乙醇水分离筛板式精馏塔化工原理课程研究设计.docx
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乙醇水分离筛板式精馏塔化工原理课程研究设计
1设计任务书
1.1设计题目:
乙醇-水常压分离过程筛板式精馏塔工艺设计
1.2工艺条件:
生产能力:
乙醇-水混合液处理量5.0万吨/年
进料状况:
冷液进料
原料组成:
乙醇的含量20(wt%)
塔顶组成:
乙醇的含量91(wt%)
塔底组成:
乙醇的含量0.3(wt%)
进料温度:
适宜回流比R:
R=1.3Rmin
塔顶压力:
单板压降:
加热蒸汽压力:
加热方式:
塔底直接加热
1.3塔板类型:
筛板式精馏塔
1.4生产制度:
年开工300天,每天24小时连续生产
1.5设计内容:
1)精馏塔的物料衡算;
2)塔板数的确定;
3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算;
4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算;
5)塔板主要工艺尺寸的计算;
6)塔板的流体力学验算;
7)塔板负荷性能图;
8)塔体总高度的计算;
9)精馏塔附属设备的选型及相关计算;
10)计算结果一览表
11)对设计过程的评述和有关问题的讨论;
12)参考文献;
13)绘制精馏塔及换热器的设备图
2设计方案
2.1设计方案简介
精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同,采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。
在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域,并取得了良好的效益。
其中主要包括板式塔和填料塔,而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是筛板塔。
精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别,是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流,为精馏过程提供了传质的必要条件。
提供高纯度的回流,使在相同理论板的条件下,为精馏实现高纯度的分离时,始终能保证一定的传质推动力。
所以,只要理论板足够多,回流足够大时,在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品,而在塔底获得高纯度的重组分产品。
精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法
本次课程设计是分离乙醇——水二元物系。
在此我选用连续精馏筛板塔。
具有以下特点:
(1)筛板塔的操作弹性小,对物料的流量要求非常平稳精确,不利于实际生产中使用
(2)筛板塔盘较浮阀塔盘的优点是结构简单抗堵,压降较小,造价便宜。
(3)筛板塔盘现在很少用了,比浮阀塔的效率低,操作弹性小。
(4)筛板塔盘也有溢流堰和降液管。
优点是结构简单,压降较小,造价便宜,抗堵性强。
本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图,是较完整的精馏设计过程。
精馏设计包括设计方案的选取,主要设备的工艺设计计算——物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。
通过对精馏塔的运算,可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件、物性参数及接管尺寸是合理的,以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。
2.2设计方案的确定及工艺流程的说明
本设计任务为分离乙醇-水混合物。
对于该二元混合物的分离,应采用常压下的连续精馏过程。
本设计为23℃进料即冷液进料,塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。
该物系属不易分离物系,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
3工艺计算
3.1塔板的工艺计算
3.1.1物料衡算
原料液及塔顶、底产品含乙醇的摩尔分数
乙醇和水的相对摩尔质量分别为MA=46kg/kmol和MB=18kg/kmol,原料含乙醇的质量百分数为20%,塔顶乙醇含量91%,塔底乙醇含量0.3%,则:
原料液含乙醇的摩尔分率:
塔顶含乙醇的摩尔分率:
塔底含乙醇的摩尔分率:
原料液的平均摩尔质量:
原料液摩尔流量,依题给条件:
一年以300天,一天以24小时计,得:
3.1.2q线方程
由方程求得出q值
沸点t/℃
乙醇摩尔数/%
沸点t/℃
乙醇摩尔数/%
气相
液相
气相
液相
99.9
0.004
0.053
82
27.3
56.44
99.8
0.04
0.51
81.3
33.24
58.78
99.7
0.05
0.77
80.6
42.09
62.22
99.5
0.12
1.57
80.1
48.92
64.70
99.2
0.23
2.90
79.85
52.68
66.28
99.0
0.31
3.725
79.5
61.02
70.29
98.75
0.39
4.51
79.2
65.64
72.71
97.65
0.79
8.76
78.95
68.92
74.69
95.8
1.61
16.34
78.75
72.36
76.93
91.3
4.16
29.92
78.6
75.99
79.26
87.9
7.41
39.16
78.4
79.82
81.83
85.2
12.64
47.49
78.27
83.87
