化工原理課程設計任務書.doc

乙醇水連續(xù)浮閥式精餾塔的設計化工原理課程設計任務書 一 設計題目： 乙醇水連續(xù)浮閥式精餾塔的設計二 任務要求 設計一連續(xù)篩板浮閥精餾塔以分乙醇和水具體工藝參數如下：原料加料量 F100kmol/h進料組成 xF0.273餾出液組成 xD0.831釜液組成 xw0.012塔頂壓力 p100kpa單板壓降 0.7 kPa2 工藝操作條件：常壓精餾，塔頂全凝器，塔底間接加熱，泡點進料，泡點回流。 三 主要設計內容 1、設計方案的選擇及流程說明2、工藝計算3、主要設備工藝尺寸設計 （1）塔徑及 提 餾段塔板結構尺寸的確定 （2）塔板的流體力學校核 （3）塔板的負荷性能圖 （4）總塔高4、設計結果匯總5、工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖 摘 要 本設計是以乙醇水物系為設計物系，以浮閥塔為精餾設備分離乙醇和水。浮塔是化工生產中主要的氣液傳質設備，此設計針對二元物系乙醇水的精餾問題進析選取，計算，核算，繪圖等，是較完整的精餾設計過程。通過逐板計算得出理論板數為16塊，回流比為3.531,算出塔效率為0.518，實際板數為32塊，進料位置為第11塊，在板式塔主要工藝尺寸的設計計算中得出塔徑為1米，有效塔高13.6米，浮閥數（提餾段每塊76）。通過浮閥塔的流體力學驗算，證明各指標數據均符合標準。本次設計過程正常，操作合適。關鍵詞：乙醇、水、二元精餾、浮閥連續(xù)精餾精餾塔、提餾段Abstract This design is based on ethanol - water content is to design a system, to float valve tower for separation of ethanol and water distillation equipment. Float valve tower is the main gas liquid mass transfer in chemical production equipment, the design for the binary system of ethanol - water distillation problem into selection analysis, calculation, calculation, drawing, etc., is a complete distillation design process. Through by calculated theoretical plate number is 16 boards, reflux ratio is 3.531, calculate the column efficiency is 0.518, the actual number plate for 32 pieces, feeding position for 11 pieces, in a plate column design and calculation of main technological size of tower diameter is 1 m, 13.6 meters high tower, effective number of float valve (stripping section one (76). Through calculation of fluid mechanics, float valve tower prove the index data are up to the standard. The design process is normal, the operation right.第1章 前言1.1精餾原理及其在化工生產上的應用實際生產中，在精餾柱及精餾塔中精餾時，上述部分氣化和部分冷凝是同時進行的。對理想液態(tài)混合物精餾時，最后得到的餾液(氣相冷卻而成)是沸點低的B物質，而殘液是沸點高的A物質，精餾是多次簡單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結果，塔頂冷凝收集的是純低沸點組分，純高沸點組分則留在塔底。1.2精餾塔對塔設備的要求精餾設備所用的設備及其相互聯系，總稱為精餾裝置，其核心為精餾塔。