化工原理课程设计(乙醇和水的分离)
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化工原理课程设计
课题名称乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计
院 系可再生能源学院
班 级应用化学0901班
学 号28
学生姓名蔡 文 震
指导老师覃 吴
设计周数1
一、化工原理课程设计任务书4
1.1设计题目4
1.2原始数据及条件：4
二、塔板工艺设计4
2.1精馏塔全塔物料衡算4
2.2乙醇和水的物性参数计算5
2.2.1温度5
温度T℃
液相中乙醇的摩尔分率%
气相中乙醇的摩尔分率%
100
0.00
0.00
95.5
0.0190
0.1700
89.0
0.0721
0.3891
86.7
0.0966
0.4375
85.3
0.1238
0.4704
84.1
0.1661
0.5089
82.7
0.2377
0.5445
82.3
0.2608
0.5580
81.6
最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为
式中umax——允许空塔气速，m/s；
ρV，ρL——分别为气相和液相的密度，kg/m3；
C——气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；
图中的气体负荷参数C20仅适用于液体的表面张力为0.02N/m，若液体的表பைடு நூலகம்张力为6N/m，则其气体负荷系数C可用下式求得：
所以，初步估算塔径为：
其中，u——适宜的空塔速度，m/s。
由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。
图中HT——塔板间距，m；hL——板上液层高度，m；V ,L——分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s；ρV，ρL——分别为塔内气、液相的密度，kg/m3
4.1塔板压降19
19
19
20
20
4.2液沫夹带20
4.3漏液21
4.4液泛21
五、塔板负荷性能图22
5.1漏液线22
5.2液沫夹带线22
5.3液相负荷下限线24
5.4液相负荷上限线24
5.5液泛线24
5.6图表汇总及负荷曲线图26
六、主要工艺接管尺寸的计算和选取26
七、课程设计总结27
八、参考文献28
乙醇——水平衡数据
液相中乙醇的摩尔分数
气相中乙醇的摩尔分数
液相中乙醇的摩尔分数
气相中乙醇的摩尔分数
0.0
0.0
0.25
0.551
0.01
0.11
0.30
0.575
0.02
0.175
0.40
0.614
0.04
0.273
0.50
0.657
0.06
0.34
0.60
0.698
0.08
0.392
0.70
0.755
965.3
958.4
951.6
所以
（1）精馏段平均相对挥发度
（2）提留段平均挥发度
6 查手册得
查手册得
（1）精馏段黏度：
（2）提留段黏度：
查物理化学手册可得
水的表面张力的经验公式：
所以可以求得 ， ，
乙醇的查取表可以通过内插法算得
液体
表面张力
温度
60℃
80℃
100℃
乙醇
19.2mN/m
17.3mN/m
一、化工原理课程设计任务书
1.1
分离乙醇一水筛板精馏塔的设计
1.2
生产能力：年处理乙醇一水混合液2.6万吨/年（约为87吨/天）。
原料：来自原料罐，温度20℃，乙醇含量为46%（质量分率，下同）。
分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%。
塔底乙醇含量不高于0. 05%。
塔顶压力P=105KPa。
进料状态为冷进料。
15.5mN/m
, ,
塔顶表面张力： ，
，
，
（1）精馏段的平均表面张力：
（2）提馏段的平均表面张力：
2.3
2.3.1 q
泡点温度82.46℃
平均温度：
乙醇的摩尔热容
乙醇的摩尔汽化焓
水的摩尔热容
水的汽化潜热
平均汽化热
对 不论q=1还是q=1.13挟点均是切点。所以最小回流比一样，在x=0.和x=1.0之间拟合平衡曲线
0.3273
0.5826
80.7
0.3965
0.6122
79.8
0.5079
0.6564
79.7
0.5198
0.6599
79.3
0.5732
0.6841
78.74
0.6763
0.7385
78.41
0.7472
0.7815
78.15
0.8943
0.8943
根据表中数据可以求得
1.精馏段平均温度：
2.提留段平均温度：
2.2.2密度6
9
9
