精馏塔课程设计食品工程原理.docx
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精馏塔课程设计食品工程原理
广东石油化工学院
课程设计说明书
课程名称:
食品工程原理课程设计
题目:
乙醇—水连续精馏塔的设计
学生:
陈夫达学号:
12114320145班别:
食品12-1专业:
食品科学与工程指导教师:
邱松山,李春海
日期:
2014年11月20日
一、精馏流程的确定(6
二、课程设计报告内容(6
1.塔的物料计算(6
1.1料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数(7
1.2平均摩尔质量(7
1.3物料衡算(7
2.塔板数的确定(8
2.1理论塔板数的求取(8
2.2全塔效率(10
2.3实际塔板数(10
3.塔点工艺条件及物性数据计算(10
3.1操作压强(10
3.2温度(10
3.3平均摩尔质量(11
3.4平均密度(12
3.5液体表面张力(13
3.6液体黏度(14
4.精馏段气液负荷计算(15
5.塔和塔板主要工艺尺寸计算(15
5.1塔径(15
5.2溢流装置(17
5.3塔板布置(19
5.4筛孔数与开孔率(19
5.5塔的有效高度(精馏段(20
5.6塔高计算(20
6.筛板的流体力学验算(20
6.1气体通过筛板压强降相当的液柱高度(20
6.2雾沫夹带量的验算(22
6.3漏液的验算(22
6.4液泛验算(22
7.塔板负荷性能图(23
7.1雾沫夹带线(1(23
7.2液泛线(2(24
7.3液相负荷上限线(3(25
7.4漏液线(气相负荷下限线(4(25
7.5液相负荷下限线(5(26
8.筛板塔的工艺设计计算结果总表(27
9.精馏塔的附属设备及接管尺寸(28
三、设计小结........................................................................................................................错误!
未定义书签。
四、主要参考文献................................................................................................................错误!
未定义书签。
食品工程原理课程设计任务书
1.题目:
乙醇-水精馏装置工艺设计
2.完成全部任务期限:
2015年01月15日
3.设计数据说明
(10.5万吨/年(原料:
5000吨/年+学号×1000吨/年+班号×1000吨/年
(5000+45×1000+1×1000=51000吨/年
进料状态:
冷液体进料或汽液混合物进料。
(2年开工时:
一年开工按280天计,每天工作时间24小时。
(3塔底加热蒸汽压力、塔顶冷凝水进、出口温度、回流比根据情况自己确定
(4性质数据:
表1乙醇~水溶液体系的平衡数据
液相中乙醇的含量(摩尔分数汽相中乙醇的
含量(摩尔分数
液相中乙醇的
含量(摩尔分数
汽相中乙醇的含
量(摩尔分数
0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0
4.课程设计条件
(1原料:
乙醇含量:
45%(质量分数,原料液温度:
40℃
(2塔顶的乙醇含量95%(质量分数
(3塔底的乙醇含量1%(质量分数
(4中间泡点进料,筛板式连续精馏,其他参数查资料自选。
(5年开工280天,连续操作
5.课程设计说明书内容要求:
(1、设计方案的确定及流程说明。
(2、塔的工艺计算:
包括全塔物料衡算、塔顶及塔底温度、精馏段和提馏段气液负荷、塔顶冷凝器热负荷、冷却水用量、塔底再沸器热负荷、加热蒸汽用量、塔的理论板数、实际板数。
(3、塔的结构设计:
塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定;b、塔板的流体力学验算;c、塔板的负荷性能图。
(4、附属设备的设计:
塔顶冷凝器、塔底再沸器、进料接管、塔顶产品接管、塔底产品接管、塔顶蒸汽接管。
(5、计算原料贮罐、回流罐、产品贮罐的体积。
(6、撰写设备结果一览表。
(见附表1
(7、绘制精馏塔的设备图。
(8、设计感想、设计评价。
(9、参考文献。
(10设计说明书书写符合规范,图表书写符合标准。
(11说明书语句通顺,层次分明,文字简练,说明透彻。
(12对本设计的评论或有关问题的分析讨论。
目的:
通过课程设计进一步巩固课本所学的内容,培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力,使所学的知识系统化,通过本次设计,应了解设计的内容,方法及步骤,使学生具有调节技术资料,自行确定设计方案,进行设计计算,并绘制设备条件图、编写设计说明书。
在常压连续精馏塔中精馏分离含乙醇45%的乙醇—水混合液,分离后塔顶馏出液中含乙醇量为95%,塔底釜液中含乙醇为1%(均为质量分数。
1.已知参数:
(1设计任务
(1设计任务
●进料乙醇X=45%(质量分数,下同
