------------------------------- 39 - 第六章 精餾塔高度的確定 ------------------------------------------------------------------------------ 40 - 6.1 塔的頂部空間高度 --------------------------------------------------------------------------------- 40 - 6.2 塔的底部空間高度 --------------------------------------------------------------------------------- 40 - 6.3 進(jìn)料板空間高度 ------------------------------------------------------------------------------------ 40 - 6.4 塔總體高度 ------------------------------------------------------------------------------------------ 41 - 第七章 塔的附屬設(shè)備 ------------------------------------------------------------------------------------ 41 - 7.1 預(yù)熱器 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 41 - 7.2 冷凝器 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 42 - 7.3 再沸器 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 43 - 7.4 離心泵選型 ------------------------------------------------------------------------------------------ 44 - 第八章 塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ------------------------------------------------------------------------------ 44 - 8.1 法蘭 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 - 8.2 筒體 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 - 8.3 封頭 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 - 8.4 裙座 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 - 8.5 吊柱設(shè)計(jì) --------------------------------------------------------------------------------------------- 46 - 8.6 人孔 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 46 - 第九章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 ------------------------------------------------------------------------------------ 46 - 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)結(jié)果 ----------------------------------------------------------------------------------- 46 - 主要符號(hào)說(shuō)明 -------------------------------------------------------------------------------------------- 48 - 設(shè)計(jì)小結(jié) ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 49 - 附錄 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 50 - 參考文獻(xiàn) ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 50 - - 5 - 摘要 本文設(shè)計(jì)一座連續(xù)浮閥塔。通過(guò)對(duì)原料，產(chǎn)品的要求和物性參數(shù)的確定 及對(duì)主要尺寸的計(jì)算，工藝設(shè)計(jì)和附屬設(shè)備結(jié)果造型設(shè)計(jì)，完成對(duì)乙醇-水 精餾工藝流程和主題設(shè)備設(shè)計(jì)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定操作條件。比如， 操作壓力的確定、進(jìn)料狀態(tài)等得確定。然后設(shè)計(jì)工藝流程草圖。根據(jù)確定的 方案，確定具體的參數(shù)，即一個(gè)完整的設(shè)計(jì)就初步的確定了。然后計(jì)算塔的 工藝尺寸、浮閥的流體力學(xué)驗(yàn)算、塔板的負(fù)荷性能，最后根據(jù)計(jì)算選擇合適 的輔助設(shè)備。 