乙醇水精餾塔設(shè)計計算書

1、封面前言精餾塔是進(jìn)行精餾地一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔.有板式塔與填料塔兩種主要類型 .根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔.蒸氣由塔底進(jìn)入，與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中地易揮發(fā)(低沸點 )組分不斷地向蒸氣中轉(zhuǎn)移，蒸氣中地難揮發(fā)(高沸點 )組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達(dá)到組分分離地目地.由塔頂上升地蒸氣進(jìn)入冷凝器，冷凝地液體地一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余地部分則作為餾出液取出.塔底流出地液體，其中地一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕?精餾塔地工

2、作原理是根據(jù)各混合氣體地汽化點（或沸點）地不同，控制塔各節(jié)地不同溫度，達(dá)到分離提純地目地.化工生產(chǎn)常需進(jìn)行液體混合物地分離以達(dá)到提純或回收有用組分地目地，精餾操作在化工、石油化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中中占有重要地地位.要想把低純度地乙醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾地方法，因為乙醇和水地?fù)]發(fā)度相差不大.精餾是多數(shù)分離過程，即同時進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝地過程，因此可使混合液得到幾乎完全地分離.化工廠中精餾操作是在直立圓形地精餾塔內(nèi)進(jìn)行地，塔內(nèi)裝有若干層塔板或充填一定高度地填料.為實現(xiàn)精餾分離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引入下降液.可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，還必

3、須有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時還要配原料液預(yù)熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實現(xiàn)整個操作.本次設(shè)計包括設(shè)計方案地選取，主要設(shè)備地工藝設(shè)計計算 物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)地選定、設(shè)備地結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸地設(shè)計計算，輔助設(shè)備地選型，工藝流程圖，主要設(shè)備地工藝條件圖等內(nèi)容.通過對精餾塔地運(yùn)算，調(diào)試出塔地工藝流程、生產(chǎn)操作條件及物性參數(shù)，以保證精餾過程地順利進(jìn)行并使效率盡可能地提高.目錄目錄 .3緒論 .51.1工程設(shè)計地目地 .51.2設(shè)計根據(jù) .51.3設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) .71.3.1設(shè)計題目 .71.3.2設(shè)計任務(wù)及條件 .71.4設(shè)計內(nèi)容： .71.5設(shè)計成果： .7第 2 章 塔地工藝計算

4、.82.1工藝過程 .82.1.1物料衡算 .82.1.2理論及實際塔板數(shù)地確定 .92.2塔地結(jié)構(gòu)設(shè)計 .112.2.1精餾塔塔徑地計算 .112.2.2塔地實際高度和實際進(jìn)料高度地計算.18第 3 章 換熱器設(shè)備計算 .193.1全凝器負(fù)荷計算 .193.2塔釜飽和蒸汽直接加熱流量計算.203.3冷凝器二負(fù)荷計算 .203.4冷凝器三負(fù)荷計算 .213.5換熱器負(fù)荷計算 .22第 4 章 管材地計算 .244.1進(jìn)料管直徑地計算 .244.2溜出夜管道直徑地計算 .244.3全凝器冷凝水管材直徑地計算 .254.4冷凝器冷卻水管材直徑地計算 .264.4.1冷凝器二地計算： .264.4.

5、2冷凝器三地實際流速計算 .274.5換熱器沸騰水進(jìn)水管道直徑 .27第 5 章 離心泵地選型與計算 .285.1進(jìn)料離心泵地計算選型 .285.2循環(huán)泵一地計算及選型 .295.3循環(huán)泵二地計算和選型 .305.4沸騰水進(jìn)塔離心泵 .31表索引表 2-1 物料衡算數(shù)據(jù)記錄8表 2-2 平均摩爾質(zhì)量13表 2-3 液相平均密度14表 2-4 液體平均張力16表 2-5 汽液相體積流量計算17緒論1.1 工程設(shè)計地目地培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，特別是本課程地有關(guān)知識解決化工實際問題地工作能力，使學(xué)生得到一次學(xué)習(xí)化工設(shè)計能力地初步訓(xùn)練，為今后從事化工設(shè)計工作打下基礎(chǔ).1)通過設(shè)計學(xué)生還應(yīng)特別注意如

