2021《化工原理课程设计》报告-乙醇水填料塔精馏装置设计

1、化工原理课程设计报告 乙醇水填料塔精馏装置设计目 录151、设计依据 /3 2、设计任务及要求 /3 3、设计计算 /43.1工艺物料计算 /43.1.1 原料液的组成 /43.1.2 最小回流比，操作回流比的计算 /53.1.3 塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算 /73.1.4 全凝器冷凝介质的消耗量 /74、主体设备计算 /84.1 塔径的计算 /84.1.1 泛点气速的计算 /8 4.1.2 塔径的计算 /94.2 塔高的计算 /94.2.1 计算塔高 /9 4.2.2 填料塔压降 /105、塔主要附属构件结构尺寸计算设计 /115.1 液体分布器 /115.1.1 计算喷淋密度 /115.1.2 设计计算 /115.2 导流板 /115.3 各接管尺寸的确定 /115.3.1 进料管 /125.3.2 釜残液出料管 /125.3.3 回流液管 /125.3.4 塔顶上升蒸汽管 /135.3.5 水蒸气进口管 /136、主要辅助设备扬程 /136.1 进料泵 /136.1.1 泵的基本计算 /136.1.2 泵的选用 /146.2 再沸器 /14 6.3 冷凝器 /14

2、1、设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。2、设计任务及要求原料：乙醇水混合溶液，日产量35吨 乙醇含量：35%(质量分数)，原料液温度：25，压力：常压条件：泡点进料，刚鲍尔环填料，塔顶压强为5kPa（表压） 加热蒸汽为压力0.17MPa（表压）的饱和水蒸气，冷却介质为25循环冷却水。设计要求：塔顶的乙醇含量不小于94.5%(质量分数) 塔底的乙醇含量不大于0.25%(质量分数)表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5

3、750.950.9420.350.5951.01.0表2 钢鲍尔环的结构特性参数公称直径/16253850个数/(1/)14300055900130006500堆积密度/（）216427365395孔隙率/0.9280.9340.9450.949比表面积/()239219129112.3填料因子/（）2992691531313、设计计算计算之前进行对物性数据的查询，部分物性数据列于表1、表2中，其它数据见参考资料与互联网上资源。3.1 工艺物料计算3.1.1 原料液组成由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。原料液的摩尔组成： 同理可求得： 原料液的平均摩尔质量： 同理可求得： 查表可得在25时，原料液中 ，由此可查得原料液、塔顶和塔底混合物的沸点，列表3 表3 原料液、溜出液、釜液的流量和温度名称原料液溜出液釜残液x/3594.50.25摩尔分数0.17400.87050.0010平均摩尔质量（）22342.37418.208沸点（）83.8378.1831.2 最小回流比、操作回流比的计算根据乙醇和水的两相平衡数据做汽液平衡图如下：由泡点进料，

4、可知，过点e（0.174，0.174）做一条直线X=0.174交平衡线与点d，读取，因此： 但是，当回流比减小到某一数值时，精馏段操作线首先与平衡线相切于e点，此时即使无穷多块等效塔板也不能跨越切点，故该点回流比为最小回流比，又过点a（0.8705, 0.8705）作平衡线的切线，切点为，读得其坐标为，因此： 而取（），操作线如下图：由此图作图可得填料塔等效塔板数为18块，精馏段15块，提馏段3块。精馏端操作线方程： 提馏段操作线方程： 3.1.3 塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算每天开车24小时计，进料量为： 由全塔的物料衡算方程可得（设加热蒸汽量为，直接蒸汽加热）： 可知，代入数据解得： 且 3.1.4 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：可以查得，所以：取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25和35则平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：4、主体设备计算4.1 塔径的计算4.1.1 泛点气速的计算计算泛点气速采用埃克特泛点气速关联图法，先求得横坐标： 然后查埃克特泛点气速关联图得对应的纵坐标，有： 根据纵坐标的计算式可以求出泛点气速u，再根据就可求出塔径。精馏段