關(guān)鍵詞：精餾塔；浮閥塔；精餾塔附屬設(shè)備 Abstract This paper designs a continuous valve tower. Through the raw material, product requirements and determine the physical parameters and the calculation of the main dimensions, process design and results of ancillary equipment design, completion of ethanol - water distillation process and equipment design theme. First, according to the design task, determine the operating conditions. For example, to determine the operating pressure, feed status was determined. Then the design process sketch. According to the determined program to determine the specific parameters, i.e. the design of a complete preliminary determined. Then calculate the size of the tower technology, the float valve hydrodynamic checking, tray load performance, and finally choose the right according to the calculation auxiliary equipment. Keywords: rectification column, valve tower, accessory equipment of the rectification column - 6 - 第一章 前 言 乙醇在工業(yè)，醫(yī)藥，民用等方面，都有很廣泛的應(yīng)用，是一種很重要的原 料。在很多方面，要求乙醇有不同的純度，有時(shí)要求純度很高，甚至是無(wú)水乙 醇，這是很有困難的，因?yàn)橐掖紭O具揮發(fā)性，所以，想得到高純度的乙醇很困 難。 要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾的方法，因?yàn)橐?醇和水的揮發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)分離過(guò)程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和 部分冷凝的過(guò)程，因此可使混合液得到幾乎完全的分離。化工廠中精餾操作是 在直立圓形的精餾塔內(nèi)進(jìn)行，塔內(nèi)裝有若干層塔板和充填一定高度的填料。為 實(shí)現(xiàn)精餾分離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引入 下降液?？芍?，單有精餾塔還不能完成精餾操作，還必須有塔底再沸器和塔頂 冷凝器，有時(shí)還要配原料液預(yù)熱器，回流液泵等附屬設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。 浮閥塔與 20 世紀(jì) 50 年代初期在工業(yè)上開(kāi)始推廣使用，由于它兼有泡罩塔 和篩板塔的優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的塔形，特別是在石油，化學(xué)工業(yè)中 使用最普遍。浮閥有很多種形式，但最常用的是 F1 型和 V-4 型。F1 型浮閥的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，節(jié)省材料，性能良好，廣泛應(yīng)用在化工及煉油生產(chǎn)中， 現(xiàn)已列入部頒標(biāo)準(zhǔn)（JB168-68）內(nèi)，F(xiàn)1 型浮閥又分輕閥和重閥兩種，但一般情 況下都采用重閥，只有處理量大且要求壓強(qiáng)降很低的系統(tǒng)中，采用輕閥。浮閥 塔具有下列優(yōu)點(diǎn)：1，生產(chǎn)能力大。2，操作彈性大。3，塔板效率高。4，氣體 壓強(qiáng)降及液面落差較小。5，塔的造價(jià)低。浮閥塔不宜處理宜結(jié)焦或黏度大的系 統(tǒng)，但對(duì)于黏度稍大及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)，浮閥塔也能正常操作。 - 7 - 第二章 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 2.1 操作條件的確定 確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些 操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔 頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測(cè)量控制儀表的設(shè)置 等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，對(duì)某些問(wèn)題作些闡述。 2.1.1 裝置流程的確定 蒸餾裝置包括精餾塔，原料預(yù)熱器，蒸餾釜(再沸器)，冷凝器，釜液冷卻 器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備，蒸餾過(guò)程按操作方式的不同，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸 餾兩種流程，連續(xù)蒸餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)中已 連續(xù)蒸餾為主。間歇蒸餾具有操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于小規(guī)模，多 品種或多組分物系的初步分離。