9
2.3塔板的计算10
2.3.1 q、精馏段、提留段方程计算10
12
12
2.4操作压力的计算13
三、塔体的工艺尺寸计算13
3.1塔径的初步计算13
13
13
3.2塔体有效高度的计算15
3.3精馏塔的塔高计算16
3.4溢流装置16
16
16
17
3.5塔板布置17
17
18
18
18
四、筛板的流体力学验算19
0.10
0.43
0.80
0.82
0.14
0.482
0.894
0.894
0.18
0.153
0.95
0.942
0.20
0.525
1.0
1.0
计算得
根据工艺要求取1.8
精馏段方程：
提留段方程：
根据吉利兰关联图，已知 对应
取13块板，精馏段7块，提留段5块（塔釜一块）
实际塔板数：
全塔效率：
2.4
取每块板的压降为0.7KPa
取
查图得
m/s
取安全系数0.7则空塔气速
D=0.84m
取
查图得
取安全系数0.7则空塔气速
D=0.75m
精馏段与提留段相差不大，根据JB-1153-73圆整塔径取D=1m
实际气速：精馏段 ，提留段
2.2.2
已知：混合液密度：
混合气密度：
塔顶温度：
气相组成：
进料温度：
气相组成：
塔底温度：
气相组成：
（1）精馏段
液相组成：
气相组成：
所以
(2)提留段
液相组成：
气相组成：
所以
不同温度下一寸与水的密度表
温度T，℃
70
80
90
100
110
754.2
742.3
730.1
717.4
704.3
977.8
971.8
塔釜为饱和蒸汽直接加热。
二、塔板工艺设计
2.1
F：进料量（Kmol/s）
D：塔顶产品流量（Kmol/s）
W：塔底残液流量（Kmol/s）
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
联立求解：D =0.0153Kmol/s
W =0.0387Kmol/s
2.2
2.2.1
常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系
3、
3.1
（1）精馏段：
质量流量：
体积流量：
（2）提留段：
质量流量：
体积流量：
板式塔的塔径依据流量公式计算，即
式中D——塔径m；
Vs——塔内气体流量m3/s；
u——空塔气速m/s。
由上式可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即
课题名称乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计
院 系可再生能源学院
班 级应用化学0901班
学 号28
学生姓名蔡 文 震
指导老师覃 吴
设计周数1
一、化工原理课程设计任务书4
1.1设计题目4
1.2原始数据及条件：4
二、塔板工艺设计4
2.1精馏塔全塔物料衡算4
2.2乙醇和水的物性参数计算5
2.2.1温度5
温度T℃
液相中乙醇的摩尔分率%
气相中乙醇的摩尔分率%
100
0.00
0.00
95.5
0.0190
0.1700
89.0
0.0721
0.3891
86.7
0.0966
0.4375
85.3
0.1238
0.4704
84.1
0.1661
0.5089
82.7
0.2377
0.5445
82.3
0.2608
0.5580
81.6
最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为
式中umax——允许空塔气速，m/s；
ρV，ρL——分别为气相和液相的密度，kg/m3；
C——气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；
图中的气体负荷参数C20仅适用于液体的表面张力为0.02N/m，若液体的表பைடு நூலகம்张力为6N/m，则其气体负荷系数C可用下式求得：
所以，初步估算塔径为：
其中，u——适宜的空塔速度，m/s。
由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。
图中HT——塔板间距，m；hL——板上液层高度，m；V ,L——分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s；ρV，ρL——分别为塔内气、液相的密度，kg/m3
4.1塔板压降19
19
19
20
20
4.2液沫夹带20
4.3漏液21
4.4液泛21
五、塔板负荷性能图22
5.1漏液线22
5.2液沫夹带线22
5.3液相负荷下限线24
5.4液相负荷上限线24
5.5液泛线24
5.6图表汇总及负荷曲线图26