5、：冷凝器为全凝器，故可得：质量流速计算塔顶与进料口的算术平均值: 注：进料处的气相组成由乙醇-水的两相平衡数据表差得，再根据组成计算平均摩尔质量，计算方法与前面相同，故不列出。塔顶组成为，根据乙醇-水系统t-x-y数据，用差值法计算塔顶温度： 解得塔顶温度，由此差得塔顶液相：，3，结合乙醇质量分数a=94.5，有： 在进料口有，乙醇质量分数a=35，有： 则 对于气相，根据，有： 塔顶 进料口 代入横坐标计算式有从埃克特图上查得纵坐标Y=0.21。查得塔顶粘度：，同样根据质量分数计算： 查得塔底粘度：，用相同方法计算： 由 代入以上数据解得： 提馏段： 提馏段与精馏段的计算方法一致，最后计算可得。4.1.2 塔径的计算对、安全系数取0.5-0.8，最终圆整可得u=1.2m/s。则有：4、2 塔高的计算4.2.1 计算塔高采用默奇等板高度经验公式： 取，。精馏段： 由之前的计算有： ，塔顶的相对挥发度，进料口的相对挥发度，则 根据有：，代入数据解得： 精馏段填料高度：提馏段：提馏段的计算方法与精馏段一致，最终计算得，提馏段的填料高度塔釜高度：取装填系数为0.5，则有塔釜的高度：那么有塔高

6、（不计入法兰和封头及群做的高度）。4.2.2 计算填料塔压降已经求出气速，再次利用埃克特压降通用关系图得精馏段的，在图上查得；提馏段的，在图上查到（注：）。所以可得精馏段的压降，而提馏段的压降。5、塔主要附属构件结构尺寸计算设计5.1 液体分布器槽式液体分布器具有较大的操作弹性和好的抗污堵性，具有优良的分布性能，应用广泛，故选用槽式液体分布器。51.1 喷淋密度的确定选用的钢鲍尔环的比表面积为239，查表4得没平方米喷淋点数为100 表4比表面积（）125125300450700每喷淋点数100100806045-505.1.2 设计计算根据流体力学孔流公式，重力分布器的排液量与小孔数目及管径存在关系： 采用的打孔方式为冲孔，则，小孔以上的液高度h=0.025m，由于设计的Q很小，故采用规定中的最小值2.5mm。塔的筒体中使用锥形液体再分布器。52导流板由于此设计中的流体流速很小，故不需要设计导流板。5.3 各接管尺寸的确定5.3.1 进料管进料管的体积流量 取适宜的输送速度 ，可得： 经圆整选取冷轧无缝钢管，规格管内实际流速。5.3.2 釜残液出料管釜残液的体积流量 取适宜的输送速度

7、 ，可得： 经圆整选取冷轧无缝钢管，规格管内实际流速。5.3.3 回流液管回流液体的体积流量 取适宜的回流速度 ，可得： 经圆整选取热轧无缝钢管，规格管内实际流速。5.3.4 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量 取适宜的输送速度 ，可得： 经圆整选取热轧无缝钢管，规格管内实际流速。5.3.5 水蒸气进口管通入塔的水蒸气体积流量 取适宜的输送速度 ，可得： 经圆整选取冷轧无缝钢管，规格管内实际流速。6、主要辅助设备计算6.1 进料泵6.1.1 泵的基本计算泵的体积流量为，选取安全系数为1.2，则有。由伯努利方程可得： 扬程 可认为，据题有， ，代入解得： 取安全系数为1.1，则实际泵的扬程6.1.2 泵的选用由介质为乙醇-水，性质接近水，选用单吸收式清水泵，根据计算所得的泵的流量和扬程，由IS型离心泵系列特性曲线可查得选用泵型为 IS50-32-160。因设计要求的泵的扬程和流量都较小，故所选泵符合要求，不必进行扬程和流量的校核。对泵进行轴功率校核，计算公式为，查样本泵可取，代入计算得，达到要求。6.2 再沸器查得在0.1MPa，100时水的汽化潜热为2257.2kJ/kg,且有相变的质量流量为，由此可得再沸器的热流量： 表压为0.17

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