6、下幾個 “能力 ”地訓(xùn)練和培養(yǎng)，即搜集資料和正確選用公式、數(shù)據(jù)地能力 .2) 從技術(shù)上地可行性、先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)上地合理性等方面樹立正確地設(shè)計思想，分析和解決工程實際問題地能力 .3) 精餾塔正常生產(chǎn)和開停車操作程序；迅速正確地進(jìn)行計算地能力以及以簡潔地文字、圖表表達(dá)自己設(shè)計思想地能力 .1.2 設(shè)計根據(jù)課程設(shè)計方案選定所涉及地主要內(nèi)容有：操作壓力、進(jìn)料狀況、加熱方式及其熱能地利用 .1) 操作壓力精餾常在常壓，加壓或減壓下進(jìn)行，確定操作壓力主要是根據(jù)處理物料地性質(zhì)，技術(shù)上地可行性和經(jīng)濟(jì)上地合理性來考慮地.一般來說，常壓精餾最為簡單經(jīng)濟(jì)，若無聊無特殊要求，應(yīng)盡量在常壓下操作.加壓操作可提高平衡溫度

7、，有利于塔頂蒸汽冷凝熱地利用，或可以使用較便宜地冷卻劑，減少冷凝，冷卻費(fèi)用.在相同地塔徑下，適當(dāng)提操作壓力還可以提高塔德處理能力.所以我們采用塔頂壓力為常壓（101.33kPa）進(jìn)行操作 .2) 進(jìn)料狀況進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都是將料液預(yù)熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這樣，進(jìn)料溫度不受季節(jié)，氣溫變化和前道工序波動地影響，塔地操作也比較好控制.此外，泡點進(jìn)料時，精餾段和提餾地塔徑相同，設(shè)計制造比較方便.3) 加熱方式精餾塔通常設(shè)置再沸器，采用間接蒸汽加熱，以提供足夠地能量，若待分離地物系為某種輕組分和水地混合物，往往可采用直接蒸汽加熱方式，但在塔頂輕組分回收率一定時，由于蒸汽冷凝水地稀釋作用，使

8、殘液輕組分濃度降低，所需塔板數(shù)略有增加.4) 熱能地利用精餾過程地原理是多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，因此熱效率很低，通常進(jìn)入再沸器地能量僅有5%左右被利用 .塔頂蒸汽冷凝放出地?zé)崃渴谴罅康?但其位能較低，不可能直接用來做塔釜地?zé)嵩矗捎米鞯蜏責(zé)嵩?，供別處使用.或可采用熱泵技術(shù)，提高溫度后在用于加熱釜液.1.3 設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)設(shè)計題目乙醇精餾塔設(shè)計任務(wù)及條件.原料中含乙醇40%，其余均為水（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）.塔頂溜出液中含乙醇91%.、生產(chǎn)能力120t/day.操作條件：a、直接蒸汽加熱法；b、塔頂壓力：100kPa ； c、進(jìn)料熱狀態(tài)：泡點進(jìn)料；d 、回流比R=2.21.4 設(shè)

9、計內(nèi)容：（ 1）、流程地設(shè)計與說明 .（ 2）、塔板和塔徑地計算 .（ 3）、其它： a、加熱蒸汽消耗量； b、冷凝器地傳熱面積及冷卻水地消耗量.1.5 設(shè)計成果：（ 1）、設(shè)計書一份 .（ 2）、 PPT 一份 .（3）、流程圖、設(shè)備圖各一份.第2章塔地工藝計算2.1 工藝過程物料衡算F T / day120a0.4 流出液乙醇組分 aF AD AF kg / h5000M AM B4618X F(40/46)/(40/46+60/18)=0.21X(91/46)/(91/46+9/18)=0.798DM F0.21*46+0.79*18=23.88F5000/23.88=209.4kmol

