乙醇水精餾塔及其主要附屬設備設計.doc

.化工原理課程設計題目：乙醇-水精餾塔及其主要附屬設備設計院（系）： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 目錄一 概述.41.1 設計依據(jù)41.2 技術來源.41.3 設計內(nèi)容.41.4 工藝條件.51.5 塔型選擇.5二 塔板的工藝設計.52.1 物料衡算52.2 精餾塔內(nèi)各物性參數(shù).62.2.1 溫度.62.2.2 密度.72.2.3 粘度.82.2.4 相對揮發(fā)度92.2.5 混合液體表面張力.92.2.6 氣液體積流量 112.3 理論塔板數(shù).122.3.1 最小回流比rmin及操作回流比r的確定.122.3.2 操作線方程.132.4 實際塔板數(shù).132.4.1 精餾段.132.4.2 提餾段.132.4.3 全塔效率.142.5 塔徑的初步計算.14 2.5.1 精餾段.14 2.8.1 踏板分布.16 2.8.2 浮閥數(shù)目與排列.16三 塔板的流體力學計算.173.1 氣相通過浮閥塔板的壓降.17 3.1.1 精餾段.17 3.1.2 提餾段.173.2 淹塔.17 3.2.1 精餾段.18 3.2.2 提餾段.183.3 霧沫夾帶.18 3.3.1 精餾段.19 3.3.2 提餾段.193.4 塔板負荷性能圖.19 3.4.1 霧沫夾帶線.19 3.4.2 液泛線.20 3.4.3 液相負荷上限.21 3.4.4 漏液線.213.4.5 液相負荷下限線.21四 接管尺寸的確定.234.1 進料管.235.2 再沸器.25六 總結(jié).25七 參考文獻26八 附件.26一、概述乙醇水是工業(yè)上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來，由于燃料價格的上漲，乙醇燃料越來越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢，且已在鄭州、濟南等地的公交、出租車行業(yè)內(nèi)被采用。山東業(yè)已推出了推廣燃料乙醇的法規(guī)。長期以來，乙醇多以蒸餾法生產(chǎn)，但是由于乙醇水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產(chǎn)量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進乙醇水體系的精餾設備是非常重要的。塔設備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用，在此我們作板式塔的設計以熟悉單元操作設備的設計流程和應注意的事項是非常必要的。1.1 設計依據(jù)本設計依據(jù)于教科書的設計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。1.2 技術來源目前，精餾塔的設計方法以嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴格計算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴格計算法。1.3設計內(nèi)容1、確定精餾裝置流程，繪出流程示意圖。2、工藝參數(shù)的確定基礎數(shù)據(jù)的查取及估算，工藝過程的物料衡算及熱量衡算，理論塔板數(shù)，塔板效率，實際塔板數(shù)等。3、主要設備的工藝尺寸計算板間距，塔徑，塔高，溢流裝置，塔盤布置等。4、流體力學計算流體力學驗算，操作負荷性能圖及操作彈性。5、主要附屬設備設計計算及選型 塔頂全凝器設計計算：熱負荷，載熱體用量，選型及流體力學計算。 料液泵設計計算：流程計算及選型。1.4、工藝條件生產(chǎn)能力：40000噸/年（料液）年工作日：300天原料組成：40%乙醇，60%水（摩爾分率，下同）產(chǎn)品組成：餾出液 70%乙醇，釜液0.04%乙醇操作壓力：塔頂壓強為常壓進料溫度：泡點進料狀況：泡點加熱方式：直接蒸汽加熱回流比： 自選1.5. 塔型選擇根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日300天，每天開動設備24小時計算，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。 二、 塔板的工藝設計1、物料衡算依題意2、精餾塔內(nèi)各物性參數(shù)計算表1 常壓下乙醇和水氣液平衡組成（摩爾）與溫度的關系3溫度/。c液相中乙醇的含量x%氣相乙醇的含量y%1000095.51.917897.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.881.