精餾塔及一系列附屬設備設計說明書.doc

精餾塔設計說明書 院（部）系化學與化學工程學院所 學 專 業(yè)化學工程與工藝年級、班級08級本科一班完成人 *指導教師*前言工程設計既是工程建設的靈魂，又是科研成果轉化為現實生產力的橋梁和紐帶，決定著工業(yè)現代化的水平。本設計方案要求設計以精餾塔為核心，根據要求合理和完整的設計一個精餾流程，具體設計任務如下：一、 設計任務以精餾塔為核心，要求能根據分離要求合理和完整的設計一個精餾流程，包括儲罐，管道，離心泵，換熱器，精餾塔等。還要求能用合適的形式表達設計方案。包括工藝流程圖帶控制點的工藝流程圖、設備圖等。具體任務為：某工廠生產乙酸丁酯時產生一股物流，含有乙酸乙酯30%（質量分數，下同），乙酸丁酯70%，設計一座常壓精餾塔，對上述混合物進行分離，要求塔頂流出液中乙酸乙酯回收率為95%，釜殘液中乙酸丁酯的回收率為97%，年處理量7200噸，產品均須冷卻到40C。塔釜采用外置再沸器，冷公用工程水為循環(huán)水（20-30C），熱公用工程為飽和水蒸氣，環(huán)境溫度為20C。二、 工藝操作條件操作壓力：常壓進料熱狀況：冷夜進料，進料溫度為60C回流比：R=6.8塔釜加熱蒸汽：0.4MPa（表壓）塔板類型：篩板工作日：每年300天，每天24小時連續(xù)運行。三、 設計內容：1、 計算餾出液和釜殘液的流量和組成。2、 采用圖解法求出理論板數并確定進料位置。3、 進行篩板式精餾塔的工藝設計，確定塔高、塔徑、進料位置等。4、 如果采用填料塔，確定填料層高度（填料類型自選）。5、 設計一合理的工藝流程，并繪制帶有主要參數控制點的工藝流程圖。6、 計算所設計流程的冷熱公用工程用量，并對工藝流程中的任一臺換熱器進行設計計算，要求采用列管式換熱器，計算其主要工藝參數，包括管長、管子規(guī)格殼程直徑、管程數、殼程數、管子數目等，畫出換熱器簡圖，表明接管尺寸。目 錄1 板式塔的設計11.1精餾塔的物料衡算11.1.1原料液及其摩爾分率11.1.2物料衡算11.2進料熱狀況參數q11.3塔板數的確定31.3.1理論板層數的求取31.3.2全塔效率的求取31.3.3實際板層數的求取41.4精餾塔的工藝條件及有關物性參數的計算41.5 精餾塔的塔體工藝尺寸計算61.5.1 塔徑的計算61.5.2精餾塔有效高度的計算71.5.3 塔板主要工藝尺寸的計算71.5.4塔板布置81.5.5篩板的流體力學驗算91.5.6 塔板負荷性能圖112 輔助設備的選型及計算162.1塔頂全凝器的設計計算162.1.1總傳熱系數的計算162.1.2傳熱面積的計算172.2 工藝結構尺寸172.3 換熱器核算：192.4 填料塔的設計213 塔設計的評述22參考文獻26符號及其意義271 板式塔的設計1.1精餾塔的物料衡算1.1.1原料液及其摩爾分率乙酸乙酯的摩爾質量乙酸丁酯的摩爾質量進料組成 原料液的平均摩爾質量 原料液的流量 F=9.43kmol/h1.1.2物料衡算塔頂餾出液乙酸乙酯的回收率：釜殘液中乙酸丁酯的回收率：=0.97總物料衡算：F=D+W乙酸乙酯物料衡算：由以上各式解得 D=3.41kmol/h W=6.02kmol/h 1.2進料熱狀況參數q根據常壓下乙酸乙酯-乙酸丁酯溶液的平衡數據繪出t-x-y圖，如圖1。圖1 常壓下乙酸乙酯乙酸丁酯溶液的t-x-y圖由圖1查得，在進料組成下的泡點溫度C，進料溫度t =60C，平均溫度C 。由設計任務書附錄圖1查得：乙酸乙酯汽化潛熱乙酸丁酯的汽化潛熱平均汽化潛熱：由附錄圖1查得： C時， 平均液體比熱： 進料熱狀況參數： q=故符合冷夜進料。1.3塔板數的確定1.3.1理論板層數的求取（1） 由常壓下乙酸乙酯-乙酸丁酯溶液的平衡數據繪出x-y圖，如圖2.（2） 操作回流比R=6.8（3） 求精餾塔的氣、液相負荷 L=RD=23.188 kmol/h V=(R+1)D=26.598 kmol/h L=L+qF=34.79kmol/h V=V+(q-1)F=28.77 kmol/h（4）求操作線方程精餾段操作線方程： 提餾段操作線方程： q線方程： 在圖2中分別畫出精餾段、提餾段操作線及q線。（5）圖解法求理論板層數采用圖解法求理論板層數，如圖2所示，求解結果為總理論板層數 (包括再沸器)進料板位置 1.3.2全塔效率的求取由圖1查得液相在塔頂組分下的泡點溫度C 。