10、 / hDWF =209.4D X D0.910.98DDFX F0.98DWFXDXWXFD(0.98*209.4*0.21)/0.798=54 kmol / hW 209.4-54=155.4 kmol / hXW（ 209.4*0.21-54*0.798 ） /155.4=0.00568表 21物料衡算數(shù)據(jù)記錄Fkmol / hX209.4FDkmol / hX54DWkmol / hX155.4W0.210.7980.00568理論及實際塔板數(shù)地確定乙醇水溶液的 t-x-y 圖1051009590t/8580757001x,(y)乙

11、醇水溶液的 y-x 圖0.6y0.20.1001x取X=X，連接到對角線，交于a 點，做曲線地切點，切點與a 點連接得到截距，根據(jù)DRmin（ 0.798-0.49）/(0,798-0.21)得 R1.1R=1.1*2=2.2Rmin1min根據(jù)作圖法求理論板數(shù)得NT塊理論進(jìn)料板，精餾段理論板層數(shù)為7 塊.提11，第 8餾段理論板層數(shù)為4 塊 .根據(jù)乙醇 -水體系地相平衡數(shù)據(jù)可以查得塔頂：塔底：X0.798 Y0.8 t78DDDX0.00568 Y0.03 t100WwwF0.21YF0.53tF83

12、進(jìn)料板 X塔頂和塔釜地算數(shù)平均溫度：tm2tw（ 78+100 ） /2=89 tD在 78下0.38 mps0.31 mps1AaBa1/ 3n1/ 320.323917637 cp根據(jù)公式x解得mmiii1又根據(jù) logmXlog計算和驗證計算得出數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)相差很小 .iim綜上所述取0.323917637 cp.m0.170.616log ，解得 E根據(jù) Drickaner-Bradford 公式 EO0.47o11715.N23，實際地精餾段板層數(shù)為NpEO16塊.pEo所以進(jìn)料板層為第根據(jù)實際經(jīng)驗總結(jié)塔頂和塔釜再各加3塊板.綜上所述實際板層數(shù)為29 塊，進(jìn)料板為第 19塊，精餾段板層

13、數(shù)為18 塊，提餾段為11塊.1 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中附錄十四液體地粘度和密度2 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中組分互溶地混合液體地粘度計算式2.2 塔地結(jié)構(gòu)設(shè)計精餾塔塔徑地計算A.根據(jù)安托因方程 log PAB /( tC)乙醇地常數(shù)： A=8.04494 B=1554.3 C=222.65水地常數(shù)： A=7.96681 B=1668.21 C=228.0 3乙醇 log P8.04494 1554.3/( t222.65)水 log PA7.96681 1668.21/(t228.0)P XBP XPAAB B將 PP代入以上式子，進(jìn)行試差，求

14、得塔頂、進(jìn)料板、塔釜地壓力及溫度.A BPkPa X A0.798試差得 t頂 = 81.1（ 1）塔頂：100（2）進(jìn)料板理論位置是第8 塊，實際位置為第19塊 . 精餾板實際板層數(shù)為18 塊.根據(jù)經(jīng) 驗選取每層塔板壓 降P0.5kPa進(jìn)料板壓力：P100+0.5*18=109kPa進(jìn)料板： P109 kPa， XXF0.21 試差得 tAF95.5FF提餾段實際板層數(shù)： N=11塊實際塔釜壓力：P109+0.5*11=114.5kPa塔釜： XXWA0.00568, P114.5 kPa,試差得 t103WWw（ 3） 求得精餾段和提餾段地平均壓力和溫度tm（ 81.1+95.5） /2=

15、88.3精餾段p（ 100+109） /2=104.5 kPam3 一些常見物質(zhì)地安托因常數(shù) - 百度文庫tm（ 95.5+103 ） /2=99.3 提餾段pm（109+114.5 ） /2=111.8 kPaB. 平均摩爾質(zhì)量計算：MVDm0.8*46+ （ 1-0.8） *18=40.4塔頂：M LDm0.798*46+ （1-0.798 ） *18=40.344MVFm0.53*46+ （ 1-0.53）*18=32.84進(jìn)料板：M LFm0.21*46+ （1-0.21） *18=23.88MVWm0.03*46+ （ 1-0.03） *18=18.84塔釜：M LWm 0.0056

