精馏塔
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河南城建学院《化工原理》课程设计班级：1114071姓名：孔会娜（111407109）专业：化学工程与工艺课程名称：乙醇和水板式连续精馏塔指导教师：刘丽华化学与化学工程系2010年1月化工原理课程设计任务书一、设计题目：分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔二、原始数据及条件生产能力：年处理乙醇-水混合液8万吨（开工率300天/年）原料：乙醇含量为35%（质量百分比）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于93.5%（质量分数）塔顶乙醇含量不高于0.11%（质量分数）塔操作条件：平均操作压力：1atm进料热状况：饱和液体进料回流比：自选单板压降：<=0.7kpa塔板类型：筛板或浮阀塔工作日：每年300天，每天24小时连续运行目录绪论 (1)设计方案简介 (2)塔板的工艺设计 (3)一、精馏塔全塔物料衡算 (3)二、常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 (3)三、理论塔板的计算 (9)四、塔经的初步计算 (10)五、溢流装置 (11)六、塔板布置及浮阀数目与排列 (12)塔板的流体力学计算 (14)一、气相通过浮阀塔板的压降 (14)二、淹塔 (15)三、液沫夹带 (16)四、塔板负荷性能图 (17)附件设计 (21)塔总体高度的设计 (23)塔附属设备设计 (24)设计体会 (25)参考书目 (26)主要符号说明 (27)结束语 (29)绪论塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。
根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。
板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。
工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。
塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。
板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。
精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。
精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。
根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。
本设计的题目是乙醇-水连续精馏浮阀塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的乙醇和不易挥发的水，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。
设计方案简介本次课程设计的任务是设计分离乙醇-水的精馏塔，塔型选为浮阀塔，因为筛板塔与浮阀塔相比，浮阀塔有降液槽和溢流堰，气体顶开浮阀上升与塔盘上液体接触，传质在塔盘上进行，液体通过降液槽下降，其操作弹性较大。
本设计任务为分离苯一甲苯混合物，进料为饱和液体进料，操作压力是一个大气压。
对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。
设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。
塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。
该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。
塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
塔板的工艺设计一、精馏塔全塔物料衡算F ：原料液流量(kmol/h) x F ：原料组成（摩尔分数，下同） D ：塔顶产品流量(kmol/h) x D ：塔顶组成 W ：塔底残液流量(kmol/h) x W ：塔底组成原料乙醇组成：0.3546.070.1740.350.6546.0718.02F x ==+塔顶组成：0.93546.070.8490.9350.06546.0718.02D x ==+塔底组成：0.001146.070.000430.00110.998946.0718.02W x ==+进料平均分子量：M -=46.07×0.174+18.02×0.826=22.9kg/kmol进料量：7810485.201720022.9F ⨯==⨯ kmol/h 物料衡算式为：F D WF D WFx Dx Wx =+=+ （1）联立代入求解：D=94.245 kmol/h W=385.956 kmol/h 二、常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系1.温度 ①t F ：184.184.182.717.416.6123.3716.61Ft y --=--，t F =83.94℃ ②t D ：78.4178.4178.1574.7289.4389.474.72D t --=--，t D =78.23℃③t W ：10010095.50 1.900.0430W t --=--，t W =99.898℃④精馏段平均温度：183.9478.2381.08522F D t t t -++===℃ ⑤提馏段平均温度：283.9499.89891.91922F W t t t -++===℃ 2.密度已知：混合液密度1ABLABa a ρρρ=+（2）混合气密度00122.4V T M T ρρρ-=（a 为质量分率，M -为平均分子量） （3） （1）精馏段：181.085t -=℃ 液相组成x 1：181.580.781.0858032.7339.6532.73x --=--，x 1=36.32% 气相组成y 1：181.580.781.08581.559.2661.2259.26y --=--，y 1=60.28% 所以 146.070.363218.02(10.3632)28.208L M -=⨯+⨯-= kg/kmol 146.070.602818.02(10.6028)34.929V M -=⨯+⨯-= kg/kmol （2）提馏段：291.919t -=℃ 液相组成x 2：295.589.091.91995.51.907.21 1.90x --=--，x 2=4.417% 气相组成y 2：295.589.091.91995.517.0038.9117.00y --=--，y 2=27.385% 所以 246.070.0441718.02(10.04417)22.0715L M -=⨯+⨯-= kg/kmol 246.070.2738518.02(10.27385)25.7015V M -=⨯+⨯-= kg/kmol 不同温度下乙醇和水的密度求得在1t -与2t -下乙醇和水的密度181.085t -=℃，1858081.08580730735735ρ--=--，1733.915ρ= kg/m ³2858081.08580968.6971.8971.8ρ--=--，2971.106ρ= kg/m ³ 同理：291.919t -=℃，'1722.465ρ= kg/m ³，'2963.976ρ= kg/m ³在精馏段110.363246.07/[0.363246.0718.02(10.3632)]10.593733.915971.106L ρ⨯⨯+⨯--=+液相密度：1814.927L ρ= kg/m ³ 气相密度：134.929273.151.20222.4(273.1581.085)V ρ⨯==⨯+ kg/m ³在精馏段210.0441746.07/[0.0441746.0718.02(10.04417)]10.106722.465963.976L ρ⨯⨯+⨯--=+液相密度：2930.989L ρ= kg/m ³ 气相密度：225.7015273.150.85822.4(273.1591.919)V ρ⨯==⨯+ kg/m ³3.