化工原理課程設(shè)計(jì)--乙醇~水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì).docx

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)年級專業(yè)化學(xué)工程與工藝姓名學(xué)號完成日期2016年12月4日設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)：(1)進(jìn)精餾塔的料液含乙醇33(質(zhì)量)其余為水。(2)產(chǎn)品的乙醇含量不得低于94(質(zhì)量)。(3)殘液中乙醇含量不得高于0.1(質(zhì)量)。(4)生產(chǎn)能力為140噸/天 ，94(質(zhì)量)的乙醇產(chǎn)品 說明：一天24小時(shí)三、操作條件：(1)精餾塔頂壓強(qiáng) 4kPa(表壓)。(2)進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn)加料。(3)回流比 （1.53）Rmin 。(4)加熱蒸汽:低壓蒸汽。(5)單板壓降 小于0.7kPa。(6)冷卻水溫度：進(jìn)口20，出口35-40四、設(shè)備型式： F1型浮閥塔五、廠址： 家鄉(xiāng)地區(qū)目錄一、概述1.1設(shè)計(jì)依據(jù)1.2設(shè)計(jì)來源二、計(jì)算過程2.1設(shè)計(jì)方案的確定及流程說明2.1.1塔型的選擇2.1.2進(jìn)料狀態(tài)2.1.3加熱方式2.1.4熱能的回收利用2.1.5操作流程2.2塔的工藝計(jì)算2.2.1最小回流比及操作回流比的確定2.2.2理論塔板層數(shù)的確定2.2.3實(shí)際塔板數(shù)NP2.3塔和塔板的主要工藝尺寸設(shè)計(jì)2.3.1塔高、塔徑 尺寸的確定2.3.2塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定2.3.3塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算2.3.4塔板的負(fù)荷性能圖三、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表四、工藝流程簡圖五、設(shè)計(jì)評述、致謝一、概述 乙醇的用途很廣，可用乙醇來制造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等。醫(yī)療上也常用體積分?jǐn)?shù)為70%75%的乙醇作消毒劑等。溶劑。有機(jī)合成。各種化合物的結(jié)晶。洗滌劑。萃取劑、食用酒精可以勾兌白酒、用作粘合劑、硝基噴漆、清漆、化妝品、油墨、脫漆劑、等的溶劑以及農(nóng)藥、醫(yī)藥、橡膠、塑料、人造纖維、洗滌劑等的制造原料、還可以做防凍劑、燃料、消毒劑等。乙醇具有還原性，可以被氧化成為乙醛。而氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。根據(jù)實(shí)際需要，選擇浮閥塔板。因?yàn)楦￠y塔板生產(chǎn)能力大，塔板的效率較高，浮閥可根據(jù)氣流上下浮動，自行調(diào)節(jié)1.1設(shè)計(jì)依據(jù)精餾塔是化工生產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設(shè)備，此設(shè)計(jì)針對乙醇-水的精餾問題進(jìn)行分析、選取、計(jì)算、核算、繪圖等，是較完整的精餾設(shè)計(jì)過程。通過對精餾塔的運(yùn)算，可以得出精餾塔的各種設(shè)計(jì)如塔的工藝流程、生產(chǎn)操作條件及物性參數(shù)是合理的，以保證精餾過程的順利進(jìn)行并使效率盡可能的提高。1.2設(shè)計(jì)來源目前，精餾塔的設(shè)計(jì)方法以嚴(yán)格計(jì)算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴(yán)格計(jì)算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計(jì)算也采用嚴(yán)格計(jì)算法。二、計(jì)算過程2.1.1塔型的選擇根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日300天，每天開動設(shè)備24小時(shí)計(jì)算，生產(chǎn)能力為140噸/天，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價(jià)，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F1浮閥塔。