常用的精餾塔有板式塔和填料塔兩類，通稱塔設備，和其他傳質過程一樣，精餾塔對塔設備的要求大致如下： 一：生產能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會產生液泛等不正常流 動。 二：效率高：氣液兩相在塔內保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質效率。 三：流體阻力?。毫黧w通過塔設備時阻力降小，可以節(jié)省動力費用，在減壓操作是時，易于達到所要求的真空度。 四：有一定的操作彈性：當氣液相流率有一定波動時，兩相均能維持正常的流動，而且不會使效率發(fā)生較大的變化。 五：結構簡單，造價低，安裝檢修方便。 六：能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。1.4常用板式塔類型及本設計的選型常用板式塔類型有很多，如：篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。而浮閥塔具有很多優(yōu)點，且加工方便，故有關浮閥塔板的研究開發(fā)遠較其他形式的塔板廣泛，是目前新型塔板研開發(fā)的主要方向。近年來與浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質設備，浮閥塔多用不銹鋼板或合金 。實際操作表明，浮閥在一定程度的漏夜狀態(tài)下，使其操作板效率明顯下降，其操作的負荷范圍較泡罩塔窄，但設計良好的塔其操作彈性仍可達到滿意的程度。 浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎上發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點。所以在此我們使用浮閥塔，浮閥塔的突出優(yōu)點是結構簡單，造價低，制造方便；塔板開孔率大，生產能力大等。 乙醇與水的分離是正常物系的分離，精餾的意義重大，在化工生產中應用非常廣泛，對于提純物質有非常重要的意義。所以有必要做好本次設計1.4本設計所選塔的特性浮閥塔的優(yōu)點是： 1生產能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產能力比泡罩塔板大 20%40%，與篩板塔接近。 2操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 4氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造價較低，浮閥塔的造價是同等生產能力的泡罩塔的 50%80%，但是比篩板塔高 20%30。 但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價昂貴，推廣受到一定限制。隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 近幾十年來，人們對浮閥塔的研究越來越深入，生產經驗越來越豐富，積累的設計數據比較完整，因此設計浮閥塔比較合適第二章流程的確定和說明2.1設計思路首先，乙醇和水的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產品冷卻器中，停留一定的時間然后進入乙醇的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成乙醇和水的分離。2.1設計流程乙醇水混合液經原料預熱器加熱，進料狀況為汽液混合物q=1 送入精餾塔，塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余經塔頂產品冷卻器冷卻后，送至儲罐,塔釜采用直接蒸汽加熱,塔底產品冷卻后,送入貯罐(附流程圖)。