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.432.1、溫度根據(jù)表1繪制常壓下乙醇和水液相平衡組成（摩爾）與溫度的關系曲線 圖1 常壓下乙醇和水液相平衡組成（摩爾）與溫度的關系曲線由此圖可以讀出不同摩爾分數(shù)下對應的溫度 精餾段的平均溫度：提餾段的平均溫度：2.2、密度：已知：混合液密度：（為質(zhì)量分率，為平均相對分子質(zhì)量）混合氣密度：（1）精餾段液相組成 ： 氣相組成 ： 所以（2）提餾段液相組成 ：氣相組成 ：所以表2 不同溫度下乙醇和水的密度3溫度/7080859095乙745735730724720水997.8971.8968.6965.3961.85求得在與下的乙醇和水的密度精餾段：氣相密度：提餾段：氣相密度：2.3、黏度表3 不同溫度下溶液黏度3 t()水（mpa.s）乙醇（mpa.s）84.630.33720.432478.280.36420.469891.750.31250.3954（1）精餾段 所以精餾段黏度 （2）提餾段 提餾段黏度2.4、相對揮發(fā)度（1）精餾段：由 得 （2）提餾段：由 得 2.5、混合液體表面張力公式： 式中下角標，w、s、o分別代表水、有機物及表面部分，指主體部分的分子數(shù)，指主體部分的分子體積，為純水、有機物的表面張力，對乙醇。表4 不同溫度下乙醇和水的表面張力3溫度/708090100乙醇表面張力/10-2n/m21817.1516.215.2水表面張力/10-2n/m264.362.660.758.8（1）精餾段 聯(lián)立方程組： 代入求得：（2）提餾段，聯(lián)立方程組： 代入求得：2.6、氣液體積流量：（1）精餾段： 已知： 質(zhì)量流量： 體積流量： （2）提餾段： 已知： 質(zhì)量流量： 體積流量： 3、理論塔板數(shù) 3.1、最小回流比及操作回流比的確定 點做平衡線的切線，如圖：圖2 平衡線的切線圖讀得切點坐標為 ，因此：取操作回流比3.2、操作線方程因為是直接蒸汽加熱，所以提餾段操作線方程：精餾段操作線方程： 由此作圖得到7塊理論塔板，精餾段3塊，提餾段4塊，進料板在第4塊4、實際塔板數(shù)4.1、精餾段： 4.2、提餾段： 全部實際塔板數(shù)：4.3、全塔效率： 5、塔徑的初步計算5.1、精餾段由，式中c可由史密斯關聯(lián)圖查出：橫坐標數(shù)值：取板間距：， 則查史密斯關聯(lián)圖可知橫截面積：， 空塔氣速：5.2提餾段取板間距：， 則查史密斯關聯(lián)圖可知圓整：橫截面積：， 空塔氣速：6、塔有效高度的計算7、溢流裝置7.1、堰長取出口堰高：本設計采用平直堰，堰上液高度按下式計算 近似取（1） 精餾段 （2） 提餾段7.2、方形降液管的寬度和橫截面驗算降液管內(nèi)停留時間：精餾段：提餾段：停留時間。故降液管可使用。7.3、降液管底隙高度（1）精餾段取降液管底隙流速，則 （2）提餾段取，則 因為不小于20 mm，故滿足要求。8、塔板布置及浮閥數(shù)目及排列8.1、塔板分布本設計塔徑，采用分塊式板塔，以便通過人孔裝塔板。8.2、浮閥數(shù)目與排列（1）精餾段取閥孔動能因子，則孔速為 每層塔板上浮閥數(shù)目為取邊緣區(qū)寬度， 破沫區(qū)寬度計算塔板上的鼓泡區(qū)面積，即 其中 所以 浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個橫排的孔心距則排間距：（2）提餾段取閥孔動能因子，則 每層塔板上浮閥數(shù)目為 按，估算排間距，三、塔板的流體力學計算1、氣相通過浮閥塔板的壓降可根據(jù)計算1.1、精餾段（1）干板阻力 因，故 （2）板上充氣液層阻力取（3）液體表面張力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經(jīng)踏板的壓降相當?shù)母叨葹?1.2、提餾段（1）干板阻力 因，故 （2）板上充氣液層阻力?。?）液體表面張力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經(jīng)踏板的壓降相當?shù)母叨葹?2、淹塔為了防止淹塔現(xiàn)象，要求控制降液管中清液高度，即2.1、精餾段（1）單層氣體通過塔板壓降所相當?shù)囊褐叨?（2）液體通過降液管的壓頭損失 （3）板上液層高度 ，則 取已選定 則 可見所以符合防止淹塔的要求2.2、提留段（1）單板壓降所相當?shù)囊褐叨?