總之，確定流程時(shí)要較全面，合理的兼顧設(shè)備， 操作費(fèi)用，操作控制及安全諸因素。 2.1.2 操作壓力 蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù) 所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如， 采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將 導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài) 的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無(wú)特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣 壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟?力。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí) 的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗 - 8 - 2.1.3 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際 的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中， 這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在 泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。 2.1.4 加熱方式 精餾段通常設(shè)置再沸器，采用間接蒸汽加熱，以提供足夠的熱量。若待分 離的物系為某種組分和水的混合物，往往可以采用直接蒸汽加熱的方式。但當(dāng) 在塔頂輕組分回收率一定時(shí)，由于蒸汽冷凝水的稀釋作用，可使得釜?dú)堃褐械?輕組分濃度降低，所需的理論塔板數(shù)略有增加，且物系在操作溫度下黏度不大 有利于間接蒸汽加熱。因此，本設(shè)計(jì)選用間接蒸汽加熱的方式提供熱量。 2.1.5 冷卻劑與出口溫度 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽 水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度 由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計(jì)者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消 耗可以減少，但同時(shí)溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由 當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過(guò) 50℃ ，否則溶于水中的無(wú)機(jī)鹽將析出，生成 水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。 2.1.6 回流比的選擇 回流比是精餾操作中的重要工藝條件，其選擇的原則是使設(shè)備費(fèi)用和操作 費(fèi)用之和最低。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的回流比，也可參考同類生 產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)值，必要時(shí)可迭用若干個(gè) R 值，利用吉利蘭圖求出對(duì)應(yīng)的理論板數(shù) N, 作出 N---R 曲線及總經(jīng)費(fèi)與回流比 R 的關(guān)系圖，從中找出適宜的回流比 R。 本次設(shè)計(jì)任務(wù)是分離乙醇----水混合物，對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連 續(xù)精餾流程，設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精 餾塔內(nèi)，塔頂上的蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)， - 9 - 其余部分經(jīng)塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐，該物系屬于易分離物系，最小回 流比較小。 2.1.7 熱能的利用 精餾過(guò)程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過(guò)程，耗能較多，如何節(jié)約和合理 地利用精餾過(guò)程本身的熱能是十分重要的。 選取適宜的回流比，使過(guò)程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降至最低。與 此同時(shí)，合理利用精餾過(guò)程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。 此外，通過(guò)蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中 間再沸器和中間冷凝器的流程 [1]，可以提高精餾塔的熱力學(xué)效率。因?yàn)樵O(shè)置中 間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂 高的熱量。 