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： 11414m sw w so σϕσϕσ=+ （4） 注：w w w w w o o x V x V x V ϕ=+ （5） o oo w w o ox V x V x V ϕ=+ （6）sw w sw sx V V ϕ= （7） so o so sx V V ϕ= （8）2lg w o B ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭ （9） 2230.441o ow w V q Q V T q σσ⎡⎤⎛⎫=⨯- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（10）A B Q =+ （11） 2lg sw so A ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭（12） 1sw so ϕϕ+=（13）式中下角标w 、o 、s 分别代表水、有机物及表面部分，Xw 、Xo 指主体部分的分子数，w υ、o υ指主体部分的分子体积，w σ、o σ为水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。
①精馏段：181.085t -=℃18.0222.11814.927ww wm V ρ=== cm 3/mol46.0738.3281.202oo om V ρ=== cm 3/mol 乙醇表面张力：1908016.217.159081.08516.2σ--=--，117.047σ= 水表面张力：290809081.08560.762.660.7σ--=--，262.394σ= ()()()()2221o w w w wo o o w w o o o o w w o o x V x V x V x V x V x V x V x V ϕϕ-⎡⎤⎣⎦==++()()210.363222.110.5090.363238.3280.636822.110.363238.328-⨯⎡⎤⎣⎦==⨯⨯⨯+⨯因为 0.3632o x =， 所以 10.36320.6368w x =-=2lg lg 0.5090.293w o B ϕϕ⎛⎫===- ⎪⎝⎭23230.441o o w w V q Q V T q σσ⎡⎤⎛⎫=⨯- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦2323217.04738.3280.44162.39422.110.24681.085273.152⎡⎤⨯=⨯-⨯=-⎢⎥+⎣⎦0.2930.2460.539A B Q =+=--=-联立方程组 2lg sw so A ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭1sw so ϕϕ+=代入解得： 0.142sw ϕ= 0.588so ϕ=111411400.41262.3940.58817.047m sw w so σϕσϕσ=+=⨯+⨯， 30.639m σ=②提馏段：291.919t -=℃''18.0219.356930.989ww wm V ρ=== cm 3/mol''46.0753.690.858oo om V ρ=== cm 3/mol 乙醇表面张力：'11009010091.91915.216.215.2σ--=--， '115.39σ= 水表面张力：，'21009010091.91958.816.258.8σ--=--，'259.16σ= ()()2'2'10.0441719.356 6.9150.0441753.690.9558319.3560.0441753.69w oϕϕ-⨯⎡⎤⎣⎦==⨯⨯⨯+⨯因为 '0.04417o x =， 所以 '10.044170.95583w x =-='2''lg lg 6.9150.84w o B ϕϕ⎛⎫=== ⎪⎝⎭2'23215.3953.690.44159.1619.3560.76691.919273.152Q ⎡⎤⨯=⨯-⨯=-⎢⎥+⎣⎦'''0.840.7660.074A B Q =+=-=联立方程组 '2''lg sw so A ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭''1sw so ϕϕ+=代入解得：'0.647sw ϕ= '0.353so ϕ= '34.4m σ=4.混合物的粘度181.085t -=℃，查表得：10.35μ= mPa ·s ，20.44μ= mPa ·s291.919t -=℃，查表得：'10.306μ= mPa ·s ，'20.388μ= mPa ·s 精馏段粘度()()112110.440.36320.3510.36320.383x x μμμ=+-=⨯+⨯-= mPa ·s提馏段粘度()()'''122210.3880.044170.30610.044170.31x x μμμ=+-=⨯+⨯-= mPa ·s5.相对挥发度①精馏段挥发度：由0.3632A x =，0.6028A y =得0.6368B x =，0.3972B y = 所以 0.60280.63682.660.39720.3632A B B A y x y x α⨯===⨯ （14） ②提馏段挥发度：由'0.04417A x =，'0.27385A y =得'0.95583B x =，'0.72615B y = 所以 '''''0.273850.955838.160.726150.04417A B B A y x y x α⨯===⨯ （15） 6.气液相体积流量计算 根据x-y 图得：minmin 0.8490.760.747910.8490.73D g D g y y R R x x --===+-- 所以 min 2.97R =取min 1.5 1.5 2.97 4.455R R ==⨯= （1）精馏段： 4.45594.2450.1173600L RD ⨯=== kmol/s （16）()()4.455194.24510.1433600V R D +⨯=+== kmol/s （17）已知：128.208L M -= kg/kmol ，134.929V M -= kg/kmol 1814.927L ρ= kg/m ³，1 1.202V ρ= kg/m ³质量流量：1128.2080.117 4.034L L M L -==⨯= kg/s （18） 1134.9290.143 4.995V V M V -==⨯= kg/s （19） 体积流量：31114.0344.9510814.927s L L L ρ-===⨯ m ³/s （20）1114.9954.161.202s V V V ρ=== m ³/s （21） （2）提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1'485.200.1170.2523600L L qF =+=+= kmol/s （22） ()'10.143V V q F =+-= kmol/s （23）已知：222.07L M -= kg/kmol ，225.7V M -= kg/kmol 2930.989L ρ= kg/m ³，20.858V ρ= kg/m ³质量流量：'2222.070.252 5.562L L M L -==⨯= kg/s （24） '2225.70.143 3.675V V M V -==⨯= kg/s （25） 体积流量：32225.5625.9710930.989s L L L ρ-===⨯ m ³/s （26）2223.6754.2830.858s V V V ρ=== m ³/s （27） 三、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。
