化工原理课程设计计算示例

化工原理壳程设计计算示例

一浮阀塔工艺设计计算示例

拟设计一生产酒精的板式精馏塔。来自原料工段的乙醇-水溶液的处理量为48000吨/年，乙醇含量为35%（质量分率）原料温度为45℃。

设计要求：塔顶产品的乙醇含量不小于90%（质量分率），塔底料液的乙醇含量不大于0.5%。

一、塔形选择及操作条件的确定

1．塔形：选用浮阀塔

2．操作条件：

操作压力：常压；其中塔顶：1.013×105Pa

塔底：[1.013×105+N（265~530）Pa]

进料状态：饱和液体进料

加热方式：用直接水蒸气加热

热能利用：拟采用釜残液加热原料液

二、工艺流程

三、有关工艺计算

首先，根据题目要求，将各组成要求由质量分率转换为摩尔分率，其后由

2

3971.1/H O kg m ρ=，3735/kg m ρ=乙醇

参考资料（一），查出相应泡点温度及计算平均分子量。 同理求得0.779D x = 0.0002

W x = (1)0.17646(10.176)1822.3/f f f M x M x M kg kmol =+-=⨯+-⨯=乙醇水

同理求得：39.81/D M kg kmol =，18.1/D M kg kmol =

1. 最小回流比及操作回流比的确定

由于是泡点进料，x q =x f =0.174过点e(0.174，0.174)作x=0.174直线与平衡线交与点d ，由点d 可以读得y q =0.516，因此，

min(1)0.7790.516

0.7690.5160.174

D q q q

x y R y x --=

=

=--

又过点a （0.779,0.779）作平衡线的切线，可得切点g 由切点g 可读得'

0.55q x =，'

0.678q y =，

因此，

'

min(1)''0.7790.678

0.7890.6780.55

q q q

D x y R y x --=

=

=--

可见min min(2)0.789R R ==，操作回流比R=1（min / 1.27R R =在1.1~2.0的范围内）

2． 塔顶产品量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 取每年工作日300天，每天24小时计，进料量为：

3

480010299/3002422.3

F kmol h ⨯==⨯⨯

由全塔物料衡算方程写出：

0V F D W +=+ 00(y =蒸汽） D=65.85kmol/h 00f D W V y Fx Dx Wx +=+ W=364.85kmol/h

'W L L qF RD qF ==+=+ q=1(泡点) V 0 =131.7kmol/h

3. 全凝器冷凝介质的消耗量

塔顶全凝器的热负荷：(1)()c VD LD Q R D I I =+-

由资料（一）可查出：1266/VD I kJ kg =，253.9/LD I kJ kg =故

6(11)65.8539.81(1266253.9) 5.30610/c Q kJ h =+⨯⨯-=⨯

取冷凝介质为水，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃，那么在平均温度下水的比热为

4.17/pc C kJ kg =℃，因此，冷却水的用量：

621 5.30610127120/() 4.174(3525)

c c cp Q W kg h C t t ⨯===--

4． 热能利用

拟利用釜残液预热原料液，将原料液预热至泡点所需的热量为21()f f pf f f Q W C t t =-

83.8345

64.42

fm t +=

=℃ 进出预热器原料的平均温度64.4fm t =℃下，可查出其比热 4.275/.pf C kJ kg =℃，所以

3

64800010 4.275(83.8345) 1.10710/30024

f Q kJ h ⨯=⨯-=⨯⨯

釜残液放出的热量：12()W W PW W W Q W C t t =-

若将釜残液温度降至55℃，那么平均温度为

99.8355

77.22

fm t +=

=℃下其比热为 4.191/.pf C kJ kg =℃，因此 6364.8518.1 4.191(99.3855) 1.22810/W Q kJ h =⨯⨯-=⨯可见W f Q Q >，理论上可以将

原料液加热到泡点。

5． 理论塔板层数N T 的计算 精馏段操作线方程：10.50.3911

D n n n x R

y x x R R +=+=+++ 提镏段操作线方程：100

2.270.0054W m m m Wx W

y x x V V +=

-=- q 线方程：X=0.174

在y-x 相图中分别画出上述直线，利用图解法可求得： N T =18块，（包括塔釜）

其中精馏段13块，提镏段5块

6． 全塔效率估算（用奥康赖尔法） 由相平衡方程式1(1)x y x αα=

+- 可得(1)

(1)

y x x y α-=-

根据乙醇-水溶液的平衡数据（资料一）可查得

10.779D y x ==

1x =0.741(塔顶第一块板) f y =0.516（加料板）

f x =0.174 W x =0.002 W y =0.026(塔釜)，因此可以求得：

1α=1.232 f α=5.06 w α=13.2

全塔的平均相对挥发度：

4.36m α===

全塔平均温度：

78.6283.8399.38

87.33

3

D f w

m

t t t t ++++=

=℃

在t m 温度下查得：0.327.,0.38.mPa s mPa s μμ=乙醇水 因为，Li i i x μμ=∑

所以，0.1740.38(10.174)0.3270.336.Lf mPa s μ=⨯-⨯=

0.368.LD mPa s μ= 0.327.Lw mPa

s μ=