六、主要工艺接管尺寸的计算和选取26
七、课程设计总结27
八、参考文献28
乙醇——水平衡数据
液相中乙醇的摩尔分数
气相中乙醇的摩尔分数
液相中乙醇的摩尔分数
气相中乙醇的摩尔分数
0.0
0.0
0.25
0.551
0.01
0.11
0.30
0.575
0.02
0.175
0.40
0.614
0.04
0.273
0.50
0.657
0.06
0.34
0.60
0.698
0.08
0.392
0.70
0.755
965.3
958.4
951.6
所以
（1）精馏段平均相对挥发度
（2）提留段平均挥发度
6 查手册得
查手册得
（1）精馏段黏度：
（2）提留段黏度：
查物理化学手册可得
水的表面张力的经验公式：
所以可以求得 ， ，
乙醇的查取表可以通过内插法算得
液体
表面张力
温度
60℃
80℃
100℃
乙醇
19.2mN/m
17.3mN/m
一、化工原理课程设计任务书
1.1
分离乙醇一水筛板精馏塔的设计
1.2
生产能力：年处理乙醇一水混合液2.6万吨/年（约为87吨/天）。
原料：来自原料罐，温度20℃，乙醇含量为46%（质量分率，下同）。
分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%。
塔底乙醇含量不高于0. 05%。
塔顶压力P=105KPa。
进料状态为冷进料。
15.5mN/m
, ,
塔顶表面张力： ，
，
，
（1）精馏段的平均表面张力：
（2）提馏段的平均表面张力：
2.3
2.3.1 q
泡点温度82.46℃
平均温度：
乙醇的摩尔热容
乙醇的摩尔汽化焓
水的摩尔热容
水的汽化潜热
平均汽化热
对 不论q=1还是q=1.13挟点均是切点。所以最小回流比一样，在x=0.和x=1.0之间拟合平衡曲线
0.3273
0.5826
80.7
0.3965
0.6122
79.8
0.5079
0.6564
79.7
0.5198
0.6599
79.3
0.5732
0.6841
78.74
0.6763
0.7385
78.41
0.7472
0.7815
78.15
0.8943
0.8943
根据表中数据可以求得
1.精馏段平均温度：
2.提留段平均温度：
2.2.2密度6
9
9
9
2.3塔板的计算10
2.3.1 q、精馏段、提留段方程计算10
12
12
2.4操作压力的计算13
三、塔体的工艺尺寸计算13
3.1塔径的初步计算13
13
13
3.2塔体有效高度的计算15
3.3精馏塔的塔高计算16
3.4溢流装置16
16
16
17
3.5塔板布置17
17
18
18
18
四、筛板的流体力学验算19
0.10
0.43
0.80
0.82
0.14
0.482
0.894
0.894
0.18
0.153
0.95
0.942
0.20
0.525
1.0
1.0
计算得
根据工艺要求取1.8
精馏段方程：
提留段方程：
根据吉利兰关联图，已知 对应
取13块板，精馏段7块，提留段5块（塔釜一块）
实际塔板数：
全塔效率：
2.4
取每块板的压降为0.7KPa
取
查图得
m/s
取安全系数0.7则空塔气速
D=0.84m
取
查图得
取安全系数0.7则空塔气速
D=0.75m
精馏段与提留段相差不大，根据JB-1153-73圆整塔径取D=1m
实际气速：精馏段 ，提留段
2.2.2
已知：混合液密度：
混合气密度：
塔顶温度：
气相组成：
进料温度：
气相组成：
塔底温度：
气相组成：
（1）精馏段
液相组成：
气相组成：
所以
(2)提留段
液相组成：
气相组成：
所以
不同温度下一寸与水的密度表
温度T，℃
70
80
90
100
110
754.2
742.3
730.1
717.4
704.3
977.8
971.8
塔釜为饱和蒸汽直接加热。
二、塔板工艺设计
2.1
F：进料量（Kmol/s）
D：塔顶产品流量（Kmol/s）
W：塔底残液流量（Kmol/s）
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
联立求解：D =0.0153Kmol/s
W =0.0387Kmol/s
2.2
2.2.1
常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系
3、
3.1
（1）精馏段：
质量流量：
体积流量：
（2）提留段：
质量流量：
体积流量：
板式塔的塔径依据流量公式计算，即
式中D——塔径m；
Vs——塔内气体流量m3/s；
u——空塔气速m/s。
由上式可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即