84.91
83.75
17.41
51.67
78.2
85.97
86.40
82.3
25.75
55.74
78.15
89.41
89.41
乙醇—水系统t—x—y数据
由在t-x-y图中查得泡点温度
乙醇—水溶液的比热容表查得:
乙醇—水混合物的汽化热表查得:
所以
q线方程
3.1.3R的确定
乙醇—水体系为非理想体系,其平衡线有下凹部分,当操作线与q线的交点尚未落在平衡线上之前,操作线已与平衡线相切,故Rmin可由(,)向平衡线作切线的斜率求得
由上图可见,该切线的斜率为
得
由得
3.1.4总物料恒算
代入数据
求得
精馏塔的气液相负荷
3.1.5回收率
乙醇的回收率:
水的回收率:
3.1.6操作线方程
精馏段:
提馏段:
3.1.7图解法求理论板层数
如图,求解结果为
总理论板层数(不包括再沸器)
精馏段理论板层数
提馏段理论板层数(包括进料板)
进料板位置
3.1.8实际板层数的求取
1)操作温度计算
由t-x-y图,用内差法计算得
塔顶温度:
塔底温度:
塔顶塔底的平均温度
2)黏度计算
由查表得
所以
3)相对挥发度
根据安托尼方程可计算得
塔顶:
塔底:
塔顶塔底的平均:
4)全塔效率
所以
5)实际板数的确定
精馏段实际板层数
提馏段实际板层数(包括进料板)
总实际板层数(不包括再沸器)
3.2精馏塔工艺条件及计算
3.2.1操作压力
塔顶压强:
取每层塔板的压降为0.5kPa
进料板:
塔底压强:
精馏段平均压强:
提馏段平均压强:
3.2.2操作温度
依据操作压力,读t-x-y图
塔顶温度:
进料板温度:
塔底温度:
精馏段平均温度:
提馏段平均温度:
3.2.3平均摩尔质量
塔顶气液的平均摩尔质量:
由查平衡曲线得
进料板气液的平均摩尔质量:
由图解法查得
塔底气液的平均摩尔质量:
由图解法查得
精馏段混合平均摩尔质量:
提馏段混合平均摩尔质量:
3.2.4液体的平均密度
(1)气相平均密度
①精馏段
②提馏段
(2)液相平均密度
液相平均密度依下式计算:
①塔顶液相平均密度
由,查手册得
②进料板液相平均密度
由tF=97.6725°C,查手册得
进料板液相的质量分数
所以
③精馏段液相平均密度
④塔底液相平均密度
由查手册得
⑤提馏段液相平均密度
3.2.5液体表面张力计算
(1)塔顶液相平均表面张力计算乙醇质量分数为91%,查图可得乙醇临界温度为243℃,水临界温度为374.2℃,则混合液体的临界温度为
将混合液体的临界温度代入
所以
(2)进料液相平均表面张力计算乙醇质量分数为20%,查图可得乙醇临界温度为243℃,水临界温度为374.2℃,则混合液体的临界温度为
将混合液体的临界温度代入
所以
(3)塔底液相平均表面张力计算乙醇质量分数为0.3%,查图可得乙醇临界温度为243℃,水临界温度为374.2℃,则混合液体的临界温度为
将混合液体的临界温度代入
所以
(4)精馏段液相平均表面张力:
(5)提馏段液相平均表面张力:
3.3精馏塔的塔体工艺尺寸计算
3.3.1塔径的计算
(1)最大空塔气速和空塔气速
最大空塔气速计算公式:
精馏段的气液相体积流率为
取板间距,板上液层高度hL=0.05m,则HT-hL=0.35-0.05=0.3
查图得,
取安全系数为0.6,则空塔气速为
标准塔径圆整后为D=1.0m
塔截面积为
实际空塔气速
提馏段的气液相体积流率为
取板间距HT=0.35,板上液层高度hL=0.05m,则HT-hL=0.35-0.05=0.3
查图得,
取安全系数为0.6,则空塔气速为
标准塔径圆整后为D=1.0m
塔截面积为
实际空塔气速
3.3.2精馏塔有效高度计算
精馏段有效高度为
提馏段有效高度为
在进料板上方开一个人孔,在精馏段设三个人孔,其高度均为0.7m。
故精馏塔的有效高度为
3.4塔板主要工艺尺寸计算
3.4.1溢流装置计算
因塔径D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管、凹形受液盘。
(1)溢流堰长 取
(2)堰宽及降液管截面积 由,查图3-5得,得
(3)停留时间
精馏段:
可以满足要求。
提馏段:
可以满足要求。
(4)溢流堰高
对平直堰,
由,查化工原理课程设计图5-5得,于是:
精馏段
满足要求。
取板上清液层高度hL=0.06m
提馏段
满足要求。
取板上清液层高度hL=0.06m
(5)降液管的底隙高度
液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s,
精馏段:
取液体通过降液管底隙的流速,则有:
故设计合理
提馏段:
取液体通过降液管底隙的流速,则有:
故设计合理
3.4.2塔板布置
(1)边缘区宽度的确定
取
(2)开孔区面积
(4)筛孔计算及其排列
精馏段 由于处理的物系无腐蚀性,可先用碳钢板,取筛孔直径。
筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为
开孔率:
筛板总面积
每层塔板的开孔数为:
提馏段 由于处理的物系无腐蚀性,可先用碳钢板,取筛孔直径。
筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为
开孔率:
筛板总面积
每层塔板的开孔数为:
气体通过筛孔的孔速:
精馏段:
提馏段:
3.5筛板的流体力学验算
3.5.1精馏段校核
(1)压降校核 查图可得
a.干板阻力h0的计算
由公式计算,即
故:
b.气体通过液层的阻力计算
气体通过每层塔板的液柱高度为
气体通过每层塔板的压降为:
满足工艺要求。
(2)雾沫夹带校核
操作气速
液泛时的空塔气速即泛点气速:
所以泛点率=
雾沫夹带量
(3)溢流液泛校核
为防止降液管发生液泛,应使降液管中的清液层高度
其中
故成立,故不会产生液泛。
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- 乙醇 水分 筛板 精馏塔 化工 原理 课程 研究 设计