●生产能力Q=182t/d
●塔顶产品组成=95%
●塔底产品组成=1%
(2操作条件
●操作压强:
常压
●精馏塔塔顶压强:
Z=4KPa
●进料热状态:
泡点进料
●回流比:
自定待测
●冷却水:
20℃
●加热蒸汽:
低压蒸汽,0.2MPa
●单板压强:
≤0.7
●全塔效率:
ET=52%
●建厂地址:
珠江三角洲地区
●塔顶为全凝器,中间泡点进料,筛板式连续精馏
2.设计内容:
(1设计方案的确定及流程说明
(2塔的工艺计算
(3塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定;
b、塔板的流体力学验算;
c、塔板的负荷性能图
(4设计结果概要或设计一览表
(5精馏塔工艺条件图
(6对本设计的评论或有关问题的分析讨论
一、精馏流程的确定
乙醇—水混合液经原料预热器加热至泡点后,送入精馏塔。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后,一部分作为回流,其余为塔顶产品经冷凝后送至贮槽。
塔釜采用简接蒸汽向再沸器供热,塔底产品经冷却后送入贮槽。
二、课程设计报告内容
1.塔的物料计算
⑴水和乙醇的物理性质
名称分子式
相对
分子
质量
密度
20℃
3
/
kgm
沸点
101.33kP
a
℃
比热容
(20℃
Kg/(kg.℃
黏度
(20℃
mPa.
s
导热系
数
(20℃
ω/(m.℃
表面
张力
3
σ⨯10
(20℃
N/m
水2HO18.0
2
9981004.1831.0050.59972.8
乙醇25CHOH
46.0
7
78978.32.391.150.17222.8
1.1料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数
243.018
/5546/4546
/45=+=
Fx
88.018
/546/9546
/95=+=
Dx1
0039.018
/9946/146
/1=+=Wx
1.2平均摩尔质量
kmolkgMF/80.2418243.01(46243.0=⨯-+⨯=
kmolkgMD/64.421888.01(4688.0=⨯-+⨯=
kmolkgMW/11.18180039.01(460039.0=⨯-+⨯=
1.3物料衡算
已知:
D=182000÷24÷42.64=177.85kmol/h总物料衡算:
F=D+W=177.85+W①
易挥发组分物料衡算0.243F=0.88×177.85+0.0039W②联立(1(2可得:
W=473.82kmol/hF=651.67kmol/h
1.4确定冷凝器和再沸器的热负荷rcQQ,
名称
原料液馏出液釜残液%fX
45951摩尔分数%(fX24.8042.6418.11沸点温度
86.93
78.1
93.86
全凝器冷凝介质的消耗量
塔顶全凝器的热负荷:
(1(LDVDcIIDRQ-+=可以查得,/9.254,/1255kgkJIkgkJkILDVD==所以
hkJQC/10157.19.2541255(64.4285.65112.3(7⨯=-⨯⨯⨯+=
取水为泠凝介质,其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃,则平均温度下的比热容:
℃,
kgkJCpc/173.4=于是冷凝水用量可求;hCQW/kg27725925-35173.410157.1t-t7
12pccc=⨯⨯==
((
2.塔板数的确定
2.1理论塔板数NT的求取
乙醇—水属于理想物系,可采用M.T.图解法求NT。
2.1.1根据乙醇—水的气液平衡数据如下表
表1乙醇~水溶液体系的平衡数据
液相中乙醇的含量(摩尔分数
汽相中乙醇的含量(摩尔分数
液相中乙醇的含量(摩尔分数
汽相中乙醇的含量(摩尔分数
0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.01
0.11
0.50
0.657
0.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.35
0.595
1.0
1.0
2.1.2求最小回流比Rmin及操作回流比R
因泡点进料,在图1中对角线上自点e(0.0243,0.243作垂线即为进
料线(q线,该线与平衡线的交点坐标为yq=0.54,xq=0.243,此时最小回流比为:
15.1243
.054.054
.0881.0min=--=
--=
q
qqDxyxxR①
由于此时乙醇-水系统的平衡曲线有下凹部分,求最小回流比自a点(xD,xD做平衡的切线aq并延长与y轴相较于c点,截距为0.33
67.133
.033
.0881.033.033.0min=-=-=
DxR
取操作回流比34.367.122min=⨯==RR2.1.3求理论塔板数NT
精馏段方程:
203..0770.01
34.3881
.0x134.334.311+=+++=+++=
xRxxRRyD
如图所示按照M.T.图解法作图可知:
NT=22(包括再沸器,其中精馏段18层,提馏段4层(包括再沸器
