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1、 广东石油化工学院 学 院化工原理课程设计题题 目目 乙醇乙醇水连续精馏塔筛板塔的设计水连续精馏塔筛板塔的设计指导教师指导教师 成绩成绩 评阅教师评阅教师 姓名 CJP 陈平平 班级 化工卓越 14-1 学号 14014260112 完成时间 2017 年 1 月 11 日 化工原理课程设计任务书一、设计题目题目：乙醇水连续精馏塔筛板塔的设计。工艺参数：原料含乙醇 35+0.05*学号后两位(质量分数，下同)塔顶产品中乙醇含量为：不小于 70，塔底残液中含乙醇为：不高于 10。该塔的生产能力为： 质量流量=（10+0.1*学号后两位）吨/小时 基本条件：顶压强为 4kPa(表压)，单板压降0.
2、7kPa，料液以泡点状态进入塔内，塔底供热可间接加热（再沸器）和直接水蒸气加热。回流比：自选。二、设计内容：1、设计方案的确定及流程说：确定全套精馏装置的流程，并对操作条件和主要设备做简要说明。2、塔的工艺计算：物料衡算、理论板数、实际板数、热量衡算、精馏塔主要物性。3、塔和塔板的工艺尺寸设计：1）塔高、塔高及塔径的确定并圆整；2）塔板结构尺寸的确定；3）塔板的流体力学验算；绘出塔板的负荷性能图。4、辅助设备选型与计算：1）塔顶冷凝器的热负荷和冷却水用量；2）塔底再沸器的热负荷和水蒸汽用量；5、接管尺寸计算；6、绘制塔板结构图（大号坐标纸）；7、设计结果概要或设计一览表；8、对本设计的评述或有
3、关问题的分析讨论。三、设计要求：1、设计完成后，设计说明书一份。设计说明书包括：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、塔板的负荷性能图、塔板结构图、参考文献及设计自评表等。2、设计计算书主要包括：设计内容四、参考文献格式：作者 题名 书刊名 出版地 出版者 出版日期 参考章节五、参考书目:1、姚玉英 . 化工原理 ,上册,1 版.天津:天津大学出版社,19992、柴诚敬.化工原理课程设计. 1 版.天津:天津大学出版社,19943、匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1 版.北京:化学工业出版社,20024、李功祥.常用化工单元设备设计.1 版.广州:华南理工大学出版社,200
4、3六、设计基础数据常压下乙醇水系统 txy 数据如表 16 所示。表 16 乙醇水系统 txy 数据沸点 t/乙醇摩尔数/%沸点 t/乙醇摩尔数/%液相气相液相气相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.
5、6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：1825时的乙醇和水的混合液的表面张力与乙醇浓度之间的关系为：58453210314. 410348. 100163. 009604. 09726. 283364.67xxxxx式中 25时的乙醇和水的混合液的表面张力，Nm；x乙醇质
6、量分数，。其他温度下的表面张力可利用下式求得2 . 11221 TTTTCC(1- 54)式中 1温度为T1时的表面张力；Nm；2温度为T2时的表面张力；Nm；TC混合物的临界温度，TCxiTci ，K；xi组分 i 的摩尔分数； TCi组分 i 的临界温度， K。板效率计算公式：ET=0.49*(l)-0.245设计计算设计计算 1. 设计方案的确定抄书2.塔的物料衡算2.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分率XF=17.78%XD=77.88%XW=2.01%2.2 平均摩尔质量 MF=17.78%46+82.12%18=22.98kg/kmolMD=77.88%46+22.11%18=3
7、9.80kg/kmolMW=2.01%46+97.99%18=18.56 kg/kmol 2.3 物料衡算 生产能力质量流量=11.2 吨/h总物料衡算 F=D+W 易挥发组分物料衡算 FXF = DXD + WXW 联立总物料衡算和易挥发组分物料衡算解得： F=(11.2 103 kg/h)/22.98mol/kg=487.38kmol/hW=357.24kmol/h D=114.82kmol/h 3 塔板数的确定 3. 1 理论塔板数 NT 的求取3.1.1 求最小回流比 Rmin 及操作回流比 R。乙醇水体系的 y-x 平衡曲线有下凹部分，自 a（XD，YD）作平衡线的切线切于其下凹部分
8、，并延长与 y 轴相交，截距 0.42，解得Rmin=0.8182。所以操作回流比 R=2Rmin=1.6363.1.2 求理论板 NT 精馏段操作线方程Y=0.62X+0.295根据乙醇水的气液平衡数据（表 1）作 y-x 图，如图 1。图 1 乙醇、水的 y-x 图及图解理论板如图 2 所示，按 M.T.图解法求得： （不包括再沸器）精馏段理论 板数为 6 层，提馏段为 2 层（不包括再沸器），第 2 层为加料板。3.2 全塔效率 ET 的求取 根据塔顶、塔底液相组成用内插法求温度得：=,解出 tD=78.50，同理 tW=98.75tM=（tD+tW）/2=88.6388.63时，乙醇和
