【正文】 ......................................... 24 液相負(fù)荷下限線 ........................................................................................ 25 操作線與操作彈性 .................................................................................... 25 ................................................................................................................... 26 5 總結(jié) ........................................................................................................................ 27 1 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)一座乙醇－水連續(xù)精餾的篩板式精餾塔，年產(chǎn)乙醇 60000t/a，要求塔頂餾出液中乙醇濃度不低于 94％，殘液中乙醇含量不得高于 ％。原料液中含乙醇為25%，其余為水（以上均為質(zhì)量 %） 。 操作條件 1. 精餾塔頂壓強(qiáng) 4kPa(表壓 )； 2. 進(jìn)料熱狀態(tài) 自選； 3. 回流比 自選； 4. 加熱蒸汽 低壓蒸汽； 5. 單板壓降 ≯ 。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1．設(shè)計(jì)方案的確定及工藝流程的說明； 2．塔的工藝計(jì)算； 3．塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算； 4．塔內(nèi)流體力學(xué)性能的設(shè)計(jì)計(jì)算； 5．塔板負(fù)荷性能圖的繪制； 6．塔的工藝計(jì)算結(jié)果匯總一覽表； 7．輔助設(shè)備的選型與計(jì)算； 8．生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制； 9．對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述或?qū)τ嘘P(guān)問題的分析與討論。 設(shè)計(jì)成果 ：流程圖、精餾塔工藝條件圖 2 設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)方案及工藝流程 乙醇 水混合物料經(jīng)原料預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后，送至精餾塔，塔頂采用全凝器冷凝后，一部分作回流，其余為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻后 送至貯槽，塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至貯槽，流程圖如下。 全塔物料衡算 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) 乙醇和水的摩爾質(zhì)量分別為 0 0 0 18/46/18/46/18/46/?????????WDFxxx 平均摩爾質(zhì)量 ? ?? ?? ? k m o lkgM k m o lkgMk m o lkgMWDF///????????????????? 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾流率 以 60000t/a計(jì)，一年以 365天，一天以 24小時(shí)計(jì)，有： hkgDhFWDFWDFhkgatW/1 0 5 4/kg7 9 0 30 0 0 6 1 /6 8 4 9243 6 5106 0 0 0 0/6 0 0 0 039。39。39。39。39。39。39。39。339。??????????? 則 F = kmol/h D = kmol/h W = kmol/h 塔板數(shù)的確定 . 理論塔板數(shù) NT的求取 乙醇 水屬于非理想物系，可采用圖解法求得理論塔板數(shù) 乙醇 水相平衡數(shù)據(jù) 表 21常壓下乙醇 水系統(tǒng)的 t－ x－ y數(shù) 據(jù) 沸點(diǎn) t，℃ 液相乙醇 /mol% 氣相乙醇 /mol% 沸點(diǎn) t，℃ 液相乙醇 /mol% 氣相乙醇 /mol% 本題中，塔內(nèi)壓力接近常壓（實(shí)際上略高于常壓），而表中 所給為常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，因?yàn)椴僮鲏毫ζx常壓很小，所以其對(duì) xy平衡關(guān)系的影響完全可以忽略。 由氣液平衡數(shù)據(jù)繪出乙醇 水溫度組成相圖即 txy,如圖 21 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .075808590951000 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0010 t/ OCx o r y 圖 21 確定操作的回流比 R 將表 21中數(shù)據(jù)作圖得 xy曲 線，見圖 22。為便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，在乙醇 水物系的xy曲線中，以 A(,)點(diǎn)為分界線，將該曲線分成 OA和 AB兩段，將其對(duì)應(yīng)曲線擬合成以下兩式表示。 