第19快为进料板
2.2全塔效率ET
根据已知条件,ET=52%
2.3实际塔板数N精馏段层精357.3252.018
≈==
N提馏段层提
87.752
.04N≈==3.塔点工艺条件及物性数据计算
3.1操作压强Pm
塔顶压强kPaPD3.1053.1014=+=取每层压强降kPa6.0P=∆,则进料板压强
kPa3.1266.0353.105PF=⨯+=
精馏段平均操作压强:
kPa8.1152
3
.1263.105PM=+=
3.2温度tm
根据操作压强,有
BBAAxPxPP00
+=
纯组分的饱和蒸汽压P0和温度t的关系可用安托尼(Antoine方程表示,即
C
tB
Ap+-=0lg
表2:
安托尼公式相关系数
ABC
CH3CH2OH8.044961554.3222.65H2O(60―150℃7.966811668.21228H2O(0―60℃8.107651750.286235
注:
式中P为mmHg,t为℃,1mmHg=0.133kpa
组分数据:
塔顶xA=0.881xB=0.14P=105.3kPa进料xA=0.089xB=0.911P=126.3kPa试差法计算,导入Excel可得:
塔顶tD=78.36℃进料tF=95.5℃此时精馏段平均温度93.862
5
.9536.78=+=精mt℃
3.3平均摩尔质量Mm
塔顶881.01==yxD665.01=x
67.4218881.01(46881.0=⨯-+⨯=VDmM62.3618665.01(46665.0=⨯-+⨯=LDmM
进料板27.0=Fy089.0=x
kmolkgMVFm/56.251827.01(4627.0=⨯-+⨯=kmolkgMLFm/49.2018089.01(46089.0=⨯-+⨯=
则精馏段平均摩尔质量:
kmolMVm/kg10.342
56
.2564.42(=+=
精kmolMLm/kg63.282
49
.2076.36(=+=
精
3.4平均密度ρm3.
4.1液相密度ρLm由式
LB
B
LAALm
ραραρ+=
1
(α为质量分数表3乙醇与水的密度
温度/℃2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3
795
785
777
765
755
746
735
730
716
703
水密度/kg/m3
998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0
已知:
LBραραρ///1BLAALm+=(α为质量分数
根据表3的密度值,当塔顶温度为78.36℃,由拉格朗日插值法可知:
735
80
36.787467358090--=
--乙ρ3/kg8.736m=乙ρ8.97180
36.788.9713.9658090--=
--水ρ3/kg87.972m=水ρ
87
.97205
.08.73695.01
+
=
LmD
ρ3kg/m9.745=LmDρ进料板,由加料板液相组成089.0=Ax,进料板温度95.5℃时
196.018
089.01(46089.046
089.0=⨯-+⨯⨯=
Aα
73090
5.9573071690100-'-=
--乙
ρ3/kg3.722m='乙ρ3
.965100
5.953.9654.95890100--=
--水ρ3/kg4.968m='水ρ
4
.968196
.013.722196.01
-+
=
LmF
ρ3/3.908mkgLmF=ρ故精馏段平均液相密度:
3(/1.8273.9089.7452
1
mkgLm=+=(精ρ
3.4.2气相密度mVρ
3(/44.1
1.27393.86(314.810
.343.126mkgRTMPVmmVm=+⨯⨯==
精ρ3.5液体表面张力mσ
表4乙醇—水的表面张力与温度的关系
温度/℃20
30
40
50
60
70
80
90
100110
表面张力/σ×103N/m
乙醇22.321.220.419.818.81817.15
16.215.514.4
水72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9
在塔顶处,温度为78.36℃,此时乙醇:
15
.1780
36.7815.172.168090--=
--乙σmmN/31.17=乙σ水:
7
.6080
36.786.627.608090--=
--乙σmmN/012.61=水σ在进料处,温度为95.5℃,此时乙醇:
2
.1690
5.952.165.1590100--=
--乙σmmN/82.15=乙σ水:
7
.6090
5.957.608.5890100--=--水σmmN/75.61=水σ
∑==n
iiimx1
σσ
mmNm/55.22012.6188.0131.1788.0(=⨯-+⨯=(顶σ
mmNm/66.5775.61089.0182.15089.0(=⨯-+⨯=(进σ
则精馏段平均表面张力为:
mmNm/11.402
66
.5755.22(=+=
精σ
3.6液体黏度
Lmμ
液体的黏度可根据式B