第三章 精餾塔的工藝計算3.1物料衡算3.1.1原料液及塔頂，塔底產品的摩爾分率乙醇的摩爾質量 水的摩爾質量 原料加料量 F100kmol/h進料組成 xF0.275餾出液組成 xD0.843釜液組成 xw0.013塔頂壓力 p100kpa單板壓降 0.7 kPa3.1.2物料衡算精餾塔二元系物料解得：D=31.6 W=68.4精餾段：L=RD=2.3631.6=74.51 kmol/h V=（R+1）D=（2.36+1）31.6=106.08kmol/h提餾段： =L+qF=74.51+100=174.51 kmol/h =V+(q1)F=V=106.08 kmol/h3.2回流比的確定3.2.1平均相對揮發(fā)度的計算查1由相平衡方程 得由常壓下乙醇-水溶液的平衡數據x0.180.20.250.30.350.4y0.510.5250.5510.5750.5950.61x0.450.550.50.60.650.7y0.6350.6780.6780.6970.7250.755由道爾頓分壓定律 及得 將上表數據代入 得：序號123453.68153.15692.72542.35012.1263序號6789101.91551.72281.54081.41961.3207則 則 平衡線方程： 3.2.2最小回流比的計算和適宜回流比的確定xF0.275 xD0.843xw0.012 =3.04 因為q=1所以Xe= xF0.275由相平衡方程= 0.536最小回流比操作回流比取最小回流比的1.6倍=1.6=2.363.3板數的確定3.3.1精餾塔的氣液相負荷精餾段：L=RD=2.3631.6=74.51 kmol/h V=（R+1）D=（2.36+1）31.6=106.08 kmol/h提餾段： =L+qF=74.51+100=174.51 kmol/h =V+(q1)F=V=106.08 kmol/h3.3.2精餾段與提餾段操作線方程精餾段操作線方程： 提餾段操作線方程： 3.3.3逐板法確定理論板數及進料位置對于甲醇水屬物系，可采用逐板計算法求理論板層數。根據求得的相對揮發(fā)度可知相平衡方程為 因為泡點進料，q=1， 第一塊板上升的蒸汽組成 第一塊板下降的液體組成由式（c ）求取由第二塊板上升的氣相組成用（a）式求取:由第二塊板下降的液體組成如此反復計算： , 因第5塊板上升的氣相組成由提餾段操作方程（b）:計算 如此反復計算： , =0.013根據以上求解結果得： 總理論板數為 9 （包括再沸器） 進料板位置為 4 精餾段理論板數 3 提餾段理論板數 6 3.3.4全塔效率由進料組成 經查表 得 泡點溫度 在此溫度下 查文獻 得 ： 則進料液再該溫度下的平均粘度為：則板效率E 由計算=0.401則 實際塔板數： 精 餾 段: 提 餾 段: 3.4精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算3.4.1操作溫度的計算1.)塔頂溫度計算查文獻乙醇-水溶液中乙醇摩爾分數為0.70和0.80時,其沸點分別為78.778.4塔頂溫度為,則由內插法:, 2.)進料板溫度查文獻乙醇-水溶液中乙醇摩爾分數為0.20和0.30時,其沸點分別為83.2和81.7設塔頂溫度為,則由內插法:, 3.)塔釜的溫度查文獻乙醇-水溶液中乙醇摩爾分數為0.00和0.05時,其沸點分別為100和90.6設塔頂溫度為,則由內插法:, 則 精餾段的平均溫度: 提餾段的平均溫度: 3.4.2操作壓強塔頂壓強：PD=100 kpa 取每層塔板壓降:P=0.7 kpa 則 進料板壓力: 塔釜 壓力: 則 精餾段的平均操作壓強: 提餾段的平均操作壓強: 3.4.3塔內各段氣液兩相的平均分子量 乙醇的摩爾質量 水的摩爾質量 由公式 得 1.)對于塔頂 , 對于氣相平均分子量: 對于液相平均分子量: 2.)對于進料板, 對于氣相平均分子量; 對于液相平均分子量: 3.)對于塔釜 對于氣相平均分子量: 對于液相平均分子量: 則 精餾段的平均分子量; 氣 相: 液 相 : 提餾段的平均分子量; 氣 相: 液 相 : 3.4.4精餾塔各組分的密度1.）氣相平均密度 由 計算： 精餾段的氣相平均密度： 提餾段的氣相平均密度： 2.）液相的平均密度 由 計算 （1.）對于塔頂 查文獻 ， 質量分率 則 （2.）對于進料板 查文獻 ， 質量分率 則 （3.）對于塔釜 查文獻 ， 質量分率 則 則 精餾段的液相平均密度： 提餾段的液相平均密度： 3.4.5液體表面張力的計算 由 計算（1.）對于塔頂 查文獻 ， 則 （2.）對于進料板 （3.）對于塔釜 查文獻 ， 則 則精餾段的液體平均表面張力： 提餾段的液體平均表面張力： 3.4.6液體平均粘度的計算 由 計算（1.）對于塔頂 查文獻 ， 則 （2.）對于進料板 查文獻 ， 則 （3.）