16、8*46+(1-0.00568)*18=18.15904提餾段平均摩爾質(zhì)量：MMVDm MVFm =（ 40.4+32.84 ） /2=36.62Vm2M Lm2M LFm =(40.344+23.88)/2=32.112M LDm提餾段平均摩爾質(zhì)量：MMVFm MVWm =(32.84+18.84)/2=25.84Vm2M Lm2=(23.88+18.15904)/2=21.01952M LFm M LWm表 22 平均摩爾質(zhì)量塔頂MVDm40.4量 均 精摩 餾M40.344爾 段質(zhì) 平LDm進(jìn)料板MVFm32.84量 均 提摩 餾M23.88爾 段質(zhì) 平LFm塔釜MVWm18.84M L

17、Wm 18.15904C. 平均密度地計算MVmM Lm MVmMLm36.6232.11225.8421.019521)氣相平均密度地計算：VmPMRT精餾段氣相平均密度計算：VmPmMVm104.5*36.62/(8.314*(88.3+273)=1.27kg / m3RT提餾段氣相平均密度計算：Vm111.8*25.84/(8.314*(99.3+273)=0.93kg / m32)液相平均密度地計算：1a1a2A789kg / m3B998 kg / m3m12aAxMxAM A)M0.798 460.91AA(1 xAB0.798 46(1 0.798) 18塔頂：1aB1804.1

18、6kg / m3LD m aA0.910.09AB7899980.21 46進(jìn)料板： aA 0.21 46(1 0.21) 180.405得：0.4051901.3kg / m3LFm0.595789998塔釜：aA0.00568460.0140.00568 46 (1 0.00568）18得：1994.3kg / m3LW m 0.0140.986789998精餾段液相平均密度：804.16901.3852.73kg / m3Lm2提餾段液相平均密度：901.3 994.3947.8kg / m3Lm2表 23 液相平均密度塔頂進(jìn)料板塔釜aAaAaA0.91804.16kg / m3LDm0

19、.405901.3kg / m3LFm0.014994.3kg / m3LWm精餾段平均密度提餾段平均密度D. 液體平均表面張力計算：液體平均表面張力計算根據(jù)以下公式Lm852.73kg / m3Lm947.8kg / m3Lmxii塔頂 : t= 81.117.0mN / m,62.6mN / m4頂ABLDmx1A (1 x1) B0.798 17.0 (1 0.798) 62.626.2112mN / mF95.5A15.3mN / m,B59.5mN / m進(jìn)料板： tLFm xF A (1xF )B0.21 15.3(10.21)59.550.218mN / m塔釜： tw10314

20、.8mN / m,58.2mN / mABLWm0.00568 14.8(10.00568) 58.2 57.95mN / m精餾段液體平均張力：LDmLFm26.21125Lm238 mN . m2124 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中附錄十九液體地表面張力塔頂進(jìn)料板提餾段液體平均張力：LmLWmLFm57.95 50.21854.084mN / m22t表 24液體平均張力tw頂81.103A17.0mN / m塔釜A14.8 mN / mB62.6 mN / mB58.2 mN / mLDm26.2112 mN / mLWm50.218 mN / mt F95.5精餾段

21、液Lm38.2146 mN / m體表面平A15.3 mN / m均張力B59.5 mN / m提餾段液Lm54.084 mN / m體表面平均張力E. 氣液相體積流量計算：V(R 1)D3.2 54 172.8kmol / h精餾段：氣相體積流量：VVM vm172.8 36.62 1.38m3 / sh3600 vm3600 1.27LRD 2.2 54118.8kmol / h液相體積流量LLM Lm118.8 32.112 1.24 103h3600Lm3600 852.73提餾段：氣相體積流量：V ' V(R 1)D3.2 54 172.8kmol / hV '

