化工原理課程設(shè)計50000噸年乙醇—水精餾裝置設(shè)計

1、50000噸/年乙醇水精餾裝置設(shè)計 設(shè)計人： 系 別：專 業(yè)： 班 級：指導(dǎo)教師:完成時間: 第一章 前言21.1 精餾塔簡介21.2篩板塔和浮閥塔的優(yōu)缺點2第二章 設(shè)計方案的確定42.1任務(wù)書42.1.3塔板類型：浮閥塔4第三章 精餾塔連續(xù)精餾的計算7第四章 精餾塔塔體工藝尺寸計算124.1.2 提餾段134.3 塔高的計算15第五章 塔板主要工藝尺寸的計算175.1 塔板尺寸175.2 塔板主要工藝尺寸的計算175.2.3 進口堰高和受液盤185.3 浮閥數(shù)目及排列185.3.1 浮閥數(shù)目185.3.2 排列185.3.3 校核19第六章 塔板的流體力學(xué)驗算206.1 氣體通過浮閥塔板的壓

2、力降(單板壓降)206.1.1 干板阻力206.1.2 板上充氣液層阻力206.1.3 由表面張力引起的阻力206.2 漏液驗算206.3 液泛驗算216.4 霧沫夾帶驗算22第七章 塔板負荷性能圖237.1 霧沫夾帶上限線237.2 液泛線237.3 液體負荷上限線247.4 漏液線247.5 液相負荷下限線247.6 操作性能負荷圖24第八章 精餾塔接管尺寸計算278.1 進料管278.2 釜殘液出料管278.3 回流液管278.4 塔頂上升蒸汽管288.5 水蒸汽進口管28第九章 精餾塔工藝流程圖29附錄301、塔板零件圖302、浮閥塔結(jié)構(gòu)圖31課程設(shè)計心得32參考文獻：33第一章 前言

3、1.1 精餾塔簡介在煉油、化工等工業(yè)中，精餾操作是分離液體混合物的最常見的手段，其操作原理是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同，在氣液兩相觸處時，易揮發(fā)組分向氣相傳遞，難揮發(fā)組分向液相傳遞，是混合物達到一定程度的分離。用以實現(xiàn)精餾操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備即徑流塔，其基本功能是提供氣液兩相充分的接觸機會，使物質(zhì)和熱量的傳遞充分有效的進行；在氣液兩相接觸之后，還使氣液兩相能及時分開，盡量減少相互夾帶。常用的精餾塔分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)裝有若干層塔板，液體依靠重力自上而下流過每層塔板；氣體則依靠壓強差的推動，自上而下穿過各層塔板上的液層而流向塔頂，氣液兩相在塔內(nèi)進行逐級接觸。填料塔內(nèi)則裝有各種

4、形式的填料，氣液兩相沿塔做連續(xù)逆流接觸，其傳質(zhì)和傳質(zhì)的場所為填料的潤濕表面。1.2篩板塔和浮閥塔的優(yōu)缺點板式塔，用于氣液傳質(zhì)過程中。篩板塔塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為38mm，塔板上設(shè)置溢流堰，使板上能維持一定厚度的液層。篩板塔的優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣體壓降低、板上液面落差也較小、生產(chǎn)能力及板效率較泡罩塔高。主要缺點是： 操作彈性較小、篩孔小時容易堵塞。浮閥塔在塔板上開有若干大孔，每個孔上裝有一個可以上下浮動的閥片。主要有活動泡罩、圓盤浮閥、重盤浮閥和條形浮閥四種形式。 浮閥塔優(yōu)點： 1.生產(chǎn)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(chǎn)能力比泡罩塔板大20%

5、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(yīng)氣量的變化，因此維持正常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，因氣體流過浮閥塔時阻力較小，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(chǎn)能力的泡罩塔的50%80%，但是比篩板塔高20%30%主要缺點是：不易處理易結(jié)焦或黏度大的系統(tǒng)。浮閥塔兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點，因此本設(shè)計采用浮閥塔。第二章 設(shè)計方案的確定2.1任務(wù)書2.1.1工藝要求原料：乙醇水溶液，年產(chǎn)量5萬噸 乙醇含

6、量：35%（質(zhì)量分數(shù)），原料液溫度：45設(shè)計要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?0%（質(zhì)量分數(shù)） 塔底的乙醇含量不大于0.5%（質(zhì)量分數(shù)）2.1.2操作條件1.塔頂壓力：常壓2.進料熱狀況選擇:冷液進料（q=1.078）3.回流比4.乙醇和水的平衡數(shù)據(jù)表1 乙醇水溶液體系的平衡數(shù)據(jù)乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點t/乙醇摩爾數(shù)/%沸點t/乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相氣相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.