對于塔釜 查文獻 ， 則 則精餾段的液體平均粘度： 提餾段的液體平均粘度： 3.4.7氣液負荷計算 精餾段氣液負荷計算： 提餾段氣液負荷計算： 3.5精餾塔的塔體工藝尺寸計算3.5.1塔徑的計算精餾段液氣流動參數 取板間距，板上清液高度， 則 查史密斯關聯圖 得 又 液體的表面張力 取安全系數為0.6，則空塔氣速： 則 按標準塔徑園整后為：塔截面積： 實際空塔氣速u： 提餾段液氣流動參數 取板間距，板上清液高度， 則 查史密斯關聯圖 得 又 液體的表面張力 取安全系數為0.8，則空塔氣速： 則 按標準塔徑園整后為：塔截面積： 實際空塔氣速u： 3.5.2精餾塔有效高度的計算 板式塔的塔高按下式計算 初選板間距 HT=0.4m 則 3.5.3溢流裝置計算因為D=1米，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。1.）堰長取 2.）溢流堰高度由 選用平直堰，堰上液層高度how由下式計算近似取E=1，則取板上清液高度故 3.）弓形降液管寬度和截面積由 查 弓形降液管的參數 得, 故 依式 故 降液管設計合理4.）降液管底隙高度 取 則 故 降液管底隙高度設計合理選用凹形受液盤，深度3.5.4塔板布置1.）邊緣寬度的確定 取 ， 2.）開孔區(qū)面積計算 開孔區(qū)面積按下式計算 其中： 故 3.）浮閥個數及其排布 乙醇-水對設備無腐蝕性，可選用的碳鋼板，在塔板上按等腰三角形錯排排列浮閥，并取塔板上液體進出口安定區(qū)寬度和均為60mm邊緣區(qū)寬度為為50mm， 取 浮閥直徑選取F1型浮閥，重型，其閥孔直徑 d0=0.039m初取孔動能因子故閥孔氣速u0=10.62m/s故閥孔個數：設計條件下閥孔氣速： m/s動能因子： 塔板上浮閥開孔率：氣體通過篩孔的氣速： 3.6篩板的流體力學驗算3.6.1塔板壓降1.）干板阻力的計算由；干板阻力可計算如下：臨界孔速故按浮閥未全開計算：液柱；塔板上液層阻力：液柱；表面張力產生阻力：液柱；故=0.0337+0.03+0.00076=0.06446m液柱。2.）氣體通過液層的阻力計算 氣體通過液層的阻力由 計算 查充氣系數關聯圖 得則 液柱液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產生的阻力， 由 計算即 m液柱 則氣體通過每層板的壓降： （設計允許值）3.6.2液沫夾帶液沫夾帶由 計算 kg液/kg氣 kg液/kg氣 故在本設計中液沫夾帶量在允許的范圍內.3.6.3漏液 對篩板塔，漏液點氣速由 計算即 實際孔速 穩(wěn)定系數 故 在設計中無明顯的漏液3.6.4液泛 為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高度應服從下式： 取 ， 則 m液柱而 板上不設進口堰，由 計算 液柱 液柱 故 在本設計中不會發(fā)生液泛現象3.7塔板負荷性能圖3.7.1過量液沫夾帶線關系式在式中，令，并將塔板有關數據代入得：Lh0.20.3Vh1.030.723.7.2液相下限線關系式由，令E=1，取，并將代入，可得：3.7.3嚴重漏夜線關系式令則：或3.7.4液相上限線關系式在中，令，并將和代入得3.7.5降液管液泛線關系式由降液管液泛校核條件式將（令其中E=1），hf（略去其中），和hd計算代入，可得： ；得：將有關數據代入得：Ls0.0010.003Vs2.952.8以Lh為橫坐標，Vh為縱坐標，可得塔板負荷性能圖為：在負荷性能圖上，作出操作點A，與原點連接，即為操作線OA。由圖可知，篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得 ， 故彈性操作為 3.8主要接管尺寸的選取3.8.1進料管進料管的結構類型很多，有直管進料管、T型進料管、彎管進料管。本設計采用直管進料管，管徑計算如下： 取uF=1.6m/s，而 3.8.2釜液出口管已知釜液流率為 釜液密度： 則： 取管內流速為：3.8.3塔頂蒸汽管體積流速： 塔頂蒸密度 則： 取3.8.4回流管采用直管回流管，取uR=1.6m/s。3.8.5塔底蒸汽管體積流速： 塔頂蒸密度 則： 取第四章主要計算計算結果列表4.1浮閥塔計算結果匯總項 目符 號單 位計算數據精餾段提餾段平均分子量氣相kg/kmol36.2524.89液相kg/kmol29.9621.20各段平均壓強kPa102.5107.7各段平均溫度80.1989.53平均密度氣相1.270.89液相815.6903.8各段平均表面張力39.1055.85各段平均粘度0.4270.335平均流量氣相m3/s0.8410.824液相m3/s0.00080.0011實際塔板數塊715板間距m0.40.4塔有效高度m3.68.4塔徑m10.1空塔氣速m/s1.0711.05塔板液流形式單流型單流型項 目符 號單 位計算數據提餾段溢流裝置溢流管形式弓形堰長m0. 