C時，由設計任務書附錄圖5查得： 塔頂平均黏度 =-0.593 同理，求得塔底平均液相黏度： 則全塔平均黏度：塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度：則全塔效率：1.3.3實際板層數的求取精餾段實際板層數 N精=2/0.46=4.35提餾段實際板層數 N提=2.8/0.46-1=6(不包括再沸器)1.4精餾塔的工藝條件及有關物性參數的計算1、 操作壓力：常壓2、 操作溫度計算由塔頂組成查圖1得出所對應的泡點溫度C由進料組成查圖1得出所對應的泡點溫度，及進料板溫度t=99C精餾段平均溫度C3、 平均摩爾質量計算塔頂平均摩爾質量計算由查圖2中平衡線得 進料板平均摩爾質量計算 由圖解理論板得 ，查圖2平衡線得： 精餾段平均摩爾質量 4、 平均密度計算（1） 氣相平均密度計算塔頂氣相平均密度：C 由附圖4查得進料板氣相平均密度：t=99C時，由設計任務書附圖4查得 氣相平均密度： （2） 液相平均密度計算塔頂液相平均密度C 由附圖3查得，進料板液相平均密度t=99C 由附圖3查得進料板液相的質量分率精餾段液相平均密度5、 液相平均表面張力的計算 塔頂液相平均表面張力的計算C，查手冊得進料板液相平均表面張力的計算t=99C時，查手冊得液相平均表面張力1.5 精餾塔的塔體工藝尺寸計算1.5.1 塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流量： 圖的橫坐標為：取板間距為H=0.35m，板上液層高度查史密斯關聯圖得： ，1.5.2精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度 提餾段有效高度 故精餾塔有效高度為：3.15m 。1.5.3 塔板主要工藝尺寸的計算（）溢流裝置計算選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤堰長：堰高：近似取E=1，則 （2）弓形降液管寬度和截面積由 查弓形降液管的參數圖得 液體在降液管中停留時間：故降液管設計合理（3）降液管底隙高度故降液管底隙高度設計合理 1.5.4塔板布置（1） 塔板結構：因為塔徑小于800mm，故采用整塊式。（2） 邊緣區(qū)寬度：取 （3） 開孔面積的計算：取開孔面積按下列公式計算（4） 篩孔計算及其排列：選用碳鋼板，取篩孔直徑篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為： 1.5.5篩板的流體力學驗算1. 塔板壓降（1） 干板阻力的計算 干板阻力由下式計算，即（2）氣體通過液層的阻力計算 氣體通過液層的阻力由下式計算，即 查充氣系數關聯圖得 （3） 液體表面張力 阻力計算 液體表面張力所產生的阻力由下式計算氣體通過每層塔板的液柱高度2. 液層落差 對于篩板塔液面落差很小，且本設計中塔徑和流量均不大，故忽略液面落差的影響。3. 霧沫夾帶 霧沫夾帶量 故設計中液沫夾帶量在允許范圍內4.漏液 對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即實際孔速 故在本設計中無明顯漏液。5. 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的關系，即 1.5.6 塔板負荷性能圖1. 漏液線由 在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表1表1 漏液線數據Ls,0.00050.0010.0020.003Vs,0.1280.1310.1350.139由表1數據作出漏液線1。2. 液沫夾帶線 以為限，求關系如下： 在操作范圍內任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表2表2 液沫夾帶線數據Ls,0.00050.0010.0020.003Vs,0.3880.370.340.316由表2數據作出液沫夾帶線2。3. 液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準則由 據此作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。4. 液相負荷上限線 以作為液體在降液管中停留時間的下限 故 據此作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。5. 液泛線 令 由 聯立得 忽略，將與，與，與的關系式代入上式，并整理得 將有關數據代入，得 故 或在操作范圍內任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表3。