醋酸 水溶液连续精馏.docx
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醋酸水溶液连续精馏
课程设计任务书
课程名称:
化工原理课程设计
设计题目:
醋酸-水溶液连续精馏
化学工程与食品科学学院系:
院
学生姓名:
号:
学
专业班级:
指导教师:
年2012620月日
一……………………………………摘要
二………………………………设计条件
三………………………设计方案的确定
四……………………精馏塔的物料衡算
五…………………………塔板数的确定
六……………………………精馏塔的工艺条件及物性数据的计算
七……………………………精馏塔的塔体工艺尺寸计算
八……………………………塔板主要工艺尺寸计算
九…………………塔板的流体力学验算
十……………………塔板负荷性能曲线
十一……………………………对设计过程的评述和相关问题的讨论
一、摘要
醋酸学名乙酸,分子式CHO,醋酸是一种重要的基本有机化工原242.
料,主要用于制取醋酸乙烯单体(VCM)、醋酸纤维、醋酐、对苯二甲酸、氯乙酸、聚乙烯醇、醋酸酯及金属醋酸盐等。
此外,在染料、医药、农药及粘合剂、有机溶剂等方面有着广泛的用途,是近几年来发展较快的重要的有机化工产品之一。
因此醋酸的提纯对我们的生产生活有着比较重大的意义。
二、设计条件
1、处理量:
2.5万吨/年
2、料液浓度:
0.70(摩尔分数)
3、产品浓度:
0.99(摩尔分数)
4、釜液中醋酸含量:
0.05(摩尔分数)
5、每年实际生产时间:
7200小时/年
6、操作条件:
塔顶压强4kPa,塔底加热蒸汽压力0.5MPa,单板压降不大于0.7kPa,连续精馏,泡点进料,回流比为最小回流比的2倍。
7、塔板类型:
筛板或浮阀塔板(F1型)
三、设计方案的确定
本设计任务为分离水—醋酸混合物。
对于二元混合物的分离,应采用连续精馏分离。
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入精馏塔内。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却后送至储罐。
操作回流比取最小回流比的2倍。
塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
四、精馏塔的物料衡算.
1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔产率
水的摩尔质量:
M=18kg/kmolA
醋酸的摩尔质量:
M=60kg/kmolaX=0.70若转化为质量分数则为X=0.886FFX=0.99若转化为质量分数则为X=0.997DDX=0.05若转化为质量分数则为X=0.149WW2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
M=0.3×18+0.7×60=47.4kg/kmolFM=0.01×18+0.99×60=59.58kg/kmolDM=0.95×18+0.05×60=20.1kg/kmolW3、物料衡算
由于一年需处理2.5万吨,那么进料量应为:
2.5x10÷77200=3272kg/h,而原料液的平均摩尔质量为47.4kg/kmol,那么F=3272÷47.4=73.25kmol/h
总物料衡算:
73.25=D+W
醋酸物料衡算:
73.25×0.7=0.99×D+0.05×W
联立解得:
D=50.65kmol/hW=22.60kmol/h
五、塔板数的确定
1、理论塔板层数N的求解T醋酸-水属于理想物系,可以采用图解法求理论板层数
图x-y水物系的气液平衡数据,绘出-由手册查得醋酸①.
②求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比。
自点(0.70,0.70)作垂线即为进料线(q线)
该线与平衡线的交点坐标为:
y=0.77X=0.64
又由书中公式可知
y0.99-0.77x?
R===0.63Dqmin0.99-0.64Rxx1?
?
minqD故最小回流比为:
R=1.7
minR=2R=2×1.7=3.4min③求精馏塔的气、液相负荷
L=RD=3.4×50.65=172.21kmol/h
V=(R+1)D=(3.4+1)×50.65=222.86kmol/h
L′=L+F=172.21+73.25=245.46kmol/h
V′=V=222.86kmol/h
④求操作线方程
精馏段操作线方程为:
R1y=x+x=0.773x+0.227xR+1R+1DD
n+1nn提馏段操作线方程为:
L'Wy′=x′—x=1.1014x′—0.00507V'V'mmWm+1⑤逐板法求理论板数:
对于精馏段
由于y=x=0.99
D1由相关手册查得相对挥发度为2.05
ax而板上的气液平衡关系为y=1+(a-1)x那么x=0.98
1.
RxD由精馏段操作线方程可以知道:
y=x+R+1R+112所以y=0.98
2同样的方法求得:
x=0.962y=0.967x=0.93533y=0.947x=0.89744y=0.918x=0.84555y=0.878x=0.77866y=0.826x=0.698
77由于x=0.698﹤x=0.70,因此精馏段所需理论板层数为6层,第7层F7为加料板
对于提馏段:
其操作线方程为y′=1.1014x′-0.00507mm+1由于x′=x=0.698则y′=1.1014×0.698-0.00507=0.7637217由气液平衡关系式可知x′=0.6122则y′=0.669同理可知:
x′=0.49633y′=0.541x′=0.36544y′=0.397x′=0.24355y′=0.263x′=0.14866y′=0.158x′=0.083977y′=0.0873x′=0.044588由于x′=0.0445﹤x=0.05W8故提馏段所需理论板层数为7层
综上所述理论板层数为N)
不包含再沸器=14(T.