2.2 確定設(shè)計(jì)方案的原則 確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成 就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、 低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)： (1) 滿足工藝和操作的要求 (2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 (3) 保證安全生產(chǎn) 以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第 一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只 要求作一般的考慮。 - 10 - 第三章 精餾塔的工藝計(jì)算 3.1 精餾塔的物料衡算 原料液中： 設(shè) A 組分——乙醇；B 組分——水 乙醇的摩爾質(zhì)量： 46/AMkgmol? 水的摩爾質(zhì)量： 18B 查閱文獻(xiàn)，整理相關(guān)的物性數(shù)據(jù) 水和乙醇的物理性質(zhì) 名稱 分子式 相對(duì)分子 質(zhì)量 密度 20℃ 3/kgm 沸 點(diǎn) 101.33kPa ℃ 比熱容 (20℃) Kg/(kg. ℃) 黏度 (20℃ ) mPa.s 導(dǎo)熱系 數(shù) (20℃)? /(m. ℃) 表面 張力 ????? (20℃ ) N/m 水 2HO18.02 998 100 4.183 1.005 0.599 72.8 乙醇 25C46.07 789 78.3 2.39 1.15 0.172 22.8 原料液： 1 0.45/60.24.(1)8FABwMx?????? 塔頂： 192/.DABwM? 原料液平均摩爾質(zhì)量： (-)0.46(10.24)8.75/FAFx kgmol????????-)6(102)84.96/DADBxMkgol????同 理 可 得 ： 塔 頂 物料衡算 已知：F= 1.5084.1247??/kmolh 總物料衡算 F=D+W 易揮發(fā)組分物料衡算 DxD+WxW=FxF 回收率 9.0?FDBx? - 11 - 聯(lián)立以上二式得：D=24.39kg/kmol W=59.79kg/kmol， wx=0.0034kg/kmol 3.2 塔板數(shù)的確定 3.2.1 相對(duì)揮發(fā)度 查表得乙醇和水的汽液平衡數(shù)據(jù)（101.3KPa 即 760mmHg） 液相摩爾 分?jǐn)?shù) x 氣相摩爾分 數(shù) y 溫度/℃ 液相摩爾 分?jǐn)?shù) x 氣相摩爾分 數(shù) y 溫度/℃ 0.00 0.00 100 0.3273 0.5826 81.5 0.0190 0.1700 95.5 0.3965 0.6122 80.7 0.0721 0.3891 89.0 0.5079 0.6564 79.8 0.0966 0.4375 86.7 0.5198 0.6599 79.7 0.1238 0.4704 85.3 0.5732 0.6841 79.3 0.1661 0.5089 84.1 0.6763 0.7385 78.74 0.2337 0.5445 82.7 0.7472 0.7815 78.41 0.2608 0.5580 82.3 0.8943 0.8943 78.15 由相平衡方程式 可得1() xy????(1)yx?? 根據(jù)乙醇水體系的相平衡數(shù)據(jù)可得： 10.82Dyx?10.79()x?塔 頂 第 一 塊 板 .5476F 24F加 料 板 3wx.3()wy塔 釜 因此可以求得： 1()0.82(.791)=.6yx??????().546(.)3.80271Fy(1).3(.)=9.0654wx?????? 相對(duì)揮發(fā)度： 331f=1.6.839.0653.4w??? - 12 - 3.2.2 最小回流比及操作回流比計(jì)算 最小回流比的作圖計(jì)算 根據(jù)乙醇和水氣液平衡數(shù)據(jù)畫(huà)圖得 乙 醇 和 水 的 汽 液 平 衡 數(shù) 據(jù) （ 101.325KPa）液 相 摩 爾氣 相 摩 爾 分 數(shù) y溫 度 /℃ 分 數(shù) x0 0 100 0.019 0.1795.50.0720.389 89 0.0970.43886.70.124 0.4785.3 0.1660.50984.10.2340.54582.7 0.2610.55882.30.3270.58381.5 0.3970.61280.70.5080.65679.8 0.52 0.6679.70.5730.68479.3 0.6760.73978.740.7470.78278.41 0.8940.89478.15 XD0 0.10.2 0.30.4 0.50.6 0.70.8 0.91 1.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 minDxR? 最小回流比的確定 根據(jù) Excle 作圖可知 min0.351 DxR??min0.821.453R?? 操作回流比的作圖計(jì)算 min min0.821.034log[()]log[()()]=5.8lWDxNN?????平 均由 芬 斯 克 方 程 ： ， 可 得 ： 取回流比 R 為：1.2Rmin---2Rmin，查吉利蘭圖可知： 1.2 Rmin、1.3 Rmin、1.4 Rmin、1.5 Rmin、1.6 Rmin、1.7 Rmin、1.8 Rmin、 1.9 Rmin、2.0 Rmin 時(shí)的理論 塔板數(shù) N 如下 - 13 - 最佳回流比計(jì)算表 最少理論塔板數(shù) Nmin 5.84 最小回流比 Rmin 1.45 回流比 R 回流比 R 理論塔板數(shù) N 經(jīng)費(fèi) N（ R+1） 1.2Rmin 1.74 13.96 38.25 1.3Rmin 1.885 12.54 36.18 1.4Rmin 2.03 11.54 34.97 1.5Rmin 2.175 10.82 34.35 1.6Rmin 2.32 10.265 34.08 1.7Rmin 2.465 9.831 34.06 1.8Rmin 2.61 9.483 34.23 1.9Rmin 2.755 9.194 34.52 2.0Rmin 2.9 8.917 34.78 - 14 - 根據(jù)上表作圖得 回流比與理論塔板數(shù)的關(guān)系 最佳回流比的確定 由圖可知最佳操作回流比取 R=2.412 - 15 - 3.2.3 圖解法求理論塔板數(shù) 精餾段操作線方程： 1 2.410.82.70.241DnnnnxRyxx??????? 