7、6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.412.1.3塔板類型：浮閥塔2.1.4設(shè)計任務(wù) 1、精餾塔的物料衡算 2、塔板數(shù)的確定

8、 3、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 4、精餾塔的塔體工藝尺寸計算 5、塔板主要工藝尺寸的計算 6、塔板的流體力學(xué)驗算 7、塔板負荷性能圖 8、精餾塔接管尺寸計算 9、繪制生產(chǎn)工藝流程圖 10、對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論2.2操作壓力蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進行確定操作壓力主要是根據(jù)處理物料的性質(zhì)、技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性來考慮。若物料有特殊要求則根據(jù)物料特性采用加壓或減壓操作，一般物料則采用常壓操作，因乙醇和水對壓力無特殊要求，則采用常壓操作。其中塔頂壓力為塔底壓力2.3進料狀態(tài)進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。進料狀態(tài)分冷液、飽和液、氣液

9、混合物、飽和氣、過熱氣五種狀態(tài)。但一般在實際操作中都將料液預(yù)熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。對一定的分離任務(wù)和要求，冷夜進料較泡點進料所需的理論板層數(shù)少，會降低塔的設(shè)備費用，針對本次的設(shè)計，我們選擇冷液進料（q=1.078）。2.4加熱方式由于塔釜中液體不能由蒸氣直接加熱，故采取間接加熱。又考慮到立式再沸器對液體加熱均勻等優(yōu)點，因此選擇再沸器立式加熱。2.5冷卻劑的選擇冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計者確定。冷卻

10、水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50，否則溶于水中的無機鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。本次設(shè)計取定常溫水作冷卻劑，冷卻水出口溫度為35，并且此溫度滿足設(shè)計要求。第三章 精餾塔連續(xù)精餾的計算3.1最小回流比及操作回流比的確定原料液的摩爾組成：同理可求得：原料液的平均摩爾質(zhì)量： 同理可求得：45下，原料液中由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點，以上計算結(jié)果見下表。 原料液、餾出液與釜殘液的流量與溫度名稱原料液餾出液釜殘液35900.5(摩爾分數(shù))0.17400.77900.002摩

11、爾質(zhì)量22.8739.8118.1沸點溫度/83.9478.3599.53 原料液的汽化熱：=44259.14kj/查表得：進料組成=0.1740是溶液的泡點溫度83.94 所以平均溫度 有附表查得在64.47時水的比熱容為4.26 kj/(kg.)乙醇的比熱容為3.17 kj/(kg.) 故原料液的平均比熱容為=88.71 kj/(kg.)所以:q=由此可知，q線方程y=操作線和q線的交點即為（，），由作圖法可知交點坐標為（0.185,0.520）如圖所示：=0.773 可取操作回流比r=3.2塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算md,xdw,xwf,xf,q以年工作日為300天，每天開

12、車24小時計，進料量為： 由全塔的物料衡算方程可知： 得：d=67.22kmol/h w=236.43kmol/h由提留段得物料衡算方程可知： 得：=394.55 kmol/h =158.12 kmol/h3.3 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量塔頂全凝器的熱負荷：可以查得，所以取水為冷凝介質(zhì)，其進出冷凝器的溫度分別為25和35則平均溫度下的比熱，于是冷凝水用量可求：3.4再沸器的加熱蒸汽的消耗量 再沸器的熱負荷為： 因為釜殘液幾乎為純水，故其焓可以按純水計算： 3.5 理論塔板層數(shù)的確定精餾段操作線方程：y=代入數(shù)據(jù)得：y=0.50x+0.3895提留段操作線方程：y= 代入數(shù)據(jù)得：y=2.50x-1