2.1.2進(jìn)料狀態(tài)雖然進(jìn)料方式有多種，但是飽和液體進(jìn)料時(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè)計(jì)中采取飽和液體進(jìn)料2.1.3加熱方式 精餾塔的設(shè)計(jì)中多在塔底加一個(gè)再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)；由于乙醇水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時(shí)只需在塔底安裝一個(gè)鼓泡管，于是可省去一個(gè)再沸器，并且可以利用壓力較底的蒸汽進(jìn)行加熱，無論是設(shè)備費(fèi)用還是操作費(fèi)用都可以降低。2.1.4熱能的回收利用精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進(jìn)入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜?dú)堃簩υ弦哼M(jìn)行加熱。2.1.5操作流程乙醇水溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。乙醇水混合液原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)溫度后送入精餾塔進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過程。示意圖如下：2.2塔的工藝計(jì)算原料液中易揮發(fā)組分的摩爾組成：xF=33/4633/46+67/18=0.1616同理可求出xD=0.8598,xW=0.0004 原料液的平均摩爾質(zhì)量：MF=xF MCH3CH2OH (1xF)MH2O=0.1616460.838418=22.52kg/molMD=xD MCH3CH2OH(1xD) MH2O=0.8598460.14021842.07kg/molMW=xW MCH3CH2OH+1xW) MH2O=0.004460.99961818.01kg/kmol2.2.1最小回流比及操作回流比的確定由于是泡點(diǎn)進(jìn)料，xq=xF=0.1616，過點(diǎn)e(0.1616,0.1616)做直線x=0.1616交平衡線于點(diǎn)d，由點(diǎn)d可讀得yq=0.491，因此：Rmin=xDyqyq xF =0.85980.4910.4910.1616=1.120又過點(diǎn)a=(0.8598,0.8598)作平衡線的切線，切點(diǎn)為g，讀得其坐標(biāo)為xq=0.54，yq=0.54，因此：Rmin=0.85980.6650.6650.54=1.5584所以，Rmin=Rmin（2）=1.5584可取操作回流比R=1.5841.6=2.52.2.2理論塔板層數(shù)的確定精餾段操作線方程：Yn+1=R*xnR1xDR1=0.714xn 0.246提餾段操作線方程：Ym+1=W*XmV0 W*xWV0 =2024XW-8.96*10-4線方程：x=0.162在相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出Nt=15，精餾段12塊，提餾段3塊。2.2.3實(shí)際塔板數(shù)用奧康奈爾法()對全塔效率進(jìn)行估算：由相平衡方程式可得根據(jù)乙醇水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得：y1=xd=0.8598 x1=0.851(塔頂?shù)谝粔K板)yF=0.665 xF=0.1616(加料板)xW=0.0004 YF=0.0052(塔釜)因此可以求得：1=1.064 F=5.025 W=13.06全塔的相對平均揮發(fā)度：m=3(1*F*W)= 31.064*5.025*13.06=4.12塔的平均溫度：Tm=（TD+TF +TW)/3=87.03在溫度下查得因?yàn)樗裕?m =0.162*0.38+（1- 0.162）*0.327=0.336mPa/s全塔液體的平均粘度：1m=(1F+1D+1W)/3=0.348mpa/s全塔效率ET=0.49(L)-0.245=0.448=45%NP=NTET =15/0.45=33塊(含塔釜)其中，精餾段的塔板數(shù)為：12/0.45=29塊2.3塔和塔板的主要工藝尺寸設(shè)計(jì) 2.3.1塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們?nèi)啥蔚乃较嗟?。有以上的?jì)算結(jié)果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度：汽塔的液相平均密度： L=(LJ+LT)/2=(809+911)/2=860kg/m3塔徑可以由下面的公式給出由于適宜的空塔氣速，因此，需先計(jì)算出最大允許氣速。