提餾段操作線方程： 1 2.43.5.0.341.780.241124nnwn nFyxxxR???????? 根據(jù)精餾段操作線、提留段操作線、乙醇-水氣液平衡數(shù)據(jù)用逐板計(jì)算法求塔板 數(shù)：Excle 處理如下： 1.用 excel 分段擬合乙醇與水相平衡數(shù)據(jù)得相平衡方程：????2342 2320.1760.186925973.9.142.561.4.58080.3.084xyyyyRxy???????? 2.用 excel 處理數(shù)據(jù)： 精餾段方程：y=0.707x+0.24 提餾段方程：y=1.718x-0.00244 交點(diǎn)坐標(biāo) x=0.2398 y=0.4095 x y 0 0.82 0.82 1 0.800138 0.82 0.088232 2.113604 0.800138 2 0.78021 0.805697 0.086693 1.912627 0.78021 3 0.759847 0.791609 0.085177 1.729965 0.759847 4 0.738189 0.777212 0.083628 1.558145 0.738189 5 0.714098 0.761899 0.08198 1.390902 0.714098 6 0.68588 0.744867 0.080148 1.222467 0.68588 7 0.650709 0.724917 0.078001 1.04702 0.650709 8 0.603287 0.700051 0.075326 0.858398 0.603287 9 0.532188 0.666524 0.071718 0.650688 0.532188 10 0.40763 0.616257 0.066309 0.422586 0.40763 11 0.196324 0.528195 0.056834 0.196324 0.125776 12 0.052769 0.334844 0.036029 0.052769 -0.87827 13 0.009492 0.088217 0.009492 0.050316 -3.24759 14 0.001492 0.013867 0.001492 0.158522 -4.26991 由上表可得：第 14 次計(jì)算后 ，所以 理論板數(shù)為 14.14wx? - 16 - 又 ，所以精餾段為 10 塊，提餾段為 4 塊，第 11 塊板加料。1qx? 3.3 精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算 3.3.1 操作溫度計(jì)算 乙醇—水氣、液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系 溫度 /℃ 液相 氣相 溫度 /℃ 液相 氣相 溫度 /℃ 液相 氣相 100 0 0 82.7 23.37 54.45 79.3 57.32 68.41 95.5 1.90 17.00 82.3 26.08 55.80 78.74 67.63 73.85 89.0 7.21 38.91 81.5 32.73 59.26 78.41 74.72 78.15 86.7 9.66 43.75 80.7 39.65 61.22 78.15 89.43 89.43 85.3 12.38 47.04 79.8 50.79 65.64 84.1 16.61 50.89 79.7 51.98 65.99 利用由拉格朗日插值可求得 、 、 。FtDWt 進(jìn)料口 ： , =82.55℃t 82.382.3-15=607460F?Ft 塔頂 ： ， =78.28℃D159.4.9.Dt?D 塔釜 ： ， =99.19℃Wt13W?Wt 精餾段平均溫度 ℃182.57.80.415FD??? 提餾段平均溫度 ℃29t ? 3.3.2 液體平均黏度和實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算 查手冊(cè)知水在不同溫度下的黏度 水在不同溫度下的黏度 溫度／ ℃ 黏度／ mPas?溫度／ ℃ 黏度／ mPas? - 17 - 81 0.3521 90 0.3165 82 0.3478 91 0.3130 查有機(jī)液體粘度共線圖可得： =80.415℃ 查圖及表得： =0.355mPa.s =0.425 mPa.st1 ?水 ?醇 =90.87℃ 查圖及表得： =0.313mPa.s =0.365 mPa.s2 '水 '醇 精餾段平均溫度 =80.415℃1t ? 液相組成 ： ， =43.17%x180.7980.4579.365x??1x 氣相組成 ： ， =62.62%1y1.826y?1y 提餾段平均溫度 =90.87℃t ? 液相組成 ： ， =5.68%2x295.-80.7-9=11x2x 氣相組成 ： ， =32.61%2y1.-.-73y?2y 精餾段黏度： ????1110.45.3170.51.4370.85xx mPas????????????醇 水 提餾段黏度 ????' '222.6.86.31xx s???? ?醇 水 1.求相對(duì)揮發(fā)度 （1） 精餾段揮發(fā)度： 11110.437,0.62568385=.147AABBAxyyX??由 計(jì) 算 得 ：α - 18 - （2） 提鎦段揮發(fā)度： 2222220.568,0.3610.943,0.67398.57AABBBAxyxyx?????由 得所 以 α = 2.