ATA-=
1lgμ对于乙醇,其中64.686=A,88.300=B温度T——℃黏度μ——mPa·s对于水,可根据水的物性参数表知
表5水的黏度与温度的关系
温度/℃708090100110黏度/μ×105Pa·s40.61
35.65
31.65
28.38
25.89
塔顶:
88
.30064
.68636.781.27364.686lg1-+=-=
BATAμmmPa⋅=468.0乙μ
61
.4070
36.7861.4065.357080--=--水μs0.365mPasPa1047.365⋅=⋅⨯=-水μ
进料:
88
.30064.6865.9515.27364.686lg1-+=-=
BATAμmmPa⋅=420.0乙μ
65
.3190
5.9565.3138.2890100--=--水μs0.299mPasPa1085.295⋅=⋅⨯=-水μ
∑==n
ii
iLmx1
μμ
smPaL⋅=⨯-+⨯=684.0420.0881.01468.0881.0((顶μ
smPaL⋅=⨯-+⨯=310.0299.0089.01420.0089.0((进μ
则精馏段平均液相黏度为:
smPaLm⋅=+=
497.02
310
.0684.0(精μ
4.精馏段气液负荷计算
hkmolDRV/57.84685.177176.3(1(=⨯+=+=smVMVVmVmS/57.544
.1360010
.3457.84636003((=⨯⨯=
=
精
精ρ
hkmolRDL/72.66885.17776.3=⨯==
smLMLLmLmS/0064.01
.827360063
.2872.66836003((=⨯⨯=
=
精
精ρ
hmLLSh/04.2336000064.036003=⨯=⋅=
5.塔和塔板主要工艺尺寸计算
5.1塔径D
参考表6,初选板间距m0.40=TH,取板上液层高度mhL06.0=
塔径HT/m
0.3~0.5
0.5~0.80.8~1.61.6~2.42.4~4.0板间距HT/m200~300
250~350
300~450
350~600
400~600
mhHTT34.006.040.0=-=-
0276.043
.11.827(57.50064.0(((2121==VLSSVLρρ由075.020=C
0862.020
11.40(075.020(2.02.020=⨯==σ
CCsmCuVVL/732.143
.143.11.8270862.0max=-⨯=-=ρρρ取安全系数为0.70,则
smuu/121.1732.17.070.0max=⨯==
故muVDS51.3732
.114.357.544=⨯⨯==π(满足0.8~1.6的范围按标准,塔径圆整为m3,则空塔气速为
s/m788.014
.3357.54DV422S=⨯⨯==πμ实一般的,在塔径超过1m时,应按照200mm增值定塔径。
故取D=3.0
5.2溢流装置
采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰,不设进口堰。
各项计算如下。
图3溢流装置图
(aU型流(b单溢流(c双溢流(d阶梯式双溢流
图4塔板的结构参数
5.2.1溢流堰长wl
取堰长wl为0.7D,即
mlw10.20.37.0=⨯=
5.2.2出口堰高
wh=Lowhh-
选用平直堰,堰上液层高度owh由下式计算
owh=2/32.841000hwLEL⎛⎫⎪⎝⎭
近似取E=1.03,则
owh=0.017
故wh=0.07-0.017=0.053m
5.2.3降液管的宽度Wd与降液管的面积Af
由7.0/=DlW查图弓形降液管的宽度与面积,得
0.145/=DWd09.0/=TfAA
故mDWd435.00.3145.0145.0=⨯==222636.034
14.309.0409.0mDAf=⨯==π
则液体在降液管中停留的时间以检验降液管面积,
即sLHAST
f75.390064
.04.0636.0=⨯==τ因为此值大于5s,可保证足够的停留时间,使溢流液中夹带的气泡得以分离。
5.2.4降液管底隙高度Oh
取液体通过降液管底隙的流速smu/10.00=
mulLhWSO0305.010.010.20064.00
=⨯='=5.3塔板布置
(1取边缘区宽度mWC06.0=,mWS08.0=
(2开孔区面积((mWWDxSd985.008.0435.02
0.32=+-=+-=mWDRc44.106.02
0.32=-=-=2
12221222078.244.1985.0sin44.118014.3985.044.1985.02sin1802mRxRxRxAa=⎪⎭⎫⎝
⎛⨯⨯+-⨯⨯=⎪⎭
⎫⎝⎛+-=--π
图7筛孔的正三角形排列
5.4筛孔数n与开孔率ϕ
取筛孔的孔径mmd50=,正三角形排列,一般碳钢的板厚mm5.3=δ若0.3/0=dt,孔中心距mmt0.150.50.3=⨯=此时,筛板数为
孔77.10694078.215
101158(101158(23
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