13、.459 如圖所示：按上圖求的理論版層數(shù)為11塊（不包括再沸器） 其中，精餾段9塊，提餾段2塊，自塔頂往下第10層為進料板。3.6全塔效率的估算用奧康奈爾法()對全塔效率進行估算：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： (塔頂?shù)谝粔K板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：全塔的相對平均揮發(fā)度：全塔的平均溫度：在溫度下查得因為所以，全塔液體的平均粘度：全塔效率3.7實際塔板數(shù)其中，精餾段的塔板數(shù)為：9/0.44=21塊 則提餾段的塔板數(shù)為25-21=4塊第四章 精餾塔塔體工藝尺寸計算4.1 精餾段與提餾段的體積流量4.1.1 精餾段 整理精餾段的已知數(shù)據(jù)列于表3(見下頁)，由表中

14、數(shù)據(jù)可知：液相平均摩爾質(zhì)量：液相平均溫度： 表3 精餾段的已知數(shù)據(jù)位置進料板塔頂(第一塊板)質(zhì)量分數(shù)摩爾分數(shù)摩爾質(zhì)量 /=22.87=38.75溫度/83,9478.35在平均溫度下查得液相平均密度為：其中，平均質(zhì)量分數(shù)所以，精餾段的液相負荷 同理可計算出精餾段的汽相負荷。精餾段的負荷列于表4。表4 精餾段的汽液相負荷名稱汽相液相平均摩爾質(zhì)量/30.8136.02平均密度/810.91.22體積流量/2.5539694.1.2 提餾段整理提餾段的已知數(shù)據(jù)列于表5，采用與精餾段相同的計算方法可以得到提餾段的負荷，結(jié)果列于表6。表5 提餾段的已知數(shù)據(jù)位置塔釜進料板質(zhì)量分數(shù)摩爾分數(shù)摩爾質(zhì)量/溫度/9

15、9.5383.94 表6 提餾段的汽液相負荷名稱液相汽相平均摩爾質(zhì)量/20.4125.48平均密度/760.80.86體積流量/9.983983.24.2 塔徑的計算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?。有以上的計算結(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： 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，乙醇的平均摩爾分數(shù)為，所以，液體的臨界溫度：設(shè)

16、計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算：， 所以：根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為此時，精餾段的上升蒸汽速度為： 提餾段的上升蒸汽速度為：4.3 塔高的計算塔的高度可以由下式計算：z=hp+(n-2-s)ht+sht+hf+hw 已知實際塔板數(shù)為n=25塊，板間距由于料液較清潔，無需經(jīng)常清洗，可取每隔5塊板設(shè)一個人孔，則人孔的數(shù)目為： 個取人孔兩板之間的間距，則塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度，那么，全塔高度：z=1.2+(25-2-4)0.4=2.4+0.5+2.5=14.2第五章 塔板主要工藝尺寸的計算5.1 塔板尺寸由于塔徑大于800mm，所以采用單溢

17、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 驗算： 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間5s 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間5s5.2 塔板主要工藝尺寸的計算5.2.1 堰高采用平直堰，堰高取，則5.2.2 降液管底隙高度h0 若取精餾段取，提餾段取為，那么液體通過降液管底隙時的流速為精餾段：提餾段： 的一般經(jīng)驗數(shù)值為5.2.3 進口堰高和受液盤本設(shè)計不設(shè)置進口堰高和受液盤5.3 浮閥數(shù)目及排列采用f1型重閥，重量為33g，孔徑為39mm。5.3.1 浮閥數(shù)目浮閥數(shù)目氣體通過閥孔時的速度取動能因數(shù)，那么，因此個5.3.2 排列由于采用分塊式塔板，故采用等腰三角形叉