表3 液泛線數據Ls,0.00050.0010.0020.003Vs,0.4620.4500.4270.401由表3數據作出液泛線5。 根據以上各方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖3。 在負荷性能圖上作出操作點A，連接OA，即為操作線，由圖可看出，該篩板塔的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制，由圖3查得： 故操作彈性為 表4 篩板塔設計計算結果序號項目數值及說明1氣相流量0.2192液相流量0.000783實際塔板數124有效高度，m3.955塔徑D，m0.76板間距0.357溢流形式單溢流8降液管形式弓形9堰長m0.510堰高m0.5111板上液層高度m0.00612堰上液層高度m0.00913降液管底隙高度m0.02214安定區(qū)寬度m0.05515邊緣區(qū)寬度m0.03516開孔區(qū)面積0.21717篩孔直徑m0.00518篩孔數目111419孔中心距m0.01520開孔率%10.121空塔氣速0.6122篩孔氣速1023穩(wěn)定系數1.724每層塔板壓降Pa57425負荷上限液泛控制26負荷下限漏液控制27液沫夾帶0.01728氣相負荷上限0.36229氣相負荷下限0.12730操作彈性2.852 輔助設備的選型及計算2.1塔頂全凝器的設計計算選擇列管式換熱器碳鋼管，管內流速循環(huán)水。查取塔頂露點溫度為82.8C，泡點溫度為78.5C。氣體平均溫度 循環(huán)冷卻水溫度 混合物在88.9C時的相關數據如下：密度：導熱系數：粘度： 循環(huán)冷卻水25C時的相關數據如下：密度：定壓比熱：粘度： 2.1.1總傳熱系數的計算1. 熱流量： 其中 2. 平均傳熱溫差：C3. 冷卻水用量：4. 總傳熱系數K（1） 管程傳熱系數： （2）殼程傳熱系數：污垢熱阻： 取管壁導熱系數 2.1.2傳熱面積的計算 考慮15%面積裕度 2.2 工藝結構尺寸1. 管徑及管內流速： 取2. 管程數和傳熱管數 取19根按單程設計，傳熱管長為 宜采用多程管結構，取傳熱管長6米，則管程數為 傳熱管總根數為 3.平均傳熱溫差校正及殼程數（1） 校正系數： 按單殼程、四管程結構，查溫差校正系數，得 平均傳熱溫差 C4. 傳熱管排列和分程方法：組合排列法，即每程內按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心矩 則橫過管束中心線的管數 5. 殼體內經：采用多管程結構，取管板利用率殼體內徑為：圓整后取 D=400mm6. 折流板 采用弓形（圓缺形）折流板，圓缺高度為殼體內經的25%，則切去的圓缺高度為取折流板間距折流板數折流板圓缺面面水平裝配7、接管：（1）殼程流體進出口管：取接管內氣相流速為u=5m/s,則管內徑為 d=（2）管程流體進出口管：取接管內循環(huán)水流速為1.5m/s,則管內徑為 2.3 換熱器核算：1、 熱量核算：（1）殼程對流傳熱系數：對圓缺型折流板，可采用凱恩關聯式 （2）管程對數傳熱系數： 實際傳熱面積：表5塔頂全凝器數據統(tǒng)計換熱器形式：固定管板式換熱面積（）：37.1工藝參數名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水有機物操作壓力常壓常壓操作溫度，20/3082.4/78.5流量，/h210002380.8流體密度，9963.1流速，m/s0.46519.4傳熱量，KW240總傳熱系數，W/.133.7對流傳熱系數，W/.2407301.5污垢系數，.K/W0.0001720.000086阻力降，Kpa8.68137.6程數41使用材料不銹鋼不銹鋼管子規(guī)格管數76管長，6000管間距，32排列方式正三角形折流板形式弓形間距，120切口高度25%殼體內徑，400保溫厚度2.4 填料塔的設計如果采用填料塔，應采用等板高度法計算填料層高度，其基本公式如下：Z=HETP3 塔設計的評述 本次的設計任務是分離年產7200噸的乙酸乙酯乙酸丁酯的篩板式連續(xù)精餾塔。本次設計的精餾塔塔徑為800mm，實際塔數為10塊，塔板間距為0.3m，第6塊板為進料板。踏板設計，精餾段與提餾段設計相同。經過流體力學驗算，我們設計的精餾塔能夠完成設計任務，能夠正常運行。本設計另一創(chuàng)新之處在于節(jié)能環(huán)節(jié)的設計，利用塔釜余熱對進料進行預熱，要完成一個設計，需要細心、良好