22、9;'172.8 25.84 1.33m3 / sVM vmh3600'3600 0.93vm液相體積里流量：L'L qF118kmol. h8120'''33LMLm 328.8 21.01952Lh3600'3600 947.82.0 10m/ sLm表 25汽液相體積流量計算Vh1.38 m3 / sVh'1.33m3/ sLh3 m3 / s'2.0 10 3m3 / s1.24 10LhF. 塔徑地計算：umax CLmvm10.2，C 由下式計算： C C20 (20),C20由 smith圖查取 .vm取塔板

23、間距為H0.35m ， 板 上 液 層 高 度h0.05m ，TLHThL0.350.050.30m（1）精餾段塔徑地確定，Lh (L )0.51.24 103(852.73)0.5 0.02328VhV1.381.27查smith圖得：C20=0.059C=0.081555，u0.081555852.731.272.1117max0.93取安全系數(shù)0.7，則空塔氣數(shù)為u0.7 2.1117 1.47819m/ s則精餾塔塔徑 D4Vh4 1.381.189mu3.14 1.47819提餾段塔徑地確定：Lh ( L )0.52.0 10 3947.8 0.048Vh V1.330.93查 sm

24、ith 圖得： C20 =0.062 ，C' 0.062(54.084)0.20.1019620u'0.10196 947.8 0.933.2534m/ smax0.93取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 u'0.73.2534 2.27738m / sD'4V '4 1.33則精餾塔塔徑為h0.8625mu'3.142.27738按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后D1.2m塔地實際高度和實際進(jìn)料高度地計算塔地實際高度：Z=29*0.35=10.5m實際進(jìn)料高度：z=11*0.35=3.85m第3章?lián)Q熱器設(shè)備計算3.1 全凝器負(fù)荷計算按泡點回流設(shè)計，即飽和蒸汽冷凝回

25、流，分凝器采用 25下地冷卻水作為冷卻劑，逆流操作進(jìn)行，則Q V(II) Vr ,根據(jù)液體氣化潛熱圖，在塔頂為 81.8 下，cVDLD乙醇地氣化潛熱：水地氣化潛熱：r600 kJ / kg 5Ar2258 kJ / kgBrri xi600 0.798 461 0.7982258 1830235kJ / kmolQ 172.8 30235 5224608kJ / hCQ KA tmtt81.8 2581.8 45tm2146.080Clnt2ln81.825t181.845K850W /( m2.) 6AQ5224608/360037.05m2Ktm850 10 3 46.08WQc，Cp,

26、c0cC p,c t2t14.195kJ /( kg. C)5 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中附錄十八汽化熱散圖6 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中 P177管殼式換熱器中地 K 地經(jīng)驗值水地用量：WQc522460862271.8kg / hcC p,c t24.195 45 25t13.2 塔釜飽和蒸汽直接加熱流量計算V V'，V'Vo(R1)D 3.254172.8kmol / ho根據(jù)塔釜實際溫度為： t103，塔釜實際壓力為：P 114.5 kPawW根據(jù)飽和水蒸氣表7再根據(jù)內(nèi)插法計算并選取溫度為104，絕對壓力為 116.946 k

27、Pa 地飽和水蒸氣，實際流量為 VVM172.8 183110.4kg / hsO3.3 冷凝器二負(fù)荷計算為達(dá)到節(jié)能地效果，利用循環(huán)冷卻水冷卻冷凝器二裝置，現(xiàn)以25地冷卻水冷卻并逆流操作.Wh54 40.344 2178.576kg / hCph乙醇3.9kJ /( kg K ) 8（因為塔頂溜出夜以乙醇為主所以選取乙醇地比熱容）T181.8t125t 245假設(shè)將物料冷卻到51.8QWhCph(T1T )22178.576 3.9 (81.851.8)254893.4kJ / h7 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中P270 飽和水蒸汽表8 化工原理（第三版，天津大學(xué)出版社，姚玉英等）書中 P285 附錄十六液體地比熱容散圖根據(jù) QWc C pc (t2t1)解得 W3038kg / hCtmt2t181.8 45 (51.8 25) 31.50Clnt2ln 81.845t151.825AQ254893.4/3600 2.6m2Ktm850 10 3 31.53.4 冷凝器三負(fù)荷計算為進(jìn)一步達(dá)到冷卻物料地效果，故再次用循環(huán)