OA段： AB段： ① 最小回流比 minR 的確定 在 圖上，過點(diǎn) 作相平衡曲線的切線 ,與 y軸的交點(diǎn)為 D(0, ),如圖 22，則有： 86 17 m inm in?????RRx D 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .00 .00 .10 .20 .30 .40 .50 .60 .70 .80 .91 .0yx 圖 22 ② 操作回流比 R 取最小回流比的 ，即： m in ???? RR 求精餾段和提餾段的氣、液相負(fù)荷 ? ? ? ?hk mo lVVhk mo lFLLhk mo lDRVhk mo lRDL////39。39。????????????????? 求操作線方程 ① 精餾段操作線 方程 ?????????? xxR xxR Ry D ② 提餾段操作線方程 00 105 39。39。39。39。39。39。39。 ??????? xxxVWxVLy W 因靠近 B端的操作線離平衡線很近，故需逐板計(jì)算理論塔板數(shù)。 將 ?? Dxy 代入 AB 段趨勢(shì)線方程中試差解得 ?x 將 ?x 代入精餾段操作線方程 ?? xy 中 解得 ?y 將 ?y 代入 AB 段趨勢(shì)線方程中試差解得 ?x 將 ?x 代入 精餾段操作線方程 ?? xy 中 解得 ?y 在計(jì)算機(jī)上逐板計(jì)算的結(jié)果見表 22 O A B D 表 22 乙醇 水物系理論塔板數(shù)的逐板計(jì)算后整理結(jié)果 精餾段 塊 精餾段 塊 理論 板序號(hào) i 液相組成 氣相組成 yi+1 理論 板序號(hào) i 液相組成 氣相組 yi+1 1 12 2 13 3 14 4 15 5 提餾段 塊 6 理論 板序號(hào) i 液相組成 氣相組成 yi+1 7 16 8 17 9 18 10 19 11 20 注：逐板計(jì)算時(shí)，在跨越 ?x 后，相平衡關(guān)系采用 OA 段擬合線， 進(jìn)料板在第1 6塊 實(shí)際塔板數(shù) PN 全塔效率 TE 對(duì)于篩板塔，選用 mTE ? ?? 公式計(jì)算。此式適用于液相黏度為smPa ?? 的烴類物質(zhì)。 塔的平均溫度為（ +100） /2=(取塔頂、底的算術(shù)平均值 )，在此平均溫度下查化工原理附錄得： smPaA ?? ? ， smP aB ?? ? ? ? sm P axx FBFAm ?????????? 3 2 )1 1 (3 1 1 ??? 2 1 ???TE ﹪ 實(shí)際塔板數(shù) PN (近視取兩段效率相同 ) 精餾段： ??pN 塊，取 321?pN 塊 提餾段： 7 4 ??pN 塊，取 112 ?pN 塊 總塔板數(shù) 43113221 ????? Ppp NNN 塊 (包括塔釜 ) 塔的精餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 平均壓力 mp 取每層塔板壓降為 。 塔頂： kP ap D 0 0 1 ??? 加料板： k P ap F 2 0 5 ???? 塔底： ? ? kPap W ????? 精餾段平均壓強(qiáng)： ? ? k P ap m 1 62/ 2 0 5 ??? 提餾段平均壓強(qiáng)： ? ? k P ap m 3 12/ 2 3 439。 ??? 平均溫度 mt 查溫度組成圖 21得：塔頂溫度為 ℃，加料板溫度為 ℃，塔底溫度為 100℃ 精餾段平均溫度 ? ? ???mt ℃ 提餾段平均溫度 ? ? ???mt ℃ 平均分子量 mM 塔頂： 8 5 2 ,8 6 11 ??? xxy D (用 AB段相平衡關(guān)聯(lián)式試差計(jì)算得到 ) ? ?? ? k m olkgM k m olkgMmLDmVD / /, ?????? ?????? 加料板： 0 4 2 8 ,1 4 5 ?? FF xy (用 AB段相平衡關(guān)聯(lián)式試差計(jì)算得到 ) ? ?? ? k m olkgM k m olkgMmLFmVF / /, ?????? ?????? 塔底： 0 0 0 ,0 0 5 ?? WW xy ? ?? ? k m olkgM k m olkgMmLWmVW / /, ?????? ?????? 精餾段： ? ?? ?k m olkgM k m olkgM mL mV /, ??? ??? 提餾段： ? ?? ?k m olkgMk m olkgMmLmV /39。 .39。 ,?????? 平均密度 m? 液相平均密度 mL,? 為方便計(jì)算，將查閱得到的乙醇和水密度與表面張力列于下表 23 表 23乙醇 和 水 的密度 與表面張力 溫度 /℃ 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 密度 kg/m3 乙醇 795 785 777 765 755 746 735 730 716 703 水 表面張力 10 3N/m 乙醇 水 為便于計(jì)算，根據(jù)表 23做出乙醇和水的密度與表面張力 與溫度的關(guān)系圖 塔頂： 查 ℃ 下乙醇和水的密度分別為 737kg/m3和 973kg/m3 3, / mkgaa mLDBLDBALDAmLD ?????? ???? 加料板： 查 ℃ 下乙醇和水的密度分別為 3, / mkgaa mLFBLFBALFAmLF ?????? ???? 塔底： 查 100℃ 下乙醇和水的密度分別為 716kg/m3和 3, / mkgaa mLWBLWBALWAmLW ?????? ???? y = x + R178。 = y = x + R178。 = 700750800850900950100020 40 6