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1、-*石油化工学院学院化工原理课程设计题目乙醇水连续精馏塔筛板塔的设计指导教师成绩评阅教师* CJP 陈平平班级化工卓越14-1 *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*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*后两位）吨/小时基本条件：顶压强为4kPa(表压)，单板压降0.7kPa，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：
2、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
3、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.*:*大学,19992、 柴诚敬.化工原理课程设计. 1版.*:*大学,19943、 匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1版.:化学工业,20024、 李功祥.常用化工单元设备设计.1版.*:华南理工大学,2003六、设计基础数据常压下乙醇水系统t*y数据如表16所示。表16 乙醇水系统t*y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99.90.0040.0538227.3
4、56.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784
5、.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*力与乙醇浓度之间的关系为：式中25时的乙醇和水的混合液的表面*力，Nm；*乙醇质量分数，。其他温度下的表面*力可利用下式求得 (1-54)式中1温度为T1时的表面*力；Nm；2温度为T2时的表面*力；Nm；TC混合物的临界温度，TC*iTci，K；*i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1. 设计方案的确定抄书2.塔的物料衡算2.
6、1料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分率*F=17.78%*D=77.88%*W=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=39.80kg/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F*F=D*D+W*W=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/h3塔
7、板数的确定3. 1理论塔板数NT的求取求最小回流比Rmin及操作回流比R。乙醇水体系的y-*平衡曲线有下凹部分，自a（*D，YD）作平衡线的切线切于其下凹部分，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=1.636求理论板NT精馏段操作线方程Y=0.62*+0.295根据乙醇水的气液平衡数据（表1）作y-*图，如图1。图1乙醇、水的y-*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
8、.50，同理tW=98.75tM=（tD+tW）/2=88.6388.63时，乙醇和水的粘度分别为：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=
9、105.3+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= *A+ *B式中：*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组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228表1A,B,CAntoine常数计算结果
10、如下：塔顶温度解得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：4.3平均摩尔质量Mm塔顶(由气液平衡曲线得)进料板同理得；塔底同理得；则精馏段和提馏段的平均摩尔质量分别为：4.4平均密度m液相密度Lm塔顶温度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
11、醇和水液相密度依下式（为质量分数）同理求得进料板和塔底液相密度；故精馏段和提馏段的平均密度分别为；精馏段和提馏段的气相密度mV4.5液体表面*力m25时的乙醇和水的混合液的表面*力与乙醇浓度之间的关系为：式中25时的乙醇和水的混合液的表面*力，Nm；*乙醇质量分数，。其他温度下的表面*力可利用下式求得：式中1温度为T1时的表面*力；Nm；2温度为T2时的表面*力；Nm；TC混合物的临界温度，TC*iTci，K；*i组分i的摩尔分数；TCi组分i的临界温度， K。25时，=m66.77NmTC乙醇=516.2K TC水=647.3KF=89.77Nm 同理D=91.92 mNmW=89.70 m
12、Nm则精馏段和提馏段平均表面*力分别为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塔顶、进料板、塔底所对应的温度下乙醇的粘度分别为则精馏段和提馏段平均液相粘度分别为5气液负荷计算精馏段气液负荷计算如下：同理得提馏段6塔体主要工艺尺寸计算6.1塔径D表6 板间距与塔径的关系塔径D/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT/mm200300250350300450350600400600参考表6，初选板间距HT=0.40m ,取板上液层高度hL=0.06m，故图3 Sminth关联图查图3可知，依照下式校正C取安全系数为0.7，则故按标准，塔径圆
13、整为1.6m，则空塔气速塔内各段负荷差别不大，各段塔径保持一致。则提馏段空塔气速6.2塔有效高度Z在进料板上方开一人孔，其高度为0.8米。故精馏塔的有效高度为Z=Z精+Z提+0.8=5.2+1.6+0.8=7.6m7塔板主要工艺尺寸计算7.1溢流装置根据塔径和液体流量采用单流型、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰。不设进口堰。各项计算如下。溢流堰长lw取lw =0.66D，即出口堰高hw则故降液管管宽度Wd与降液管面积Af由查图5图5 弓形降液管的宽度和面积得，故由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即（符合要求）降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙的流速u0 = 0.08m/s，依下式计算降液管底隙高度： hw-ho=0.0501-0.0226=0.0275m0.006m故降液管底隙高度设计合理7.2塔板布置塔板的分块因D800mm，故塔板采用分块式，查表5-3得，塔板分为4块。边缘区宽度确定取边缘区宽度Wc = 0.035m ，安定区宽度Ws = 0.065m 开孔区面积Aa计算其中筛孔计算及其排列取筛孔的孔径d0 = 5mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚为3