9、水的粘度分别为：0.440mPas 和 0.322mPas ，该温度下进料液相平均粘度为：M=0.1778乙醇+（1-0.1778）水=0.343mPas 所以ET=0.49*(M)-0.245 =0.453. 3 实际塔板数 N精馏段 N 精=6/0.45=13.33，取 14 层 提馏段 N 提=2/0.45=4.44，取 5 层4 4 塔的工艺条件及物性数据计算塔的工艺条件及物性数据计算4.1 操作压强 Pm 塔顶压强 PD=101.3+4=105.3kPa，取每层塔板压强降P=0.6kPa，则 进料板压强和塔底压强分别为：PF=105.3+140.6=113.7kpaPW=105.3+
10、190.6=116.8kpa精馏段和提馏段平均操作压强为P精馏 =109.5kpaP提馏 =115.25kpa4.2 温度 tm 依据操作压强，依下式试差计算操作温度：P= XA+ XB式中：x溶液中组分的摩尔分数；P溶液上方的总压，Pa；p0 同温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa（下标 A 表示易挥发组分，B 表 示难挥发组分）。其中水、乙醇的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。LgP0=A-式中：p0在温度为 T 时的饱和蒸汽压，mmHg；T温度，； A,B,CAntoine 常数，其值表 1表 1 A,B,CAntoine 常数计算结果如下：塔顶温度3.1052221.0313.0108877.01
11、33.01022821.166896681.765.2223.155404496.8tt解得 tD = 82.78 。同理得：tF = 95.56 ，tW = 101.02。则精馏段平均温度和提馏段平均温度为：89.17295.562.788t精m98.292101.0295.56t提m4.3 平均摩尔质量 Mm塔顶 (由气液平衡曲线得)7788.01yxD3847 . 01xkmolkgMVDm/39.80618)8778.01(467788.0kmolkgMLDm/38.67518)3847 . 01 (463847 . 0进料板 7781 . 0Fy0187. 0Fx同理得 ；kmolk
12、gMVFm/2.982kmolkgMLFm/53.18组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228塔底 0201. 0Wy00201. 0Wx同理得 ；kmolkgMVWm/56. 81kmolkgMLWm/65 .18则精馏段和提馏段的平均摩尔质量分别为：kmolkgMVm/933 .31298. 2239.806(精）kmolkgMLm/28.60253. 81.67583(精）kmolkgMVm/.7702218.5622.98(提）kmolkgMLm/54.18256.1853.18(提）4.4 平均密度 m4.4.1 液相密度 Lm塔顶温度
13、 tD = 82.78 ，根据表 2 由内插法得 82.78时水和乙醇的密度温度/2030405060708090100110乙醇密度kg/m3795785777765755746735730716703水密度kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0表 2 乙醇和水液相密度3 乙 乙/3.6173735802.788 7357308090mkg3 水 水/69.9998.971802.788 8.9713.9658090mkg依下式 （为质量分数）LB/1BLAALm3/93.75199.96910.0 61.73390.0
14、1mkgLmD LmD同理求得进料板和塔底液相密度；3/89.858mkgLmF3/27.954mkgLmW故精馏段和提馏段的平均密度分别为；3 精）(/41.8052/）89.85893.751（mkgLm3 提）(/58.9062/）89.85827.954（mkgLm4.4.2 精馏段和提馏段的气相密度 mV3精 精）(/263.1)15.27317.89(314.87368.345.109mkgRTPMm mV3 (/919. 0)15.27329.98(314. 85163.2425.115mkgRTPMmmV提 提）4.5 液体表面张力 m25时的乙醇和水的混合液的表面张力与乙醇浓
15、度之间的关系为：式中 25时的乙醇和水的混合液的表面张力，Nm；x乙醇质量分数，。其他温度下的表面张力可利用下式求得：式中 1温度为T1时的表面张力；Nm；2温度为T2时的表面张力；Nm；TC混合物的临界温度，TCxiTci ，K；xi组分i的摩尔分数； TCi组分i的临界温度， K。25时，=m66.77 NmTC乙醇=516.2K TC水=647.3KF=89.77 Nm 同理D=91.92 mNm W=89.70 mNm则精馏段和提馏段平均表面张力分别为mNm/m85.90292.9177.89 精）(mNm/m74.89270.8977.89提）(4.6 液体粘度 Lm塔顶、进料板、塔底所对应的温度下水的粘度分别为samD434.0水samF
