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1、化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)量1.5萬(wàn)噸乙醇-正丙醇精餾塔設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 起止日期 2023.06.13-2023.06.24 目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)32設(shè)計(jì)方案43.1 物料衡算73.2 摩爾衡算74塔體重要工藝尺寸84.1 塔板數(shù)的擬定84.1.1 塔板壓力設(shè)計(jì)84.1.2 塔板溫度計(jì)算84.1.3 物料相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算104.1.4 回流比計(jì)算104.1.5 塔板物料衡算114.1.6 實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算124.1.7 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算134.2 塔徑計(jì)算134.2.1 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算134.2.2 平均密度計(jì)算144.2.3 液相表面張力計(jì)算

2、154.2.4 塔徑計(jì)算154.3 塔截面積164.4 精餾塔有效高度計(jì)算164.5 精餾塔熱量衡算174.5.1 塔頂冷凝器的熱量衡算174.5.2 全塔的熱量衡算195板重要工藝尺寸計(jì)算225.1 溢流裝置計(jì)算225.1.1 堰長(zhǎng)225.1.2 溢流堰高度225.1.3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af235.1.4 降液管底隙高度h0235.2 塔板布置235.2.1 塔板的選用235.2.2 邊沿寬度和破沫區(qū)寬度的擬定245.2.3 鼓泡區(qū)面積的計(jì)算245.2.4 浮閥的數(shù)目與排列245.3 閥孔的流體力學(xué)驗(yàn)算265.3.1 塔板壓降265.3.2 液泛275.3.3 液沫夾帶285.3

3、.4 漏液306設(shè)計(jì)篩板的重要結(jié)果匯總表311設(shè)計(jì)任務(wù)物料組成：為乙醇45%、正丙醇55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；產(chǎn)品組成:塔頂乙醇含量98%，塔頂易揮發(fā)組分回收率99%；操作壓力：101.325kPa(塔頂絕對(duì)壓力)；加熱體系：間接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為5kgf/cm2（絕壓）；冷凝體系：冷卻水進(jìn)口溫度25，出口溫度45；熱量損失：設(shè)備熱損失為加熱蒸汽供熱量的5；料液定性：料液可視為抱負(fù)物系；年產(chǎn)量（乙醇）：1.5萬(wàn)噸；每年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間：7200h；進(jìn)料方式：飽和液體進(jìn)料，q值為1；塔板類(lèi)型: 浮閥塔板。廠址選地：北京地區(qū)2設(shè)計(jì)方案蒸餾裝置涉及精餾塔、原料預(yù)熱器、蒸餾釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷卻器

4、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)，本課程設(shè)計(jì)中年產(chǎn)量大（15000噸/年），所以采用連續(xù)蒸餾的方式。蒸餾過(guò)程根據(jù)操作壓力的不同，可分為常壓、減壓和加壓蒸餾。本設(shè)計(jì)中，由于物料乙醇、正丙醇都是易揮發(fā)有機(jī)物，所以常壓操作，塔頂蒸汽壓力為大氣壓，全塔的壓力降很小。由任務(wù)書(shū)給定，進(jìn)料熱狀況為泡點(diǎn)進(jìn)料，加熱方式采用間接蒸氣加熱，設(shè)立再沸器。塔底設(shè)冷凝回流裝置。工藝流程設(shè)計(jì)：原料液的走向分派器產(chǎn)品貯罐再沸器釜液貯罐冷卻器精餾塔原料預(yù)熱器原料貯罐產(chǎn)品DL冷卻器全凝器釜液WL考慮到蒸氣壓力對(duì)設(shè)備規(guī)定等各方面的影響，選用的蒸

5、氣壓力為5kgf/cm2冷凝水WC再沸器E-102低壓蒸氣LM冷凝水的走向換熱器內(nèi)物料走殼程，冷卻水走管程冷卻水CWR冷卻器E-105冷卻器E-104全凝器E-103冷卻水CW3精餾塔物料衡算3.1 物料衡算已知數(shù)據(jù)：乙醇的摩爾質(zhì)量MA=46.07kg/kmol,正丙醇摩爾質(zhì)量MB=60.1kg/kmol，塔頂易揮發(fā)組分回收率=DXD/FXF=99%FXF=DXD+WXW （1） F=D+W（2）料液的平均摩爾質(zhì)量MF=MAXF+MB(1-XF)=52.86 kg/kmol，F(xiàn)=150001000/72023/MF=39.41 Kmol/h，則：D=Kmol/hW=18.95Kmol/h，XW

6、=1.074%， 3.2 摩爾衡算原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量=52.86 kg/kmol=46.29 kg/kmol=59.95kg/kmol4塔體重要工藝尺寸4.1 塔板數(shù)的擬定4.1.1 塔板壓力設(shè)計(jì)常壓操作，即塔頂氣相絕對(duì)壓力p= kPa預(yù)設(shè)塔板壓力降： kPa估計(jì)理論塔板數(shù)：18 估計(jì)進(jìn)料板位置：12 塔底壓力：Pw=101.325+0.618 =112.125 kPa進(jìn)料板壓力：101.325+0.612 =108.525 kPa精餾段平均壓力：104.925kPa4.1.2 塔板溫度計(jì)算溫度（泡點(diǎn)）-液相組成關(guān)系式：又，則溫度（泡點(diǎn)）-氣相組成關(guān)系式： (1)溫度-飽和蒸