进料板位置为自塔顶往下的第7层即为N=7
F六、精馏塔的工艺条件及物性数据的计算
1.操作压力的计算
塔顶操作压力Pa=101.325+4=105.325kPa
每层塔板压降△P=0.7kPa
进料板压力P=105.325+0.7×7=110.225kPaF塔底操作压力为101.325+500=601.325kPa
提馏段最后一块板的压力为P′=110.225+0.7×7=115.125kPa
精馏段平均压力P=(105.325+110.225)÷2=107.775kPan提馏段平均压力为P=(110.225+115.125)÷2=112.675kPaM全塔平均压力为P=(107.775+112.675)÷2=110.225kPa平2.平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算:
由于x=y=0.99,x=0.9811D液相平均摩尔质量M=0.02×18+0.98×60=59.16kg/kmolXD气相平均摩尔质量M=0.01×18+0.99×60=59.58kg/kmolYD进料板平均摩尔质量计算:
由于x=0.698,y=0.82677则M=0.302×18+0.698×60=47.316kg/kmolX7M=0.174×18+0.826×60=52.692kg/kmol
Y7塔底平均摩尔质量计算:
由于y′=0.0873x′=0.044588则M=0.9555×18+0.0445×60=19.869kg/kmol′X8M=0.9127×18+0.0873×60=21.667kg/kmol′Y8那么精馏段平均摩尔质量
M=(59.16+47.316)÷2=53.238kg/kmolXnM=(59.58+52.692)÷2=56.136kg/kmolYn那么提馏段平均摩尔质量
M=(47.316+19.869)÷2=33.593kg/kmol′XnM=(52.692+21.667)÷2=39.18kg/kmol′Yn3.各部分温度计算
由相关相图查询可知道
塔顶温度T=117.3℃D进料温度T=110.5℃F塔底温度T=100.3℃W那么精馏段平均温度T=(117.3+110.5)÷2=113.9℃n提馏段平均温度T=(110.3+100.3)÷2=105.3℃m精馏塔平均温度为T=(113.9+105.3)÷2=109.6℃平4.各部分液相密度计算
塔顶:
由于塔顶温度T=117.3℃,1/ρ=∑αi/ρiD所以ρ=1÷(0.99÷941+0.01÷945)=941kg/m3Dρ=1÷(0.70÷951+0.30÷952)=951.3kg/m3Fρ=1÷(0.05÷962+0.95÷958)=958.2kg/m3Wρ=(ρ+ρ+ρ)÷3=950.2kg/m3WDF平七、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
塔径的计算1.
PMP=110.225kPa,PV=nRT可以得到ρ=,其中对于气相,由RT平v2=47.658kg/kmol56.136+39.18)÷=M(平YT=109.6+273.15=382.75KR=8.314
代入得ρ=1.651kg/m3v而液相的平均密度ρ=950.2kg/m3Lρρ?
?
),校正查出的负荷系数由于uC=C=(0.2VLC20maxρ20VmN/mσ为操作物系的液体表面张力,C是操作物系的负荷系数
=1.92m/s,求得uC继而可求出u根据史密斯关联图可查得maxmaxu,即求出u,乘以安全系数,便得适宜的空塔气速max1.92=1.152m/s×u=0.6u=0.6max依据流量公式可计算塔径,即V4D=Su?
D——塔径,mV——塔内气体流量,m/su——空塔气速,m/s3S由于精馏段和提馏段的V可能不一样,因此要分开计算SMV,可得由V=mS?
3600v精馏段的V=222.86×56.136÷3600÷1.651=2.10m/s3S提馏段的V′=222.86×39.18÷3600÷1.651=1.47m/s3S所以D=1.524mD′=1.275m
按标准塔径圆整得D=1.6mD′=1.3m
1.6m
综上所述取塔径为
2.精馏塔有效高度的计算
N-1)H根据Z=(TT
ETZ——塔的有效段高度,m
N——塔内所需的理论板层数TE——总板效率TH——塔板间距,m
T?
)(根据奥康奈尔方法可知E=0.490.245-?
TL——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度,对多组分系统,应取关?
键组分间的相对挥发度。
——塔顶与塔底平均温度下的液相黏度,mPa·s
?
L?
可以这么计算的统于多组分系对L?
∑=?
xiliL——液相中任意组分i的黏度,mPa·s
?
li——液相中任意组分i的摩尔分数xi八、塔板主要工艺尺寸计算
1.溢流装置计算
可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘
由于D=1.6m,查表可知标准参数为
塔截面积A=2.011m塔板间距取H=0.5m
2TT弓形降液管堰长l=1.171m弓形降液管宽度W=0.255mdw降液管面积A=0.207ml/D=0.7322wf溢流堰高度h=h-hOWLW.
2.塔板布置,应该采用分块式塔板D=1.6m由于﹥1.2mFF=10,由u=取阀孔动能因子000?
V=7.78m/s=10÷则孔速u6511.0V=0.039m
而孔阀直径dN=而每层塔板上的浮阀数S0?
2ud004N=226
可得九、塔板的流体力学验算1.塔板压降+h+h
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