3.4 浮阀精馏塔设计实例

3.4 浮阀精馏塔设计实例

3.4.1 化工原理课程设计任务书

1 设计题目：分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计

2 原始数据及条件

生产能力：年处理乙醇-水混合液14.0万吨（开工率300天/年）

原料：乙醇含量为20%（质量百分比，下同）的常温液体

分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%

塔底乙醇含量不高于0.2%

建厂地址：江苏常州

3.4.2 塔板的工艺设计

1 精馏塔全塔物料衡算

F：原料液流量（kmol/s）x F：原料组成（摩尔分数，下同）

D：塔顶产品流量（kmol/s）x D：塔顶组成

W：塔底残液流量（kmol/s）x W：塔底组成

原料乙醇组成：

塔顶组成：

塔底组成：

进料量：

物料衡算式：F = D + W

F x F= D x D+ W x W

联立代入求解：D = 0.0264 kmol/s，W = 0.2371 kmol/s

2 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系

在示例中对表格、图和公式未编号，在设计说明书中要求严格编号。

表3-11 乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系

液相气相温度/℃液相气相温度/℃液相气相温度/℃

100 0 0 82.7 23.37 54.45 79.3 57.32 68.41

95.5 1.90 17.00 82.3 26.08 55.80 78.74 67.63 73.85

89.0 7.21 38.91 81.5 32.73 59.26 78.41 74.72 78.15

86.7 9.66 43.75 80.7 39.65 61.22 78.15 89.43 89.43

85.3 12.38 47.04 79.8 50.79 65.64

84.1 16.61 50.89 79.7 51.98 65.99

（1）温度

利用表中数据由拉格朗日插值可求得t F、t D、t W

①t F ：t F = 87.41℃

②t D ：t D = 78.17℃

③t W ：t W = 99.82℃

④精馏段平均温度：

⑤提馏段平均温度：

（2）密度

已知：混合液密度：

混合气密度：

①精馏段：

液相组成x1：x1 = 22.94% 气相组成y1：y1 = 54.22%

所以

②提馏段

液相组成x2：x2 = 3.44%

气相组成y2：y2 = 23.37%

所以

表3-12 不同温度下乙醇和水的密度

ρ乙ρ水温度/℃ρ乙ρ水

温度/℃

80 735 971.8 95 720 961.85

85 730 968.6 100 716 958.4

90 724 965.3

求得在与下的乙醇和水的密度

，，

，

同理：，，

在精馏段：液相密度：

气相密度：

在提馏段：液相密度：

气相密度：

（3）混合液体表面张力

二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算

公式：

注：

，，

，，

，，

式中下角标，w,o,s分别代表水、有机物及表面部分，x w、x o指主体部分的分子数，V w、V o主体部分的分子体积，δw、δo为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q = 2。

①精馏段

表3-13 不同温度下的表面张力

70 80 90 100

温度/℃

乙醇表面张力/10-2N/m218 17.15 16.2 15.2

水表面张力/10-2N/m264.3 62.6 60.7 58.8

乙醇表面张力：

水表面张力：

因为，所以

联立方程组，

代入求得：，

，

1.提馏段

，

乙醇表面张力：解得：

水表面张力：解得：

因为，所以

联立方程组，

代入求得：，

（4）混合物的粘度

，查表得：，

，查表得：，

精馏段粘度：

提馏段粘度：

（5）相对挥发度

①精馏段挥发度：由，得，

所以

②提馏段挥发度：由，得，（6）气液相体积流量计算

根据x-y图得：

取

①精馏段：

已知：，

，

则有质量流量：

体积流量：

②提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以

已知：，

，

则有质量流量：

体积流量：

3 理论塔板的计算

理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。

理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。

根据1.01325×105Pa下，乙醇—水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线，即x-y曲线图，泡点进料，所以q = 1，即q为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切，如图（图略）：

x q = 0.0891， y q = 0.3025，所以，操作回流比

已知：精馏段操作线方程：

提馏段操作线方程：

在图上作操作线，由点（0.8814, 0.8814）起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交点小于0.00078为止，由此得到理论板N T = 26块（包括再沸器）加料板为第24块理论板。

板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算。