取塔板間距，板上液層高度，那么分離空間：功能參數(shù)：從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于，需先求平均表面張力：全塔平均溫度，在此溫度下，乙醇的平均摩爾分?jǐn)?shù)為，所以，液體的臨界溫度：設(shè)計(jì)要求條件下乙醇水溶液的表面張力平均塔溫下乙醇水溶液的表面張力可以由下面的式子計(jì)算：，所以：,根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為此時(shí)，精餾段的上升蒸汽速度為：提餾段的上升蒸汽速度為： 塔的有效高度可以由此計(jì)算： Z= (NP-1)HT已知實(shí)際塔板數(shù)為NP=33塊，板間距所以Z=(33-1)*0.4=12.8m由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分塊式塔板。取無效邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度，查得弓形溢流管寬度弓形降液管面積，驗(yàn)算：液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時(shí)間液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時(shí)間2.3.3流體力學(xué)驗(yàn)算1.氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)2.干板阻力浮閥由部分全開轉(zhuǎn)為全部全開時(shí)的臨界速度為：因?yàn)樗?.板上充氣液層阻力取板上液層充氣程度因數(shù)，那么：4.由表面張力引起的阻力由表面張力導(dǎo)致的阻力一般來說都比較小，所以一般情況下可以忽略，所以：5.漏液驗(yàn)算動能因數(shù)，相應(yīng)的氣相最小負(fù)荷為：其中所以可見不會產(chǎn)生過量漏液。6.液泛驗(yàn)算溢流管內(nèi)的清液層高度其中，所以，為防止液泛，通常，取校正系數(shù)，則有：可見，即不會產(chǎn)生液泛。7.霧沫夾帶驗(yàn)算泛點(diǎn)率=查得物性系數(shù)，泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)所以，泛點(diǎn)率=可見，霧沫夾帶在允許的范圍之內(nèi)2.3.4 操作性能負(fù)荷圖1. 霧沫夾帶上限線取泛點(diǎn)率為80%代入泛點(diǎn)率計(jì)算式，有：整理可得霧沫夾帶上限方程為： 2.液泛線液泛線方程為其中，代入上式化簡后可得：3.液體負(fù)荷上限線取，那么4.漏液線取動能因數(shù)，以限定氣體的最小負(fù)荷：5. 液相負(fù)荷下限線取代入的計(jì)算式：整理可得：6.操作性能負(fù)荷圖由以上各線的方程式，可畫出圖塔的操作性能負(fù)荷圖。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷，可知操作點(diǎn)P(0.00146，1.103)在正常的操作范圍內(nèi)。連接OP作出操作線，由圖可知，該塔的霧沫夾帶及液相負(fù)荷下限，即由漏液所控制。由圖可讀得：所以，塔的操作彈性為三、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表表7 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目數(shù)值與說明備注塔徑1.0板間距0.4塔板型式單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速1.476實(shí)際塔板數(shù)/塊33上升蒸汽速度m/s1.3451.464精餾段提餾段塔的有效高度m12.8弓形溢流管寬度mm146弓形降液管面積m20.0706干板阻力m0.0367板上充氣液層阻力m0.03由表面張力引起的阻力Pa564.7操作彈性2.89泛點(diǎn)率，%63.4氣相負(fù)荷上限1.65霧沫夾帶控制氣相負(fù)荷下限0.57漏夜控制開孔率，%13.5四、工藝流程簡圖精餾塔的工藝條件圖塔板結(jié)構(gòu)條件圖五、設(shè)計(jì)評述經(jīng)過兩個(gè)星期的忙碌，終于在最后一天完成了這個(gè)設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)對我一個(gè)人來說很難，很多地方用到的公式都沒有學(xué)習(xí)過，而在查資料的時(shí)候也遇到了很多困難，有些公式雖然查到了卻因?yàn)闆]有經(jīng)過仔細(xì)的學(xué)習(xí)不能理解其意義，沒辦法使用，使得我心煩意亂。經(jīng)過和同學(xué)的協(xié)作討論后，勉強(qiáng)把精餾塔主要部分補(bǔ)充完整。不過經(jīng)過這次設(shè)計(jì)，使得我對精餾塔的組成與工作原理有了更深刻的理解。參考資料：1 華東理工大學(xué)化工原理教研室編. 化工過程設(shè)備及設(shè)計(jì). 廣州：華南理工大學(xué)出版社.