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1、安徽科技学院食品药品学院乙醇水板式精馏塔设计 班级：食品科学与工程101姓名： 蒋大强学号：2301100112指导教师：杜传来 张继武 时间：2012年1月6日摘 要精馏是利用物质沸点的不同，多次的进行混合蒸气的部分冷凝和混合液的部分蒸发的过程，以达到分离的目的。塔设备是炼油和化工生产的重要设备，其作用在于提供气液两相充分接触的场所，有效地实现气液两相间的传热、传质，以达到理想的分离效果，因此它在石油化工生产中得到广泛应用。一个完整的板式塔主要是由圆柱形塔体、塔板、降液管、溢流堰、受液盘及气体和液体进、出口管等部件组成，同时考虑到安装和检修的需要，塔体上还要设置人孔和手孔。平台扶梯和吊柱等部
2、件，整个塔体由塔裙座支撑，在塔内，根据生产公益要求，装有多层塔板，为气液亮相提供接触的场所，塔板性能的好坏直接影响传质效果，是塔板塔的核心部件设计目的：1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。2积极引导学生去思考，培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力，以及查阅资料、处理数据的能力。设计任务或主要技术指标：生产能力为日产24吨98%的乙醇产品，原料中乙醇含量为25%（质量分数，以下同），分离要求为塔顶乙醇含量不低于95%，常压精馏，塔顶全凝，q取1.2，R=1.1 Rmin。塔底乙醇含量不高于0.1%；常压下操作，塔顶采用全凝器，饱和液体进料的板式精馏塔。 关键词：精馏塔、板式塔、设计一.
3、设计的基础数据1.1原始数据条件处理能力：生产能力为日产24吨98%的乙醇产品原料：乙醇含量为25（质量百分比，下同）的饱和液体分离要求：塔底含量不超过0.1,塔顶含量高于98.工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝，q取1.2，R=1.1 Rmin。：水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质量密度20沸 点101.33kPa比热容(20)Kg/(kg.)黏度(20)mPa.s导热系数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.8（2）常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表32表32 乙醇
4、水系统txy数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.99
5、79.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：181.2乙醇和水的不同温度下的密度。表11 不同温度下乙醇和水的密度温度/温度/808590735730724971.8968.6965.385100720716961.85958.41.3乙醇和水的不同温度下的表面张力。 表12 乙醇和水不同温度下的表面张力温度/708090100乙醇表面张力1817.1516.21
6、5.2水表面张力/64.362.660.758.81.4乙醇和水的不同温度下的黏度。表13 乙醇和水不同温度下的黏度温度/708090100乙醇黏度mpa.s0.480.4150.3510.305水的黏度mpa.s0.4000.3300.3180.2841.5乙醇水气、液平衡组成与温度关系表11 乙醇水气、液平衡组成与温度关系沸点t/乙醇分子/%（液相）乙醇分子/%（气相）沸点t/乙醇分子/%（液相）乙醇分子/%（气相）10099.999.899.799.599.29998.7597.6495.895.591.389.087.986.785.385.284.183.7582.782.382.3
7、00.0040.040.050.120.230.310.390.791.611.904.167.217.419.6612.3812.6416.6117.4123.3725.7526.0800.0530.510.771.572.903.725458.7616.3417.0029.9238.9139.6143.7547.0447.4950.8951.6754.4555.7455.808281.581.380.780.680.179.8579.879.779.579.379.278.9578.7578.7478.678.478.2778.278.1578.1527.332.7333.2439.654
8、2.0948.9252.6850.7951.9861.0257.3265.6468.9272.3674.7275.9979.8283.8785.9789.4189.4356.4459.2658.7861.2262.2264.7066.2865.6465.9970.2968.4172.7174.6976.9378.1579.2681.8384.9186.4089.4189.43 设计结果一览表项目符号单位计算数据精馏段提留段各段平均温度81.791.1平均流量气相VSm3/s1.3731.377液相LSm3/s0.001441.079实际塔板数N块139板间距HTm0.40.4塔的有效高度Zm5
9、.23.6塔径Dm1.81.8空塔气速um/s0.790.79塔板液流形式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长lwm0.650.65堰高hwm0.04820.0366溢流堰宽度Wdm0.120.12管底与受液盘距离hom0.03320.0216板上清液层高度hLm0.060.06孔径domm5.05.0孔中心距tmm15.015.0孔数n孔23782378开孔面积m20.4620.462筛孔气速uom/s29.5129.60塔板压降hPkPa1.41.1液体在降液管中停留时间s14.835.59降液管内清液层高度Hdm0.2310.197雾沫夹带eVkg液/kg气0.08790.0641