7、汽壓關(guān)系式（安托因方程）：乙醇： (2)丙醇： (3)各層塔板壓力計(jì)算公式： (4)塔頂：已知乙醇的氣相組成y為產(chǎn)品組成0.9846，操作壓力為常壓，則通過(guò)聯(lián)立（1）、（2）、(3)由計(jì)算機(jī)繪圖可求得操作溫度及組分飽和蒸汽壓；塔底：已知乙醇組成0.01074，通過(guò)聯(lián)立（2）、（3）、(4)并由計(jì)算機(jī)繪圖可得實(shí)際操作溫度及組分飽和蒸汽壓。結(jié)果如下：塔頂：PA=103.1102 kPa PB=48.09452 kPa tD=78.6971塔底：PA=222.41892k Pa PB=110.42089 kPa tD=99.4145進(jìn)料板：PA=162.15676 kPa PB=78.55308 k

8、Pa tD=90.20234.1.3 物料相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算，根據(jù)上文求出的數(shù)據(jù)可得：塔頂： 2.1439 塔底： =2.01428 進(jìn)料板：=2.0643平均相對(duì)揮發(fā)度： =2.0784.1.4 回流比計(jì)算最小回流比 (5)q線方程：采用飽和液體進(jìn)料時(shí)q=1,故q線方程為：xq=xF=0.5163， (6) 相平衡方程：（6），（7）聯(lián)立得：=0.5163, =0.68925，代入式（5）可以求得：最小理論板數(shù)=11.8687（涉及再沸器）最適回流比2.4974.1.5 塔板物料衡算精餾段操作線方程：，代入數(shù)據(jù)得：y =0.714x +0.286提餾段操作線 ，（），代入數(shù)據(jù)得：y = 1.26

9、5x -0.0028相平衡方程:用圖解法求求理論板層數(shù)用逐板法求求理論板層數(shù)N=23（涉及再沸器）根據(jù)圖表得出x1=0.968521， xF=0.496153， yF=0.671734.1.6 實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算4.1.6.1 黏度（通過(guò)液體黏度共線圖差得）乙醇、正丙醇黏度共線圖坐標(biāo)值物質(zhì)XY乙醇10.513.8正丙醇9.116.5全塔平均溫度為：tm=89.0558 物料在平均溫度下的粘度，通過(guò)查表可得：乙醇：正丙醇：全塔平均黏度計(jì)算公式:代入數(shù)據(jù)可得平均粘度 4.1.6.2總塔板效率普特拉博伊德公式：代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：4.1.7 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算精餾段板數(shù)提餾段板數(shù)總板數(shù)N=48 (涉及塔釜再沸

10、器)4.2 塔徑計(jì)算4.2.1 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂進(jìn)料板 精餾段4.2.2 平均密度計(jì)算氣相平均密度有抱負(fù)狀態(tài)方程計(jì)算，即 液相平均密度塔頂：查手冊(cè)有：進(jìn)料板： 查表有:進(jìn)料板液相質(zhì)量分率：aA=（0.49615346.07）/（0.49615346.07+0.50384760.1）=0.43精餾段液相平均密度 4.2.3 液相表面張力計(jì)算塔頂：查手冊(cè)有：進(jìn)料板： 查表有: 精餾段平均表面張力4.2.4 塔徑計(jì)算精餾段氣液體積流率為m3/s取板間距查史密斯關(guān)聯(lián)圖有： 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后D=0.8m4.3 塔截面積4.4 精餾塔有效高度計(jì)算精餾段有效高度為Z精=（N精-1）HT=（23-1）0.

11、45=9.9m，提餾段有效高度為Z提=（N提-1）HT=（25-1）0.45=10.8m，在塔頂、塔底和進(jìn)料板上方各開(kāi)一人孔，其高度為0.8m，所以精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.8=9.9+10.8+0.83=23.1m4.5 精餾塔熱量衡算4.5.1 塔頂冷凝器的熱量衡算目的：對(duì)塔頂冷凝器進(jìn)行熱量衡算以擬定冷卻水的用量如圖4-2所示，對(duì)精餾塔塔頂冷凝器進(jìn)行熱量衡算QV4.5.1.1 熱量衡算式式中 QV塔頂蒸氣帶入系統(tǒng)的熱量； QL回流液帶出系統(tǒng)的熱量； QD餾出液帶出系統(tǒng)的熱量； QW冷凝水帶出系統(tǒng)的熱量。4.5.1.2 基準(zhǔn)態(tài)的選擇上文中已經(jīng)求出塔頂蒸汽溫度，該溫度也為回流液和餾

12、出液的溫度。同時(shí)，操作壓力為101.325kPa。以塔頂操作狀態(tài)為熱量衡算基準(zhǔn)態(tài)，則QL= QD=04.5.1.3 各股物料熱量計(jì)算查得乙醇和正丙醇正常沸點(diǎn)為351.45K和370.25K，在正常沸點(diǎn)下的汽化焓分別為38.56kJ/mol、41.44kJ/mol，算出乙醇和正丙醇在78.6971時(shí)的氣化焓分別為38.531 kJ/mol、43.130 kJ/mol由此可計(jì)算進(jìn)入塔頂冷凝器蒸氣的熱量為代入到熱量衡算式中，可求得塔頂冷凝器帶走的熱量為4.5.1.4 冷卻水的用量設(shè)冷卻水的流量為，則Cp(t2t1)已知：t125 t245以進(jìn)出口水溫的平均值為定性溫度：查得水在35時(shí)的比熱容為： Cpm4.175kJ/(kg.)4.5.2 全塔的熱量衡算目的：擬定再沸器的蒸汽用量如圖4-3所示，對(duì)精餾