板效的計(jì)算 板效率與塔板結(jié)構(gòu)，操作條件，物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它 反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的程度。板效率可用奧康奈爾公式： 計(jì)算。?????????????????? 其中： —塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度； —塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度 mPa.s。L? （1）精餾段 已知 215???????????????? =0.49 =0.5098??×0.24(.38)?? = =P℃?? 19.60.5?塊 故 =20 塊精 （2）提餾段 已知 ' 28.0350.316Lmpas????? ' .45.49()9TE?? = =P℃???17.690.3?塊 故 =8 塊p℃ - 19 - （3）全塔實(shí)際塔板數(shù) 全塔所需實(shí)際塔板數(shù)： = + =20+8=28 塊PN℃?p℃ 全塔效率： -14-1028TPE??%46.3% 故實(shí)際加料板位置在第 21 塊塔板 3.3.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 （1）精餾段的平均摩爾質(zhì)量 精餾段平均溫度 1t ? =80.415℃ 液相組成 x： =43.17% 氣相組成 1y： =62.62% 所以 460.3718(0.437).9LM ?????? kg/kmol 12625V kg/kmol （2）提餾段平均摩爾質(zhì)量 提餾段平均溫度 2t ? =90.87℃ 液相組成 x： =5.68% 氣相組成 2y： =32.61% 所以 460.581(0.568)19.LM????? kg/kmol 23327V kg/kmol - 20 - 3.3.4 液體平均表面張力計(jì)算 二元有機(jī)物-水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算 1/41/41/4mswso????? 注： 00???ww xVxV? 00/ /sws ssxx??? 2/3/ 2/3lg.41qw owVqBQT?????????????????????? ,2lg1swswsooAA???????????? , , 式中下角標(biāo)，w,o,s 分別代表水、有機(jī)物及表面部分； xw、 xo 指主體部分 的分子數(shù)， Vw、 Vo 主體部分的分子體積，δw、δo 為純水、有機(jī)物的表面張力， 對(duì)乙醇 q = 2。 （1）精餾段： 180.45Ct??32.6/.3wmVcmol??3467.510/1.2o l?? 不同溫度下乙醇和水的表面張力 溫度/℃ 70 80 90 100 - 21 - 乙醇表面張力/10 - 3N/m2 18 17.15 16.2 15.2 水表面張力/10 -3N/m2 64.3 62.6 60.7 58.8 乙醇表面張力： 90816.27.51745?????乙 醇乙 醇 , 水表面張力： 0.462.560.72.67??水水 ,??211o1WWoxVx?????????20.437.60.437.50437.5???????????2lgl(0.35)-.46 WoB????????2/32/30.410.914oWVqQT?????????????????.60.941.7AB???? 聯(lián)立方程組： 2lg1SWSOOA?????????? , 代入求得： 0.84SS=0.186 ,1/41/41/41/41/432.(2.).(7.6),2.710/mmswso mN????????????? （2）提餾段 提餾段平均溫度 =90.87℃2t ? - 22 - 3 '18' 9.4/23.wmVcmol??? 3 '6' 50./.9o l 乙醇表面張力： 181.26.'15.670.75'?????乙 醇乙 醇 , 水表面張力： 909.87'0.358.6.'??水水 ,2'Wo????21.5.45.008190.568.1???????????2''lglg.3.7oB???????2/32/3''0.41''0.67oWVqQT??????????????????'''.70.6.7AB? 聯(lián)立方程組： 2''lg''1SWSSooA??????????? , 代入求得： ' '0.352SSo=0.648, ????1/ 1/41/4 -3'0.68.2.35.'39.710/m mNm? ??????? , 3.4 精餾塔的塔體工藝尺寸設(shè)計(jì) 3.4.1 塔徑的計(jì)算 精餾段的氣、液相體積流率為 - 23 - /(+1)3.42.983.2VRD????/ +41.0LqF?3v1(.).5.67/3603602SMms??（ ） 3.7/hSVh???-3114.90.6140/36068LLSRDs????A330.2./hhs m??? 提餾段的氣、液相體積流率為 '' 3v283.7.1.69/600sVMs???'' -3245840/2LS m?? 由 maxLvuC? 式中 C 由式 計(jì)算，其中 由史密斯關(guān)聯(lián)圖查取，0.22()M??20C 史密斯關(guān)聯(lián)圖 - 24 - （1）精餾段： 1122.80.3()().45hLvV??? ， 則 ，0.45THm取 板 間 距 .7Lhm板 上 液 層 高 度 ， 0.4570.38TLHhm??20.78C?0.20.27()()98M???1max 1.35.982.03/LVu ms???? 因?yàn)???max0.6~.u 取安全系數(shù) 0.7，則空塔氣速為max.7.2391.48/us???40.67.sVD? 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D=0.8m， 塔截面積為 22