10、负荷上限液沫夹带控制液沫夹带控制负荷下限液相负荷下限控制漏液控制气相最大负荷VSmaxm3/s1.461.452.精馏塔工艺计算2.1塔的物料衡算2.1.1料液及塔顶，塔底产品含乙醇的摩尔分率F:原料液流量（kmol/s） xF:原料组成（摩尔分率，下同）D：塔顶产品流量（kmol/s） xD:塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s） xW:塔底组成2.1.2进料2.1.3物料衡算2.2有关的工艺计算2.2.1原料液的平均摩尔质量：M=xM+(1-x)M=0.193446+(1-0.1934)18=23.4kg/kmol 同理可求得：M=42.6972kg/kmol M=18.5544kg/k
11、mol45C下，原料液中=971.1kg/m,=735kg/m由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表6。表6 原料液馏出液与釜残夜的流量与温度名称原料液馏出液釜残夜x/(质量分数)38953x/（摩尔分数）0.19340.88140.0198摩尔质量kg/kmol23.442.697218.5544沸点温度t/C83.8378.2199.582.3 最小回流比及操作回流比的确定如图所示的乙醇-水物系的平衡曲线，具有下凹的部分，当操作线与q线的交点尚未落到平衡线上之前，操作线已与平衡线相切，如图中点g所示。点g附近已出现恒浓区，相应的回流比便是最小回流比。对于这种情况下的R的
12、求法只能是通过作图定出平衡线的切线之后，再由切线的截距或斜率求之。如图1-63所示，可用下式算出： = R=2.889可取操作回流比R=1.52.889=4.3342.4 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：Q=(R+1)D(I-I)可以查得I=1266kJ/kg I=253.9kJ/kg,所以Q=(1.612+1)2.0330(1266-253.9)=5317.45kJ/h取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25C和35C则平均温度下的比热c=4.174kJ/kgC,于是冷凝水用量可求W=127.4kg/h4.精馏塔主体尺寸计算4.3提留段塔径的计算查t-x-y图在91.705下：
13、 , , M=My+My=460.3273+180.6727=27.1644 kg/kmol汽塔气相平均密度=0.9077 kg/mx=0.1299x=1-x=0.8701汽塔的液相平均密度在91.705下查表得：=729.5 kg/m =964.3 kg/m =+=+=1.0804 =925.6 kg/mV=(R+1)D=(4.334+1)8.057=42.976 kmol/hv= =0.3573 m/sL=L+qF=8.811+110.09=18.901 kmol/hL=0.110910m/s查化工数据手册求取：=16.1 mN/m =60.05 mN/m5.塔高的确定：Z=（-1）H=(
14、-1)0.45=8.02 m塔板结构尺寸的确定：l 溢流装置l 由于塔径小于800mm,所以采用单溢流弓形降液管，平行受液盘及平行溢流堰， 取堰长L=0.66D,即L=0.660.3=0.198m 出口堰高HW=H1-HOW, 则H=H=H- H=0.06-0.003=0.057m降液管的宽度W与降液管的面积A 由,0.0700 W=0.1250.3=0.0375m A=0.07停留时间5S符合要求）降液管底隙高度Hoh=h-0.006=0.051m取边缘宽度取边缘宽度为W=0.03m安定区宽度安定区宽度为W=0.050m开孔区面积AX= W+W)=0.0625mR=W=0.15-0.03=0
15、.12mA=2xsin=0.068m附图1精馏塔的工艺流程图符号说明：英文字母：A塔板开孔区面积m； A奖液管截面积mA筛孔总面积m； A塔截面积mC流量系数； C计算u时的负荷系数m/sC气相负荷因子，m/s； d筛孔直径，mD塔径，m； e液沫夹带量kg(液)/kg(气)E液流收缩系数 E总板效率F气相动能因子，kg/(sm); F筛孔动能气象因子，kg/(sm)h进口堰与降液管间的水平距离，m； h与干板上液压降相当的液柱高度，mh与液体流过降液管的压力降相当的液柱高度，m；h塔板上鼓泡层高度，m； h与板上液层阻力相当的液柱高度，mh板上清液层高度，m； h降液管的底隙该度，mh堰上液
16、层高度，m； h出口堰高度，mh 进口堰高度，m； h与克服的压降相当的液柱高度，mH板式塔高度;m H塔底空间高度；mH降液管内清液层高度, m H塔顶空间高度,mH进料板处塔板间距，m H人孔处塔板间距，mH塔板间距，m K稳定系数L堰长，m L液体体积流量m/hL液体体积流量，m/s n筛孔数目N理论板层数 P操作压力，PaP压力降。Pa P气体通过每层筛板的压降，Par鼓泡区半径，m t筛孔的中心距，mu空塔气速，m/s U泛点气速。m/sU气体通过筛孔的速度。m/s U漏液点气速。m/sU液体通过降液管底隙的速度。m/s V气体体积流量m/hV气体体积流量，m/s W液体质量流量 kg/sW气体质量流量，kg/s W边缘无效区宽度，mW弓形降液管宽度，m W破漠区宽度，m主要参考书及参考资料：1.姚玉英等.化工原理（下册.） 天津：天津大学出版社，19992.化学工程手册编辑委员会.化学工程手册（第十三篇，气液传质设备）.北京：化学工程出版社，19813.华南理工大学化工原理教研组.化工过程及设备设计。广州：华南理工大学出版社，19904.李云飞等食品工程原理（第2版） 中国农业大学出版社