18、排。若同一橫排的閥孔中心距，那么相鄰兩排間的閥孔中心距為： 取時畫出的閥孔數(shù)目只有60個，不能滿足要求，取畫出閥孔的排布圖如圖1所示，其中圖中，通道板上可排閥孔41個，弓形板可排閥孔24個，所以總閥孔數(shù)目為個5.3.3 校核氣體通過閥孔時的實際速度：實際動能因數(shù)：(在912之間)開孔率：開孔率在10%14之間，滿足要求。第六章 塔板的流體力學(xué)驗算6.1 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)6.1.1 干板阻力浮閥由部分全開轉(zhuǎn)為全部全開時的臨界速度為：精餾段：因為 所以提餾段：=因為 所以6.1.2 板上充氣液層阻力取板上液層充氣程度因數(shù)，那么：6.1.3 由

19、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：精餾段：提餾段：6.2 漏液驗算動能因數(shù)，相應(yīng)的氣相最小負荷為：精餾段：其中所以可見不會產(chǎn)生過量漏液。提餾段：其中所以可見不會產(chǎn)生過量漏液。6.3 液泛驗算溢流管內(nèi)的清液層高度精餾段：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。提餾段：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。6.4 霧沫夾帶驗算泛點率=精餾段：查得物性系數(shù)，泛點負荷系數(shù) 所以，泛點率=可見，霧沫夾帶在允許的范圍之內(nèi)提餾段：查得物性系數(shù)，泛點負荷系數(shù)所以，泛點率=可見，霧沫夾帶在允許的范圍

20、之內(nèi)第七章 塔板負荷性能圖7.1 霧沫夾帶上限線塔徑d=1000mm 弓形降液管寬度wd=150mm 由h7=0.4m 及板上液流量面積取泛點率為80%代入泛點率計算式，有：0.8=整理可得霧沫夾帶上限方程為：1.3182-26.15/(0.0110.008331.031.107.2 液泛線代入上式化簡后可得：0.005560.004120.002780.001401.832.022.152.257.3 液體負荷上限線取，那么7.4 漏液線取動能因數(shù)，以限定氣體的最小負荷：7.5 液相負荷下限線取 查圖得 液流收縮系數(shù)e為1.03整理可 得7.6 操作性能負荷圖由以上各線的方程式，可畫出圖塔的

21、操作性能負荷圖。00.511.522.530.00000.00500.01000.0150ls(立方米/秒)vs（立方米/秒）漏液線液泛線液相負荷下限線液相負荷上線霧沫夾帶線a（把這頁版調(diào)調(diào)）根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣液負荷，可知操作點 (0.00146，1.103)在正常的操作范圍內(nèi)。做出操作線，由圖可知，該塔的霧沫夾帶及液相負荷下限，即由漏液所控制。由圖可讀得：所以，塔的操作彈性為有關(guān)該浮閥塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總于表7。表7 浮閥塔工藝設(shè)計計算結(jié)果項目數(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溢流堰長度0.705溢流堰高度0.05板上液層高度0.0

22、1降液管底隙高度0.025浮閥數(shù)個86等腰三角形叉排閥孔氣速10.38閥孔動能因數(shù)5臨界閥孔氣速10.32孔心距0.075同一橫排的孔心距排間距0.065相臨二橫排的中心線距離單板壓降564.7液體在降液管內(nèi)的停留時間41.8精餾段12.6提餾段降液管內(nèi)的清液高度0.1297泛點率，%63.8氣相負荷上限1.65霧沫夾帶控制氣相負荷下限1.10漏夜控制開孔率，%13.5操作彈性1.5第八章 精餾塔接管尺寸計算8.1 進料管進料體積流量取適宜的輸送速度，故經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(yb231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：8.2 釜殘液出料管釜殘液的體積流量：取適宜的輸送速度，則 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(yb231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：8.3 回流液管回流液體積流量 利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度，那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(yb231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：8.4 塔頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽的體積流量： 取適宜速度，那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(yb231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：8.5 水蒸汽進口管通入塔的水蒸氣體積流量： 取適宜速度，那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(yb231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：第九章 精餾塔工藝流程圖附錄1、塔板零件圖2、浮閥塔結(jié)構(gòu)圖課程設(shè)計心得 本次化工原理課程設(shè)計歷時三周，是學(xué)習(xí)化工原理以來第一次獨立的工業(yè)設(shè)計。化工原理課程設(shè)