66堰高m0.054溢流堰寬度m0.124管底與受液盤距離m0.0337板上清夜層高度m0.03浮閥數個63開孔面積m20.596閥孔流速m/s11塔板壓降kPa446液體在降液管中停留的時間s20.62降液管內清液層高度m0.1317霧沫夾帶kg液/kg 氣0.017負荷上限液沫夾帶控制負荷下限漏液控制液相最大負荷m3/s0.044液相最小負荷m3/s0.0006彈性操作3.22結束語課程設計是對以往學過的知識加以檢驗，能夠培養(yǎng)理論聯系實際的能力，尤其是這次精餾塔設計更加深入了對化工生產過程的理解和認識，使我們所學的知識不局限于書本，并鍛煉了我的邏輯思維能力。設計過程中培養(yǎng)了我的自學能力，設計中的許多知識都需要查閱資料和文獻，并要求加以歸納、整理和總結。通過自學及老師的指導和同學的幫助，不僅鞏固了所學的化工原理知識,更極大地拓寬了我的知識面，讓我更加認識到實際化工生產過程和理論的聯系和差別，這對將來的畢業(yè)設計及工作無疑將起到重要的作用.這次化工原理的課程設計，從最開始的草稿，到后來的電子稿，我經過了一遍又一遍的修改，每次修改都伴隨著我很大的努力，當然也伴隨著我很大的進步，更使我明白理論離實踐的距離真的很遠。最開始是由于自己的粗心大意導致了理論板的卻定出現了錯誤，從而是的后面出現了一系列的錯誤，好在及時發(fā)現，從新進行了計算。雖然浪費了時間但是也讓我知道了粗心大意的后果，并且去改掉粗心的毛病。在這次化工原理課程設計中我也收獲到了很多，學會了一些word中自己以前不會的的東西，學了以前從未接觸的Auto CAD 繪圖軟件，同時也讓我深深地感受到了同學們之間的友誼，感謝同學們對我的幫助和鼓勵，使我能夠順利的完成我的課程設計，同時也感謝幾位同學在CAD繪圖過程中對我的指導。在此，衷心的謝謝你們對我的幫助。設計中一定有很多疏漏和錯誤之處，懇請老師批評指正，并感謝學校給予我這次機會！參考文獻：（1）賈紹義，柴誠敬，化工單元過程及設備設計課程設計，天津，天津大學出版社，2002年，3871，101133。 （2）陳敏恒，從德滋，方圖南，齊鳴齋，化工原理（上冊），第二版，北京，化學工業(yè)出版社，1999年，310313。（3）陳敏恒，從德滋，方圖南，齊鳴齋，化工原理（下冊），第二版，北京，化學工業(yè)出版社，1999年，49103。（4）陳常貴，柴誠敬，姚玉英，化工原理（下冊），天津，天津大學出版社，2002年，38，90111。（5）唐倫成，化工原理課程設計簡明教程，哈爾濱，哈爾濱工程大學出版社，2005年，3566。（6）圖偉萍，陳佩珍，程達芳，化工過程及設備設計，北京，化學工業(yè)出版社，2003年。(7) 劉光啟，馬連湘，劉杰，化學化工物性數據手冊（無機卷），北京，化學工業(yè)出版社，2002年，127。（8）劉光啟，馬連湘，劉杰，化學化工物性數據手冊（有機卷），北京，化學工業(yè)出版社，2002年，299324。（9）羅傳義，時景榮，VBA程序設計，吉林，吉林科學技術出版社，2003年，139151。主要符號說明表 主要符號說明符號意義單位Aa基板鼓泡區(qū)面積m2Ad降液管截面積m2Af總降壓管截面積m2An塔板上方氣體通道截面積m2Ao浮閥塔板閥孔總截面積m2AT塔截面積m2C計算液泛速度的負荷因子-C20液體表面張力為20mN/m時的負荷因子-Co孔流系數-D塔徑mD塔頂產品流率Kmol/sdo閥孔直徑mE液流收縮系數-ET塔板效率-eV單位質量氣體夾帶的液沫質量-F進料摩爾質量kmol/hFLV兩相流動參數-Fo氣體的閥孔動能因子kg0.5/(sm0.5)G質量流量kg/hg重力加速度m/s2h0降液管底隙高度mhc與干板壓強降相當的液柱高度mhd降液管壓強降相當液柱高度mhL板上液層高度mhp與單板壓降相當的液層高度mHT板間距mhoW堰上方液頭高度mhW出口堰高m與克服表面張力壓強降相當的液柱高度mL下降液體流率Kmol/sLh塔內液體流量m3/hLs塔內液體流量m3/slW堰長mk塔板的穩(wěn)定性系數-M摩爾質量kg/km