（2）液體通過降液管的壓頭損失 ： （3）板上液層高度： 則 取，則 可見 ，所以符合防止湮塔的要求3、霧沫夾帶 泛點率 = 泛點率 = 板上液體流經(jīng)長度：板上液流面積；3.1 精餾段取物性系數(shù)，泛點負荷系數(shù)泛點率 = 泛點率 = 對于大塔，為了避免過量霧沫夾帶，應控制泛點率不超過80%，由以上計算可知霧沫夾帶能滿足（g液kg氣）的要求3.2 提留段取物性系數(shù)，泛點負荷系數(shù) 泛點率 = 泛點率 = 由計算可知，符合要求4、塔板負荷性能圖4.1、霧沫夾帶線 泛點率 = 據(jù)此可計算出負荷性能圖中的霧沫夾帶線，按泛點率80%計算：（1）精餾段整理得：，即由式子可知霧沫夾帶線為直線，通過取可算出（2）提精餾段整理得：，即由式子可知霧沫夾帶線為直線，通過取可算出精餾段ls1(m3/s)0.0020.01vs1(m3/s)2.2842.018提餾段ls2(m3/s)0.0020.01vs2(m3/s)2.6722.3594.2、液泛線由此確定液泛線，忽略式中而（1）精餾段整理得：（2）提留段整理得：在操作范圍內(nèi)，取若干，算出相應的值精餾段ls1(m3/s)0.0010.0030.0040.007vs1(m3/s)3.5283.4343.383.174提餾段ls2(m3/s)0.0010.0030.0040.007vs2(m3/s)3.6743.5333.4743.3034.3、液相負荷上限液體的最大流量應保證降液管中停留時間不低于35 s液體降液管中停留時間s以s作為液體在降液管中停留時間的下限，則4.4、漏液線對于型重閥，依=5作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則（1）精餾段（2）提留段4.5、液相負荷下限線取堰上液層高度作為液相負荷下限條件作出液相負荷下限線 取，則由以上15作出塔板負荷性能圖圖4 精餾段塔板負荷性能圖圖5 提餾段塔板負荷性能圖由圖可看出：（1）在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點p（設計點）處在適宜操作區(qū)的適中位置（2）塔板的氣相負荷上限完全由霧沫夾帶控制，操作下限由漏液控制（3）按固定的液氣比，由圖查出精餾段塔板的氣相負荷上限，氣相負荷下限 提留段塔板的氣相負荷上限，氣相負荷下限所以：精餾段操作彈性= ，提留段操作彈性= 浮閥塔工藝設計算結(jié)果項目符號單位計算所數(shù)據(jù)備注精餾段提餾段塔徑dm1.31.3板間距htm0.450.45塔板類型單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速um/s1.1821.22堰長lwm0.8450.845堰高hwm0.06250.0588板上液層高度hlm0.070.07降液管底隙高h0m0.020.03浮閥數(shù)n124109等腰三角形叉排閥孔氣速u0m/s10.6812.45同一橫排孔心距浮閥動能因子f01212相鄰橫排中心距離孔心距tm0.0750.075排間距tm0.090.103單板壓降pppa654.4667.9液體在降液管內(nèi)停留時間s43.2123.42降液管內(nèi)清液層高度hdm0.16430.1688泛點率%5548.65氣相負荷上限(vs)maxm3/s2.062.41氣相負荷下限(vs)minm3/s0.6580.675霧沫夾帶控制操作彈性3.033.66漏液控制四、接管尺寸的確定1、進料管本設計采用直管進料，管徑計算如下：取 則 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（gb8163-87），規(guī)格：2、回流管直管回流，取 則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（gb8163-87），規(guī)格：3、塔釜出料管直管出料，取 則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（gb8163-87），規(guī)格： 4、塔頂蒸汽出料管直管出氣，取出口氣速則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（gb8163-87），規(guī)格：5、塔釜進氣管直管進氣，取氣速則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（gb8163-87），規(guī)格：五、附屬設備設計1、冷凝器塔頂全凝器的熱負荷：取水為冷凝介質(zhì)，其進出冷凝器的溫度分別25和45則平均溫度下的比熱 ，于是冷凝水用量可求有機物蒸汽冷凝器設計選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為本設計取 出料溫度： 78.76（飽和氣）78.76（飽和液）冷卻水溫度： 25 45逆流操作： 傳熱面積： 2、再沸器再沸器的熱負荷為：因為釜殘液幾乎為純水，故其焓可按純水計算，即 選用120飽和水蒸氣加熱，傳熱系數(shù) 料液溫度 99.99 100，熱流體溫度120（水蒸氣）120（水）逆流操作： 換熱面積： 六、總結(jié)經(jīng)過長達兩周的設計，已基本完成了此次設計的要求，包括：1、流程示意圖的繪制2、工藝參數(shù)的確定：塔內(nèi)