化工原理課程設(shè)計(jì)說明書 5000噸填料塔乙醇連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)

1、中原工學(xué)院能環(huán)學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)名稱：5000噸填料塔乙醇連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)班 級(jí)： 環(huán)境072 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 2010年 01 月08日設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目5000噸酒精連續(xù)填料精餾塔設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、 設(shè)計(jì)任務(wù)：生產(chǎn)能力（塔頂產(chǎn)品） 5000 噸年操作周期 300 天年進(jìn)料組成 35 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）塔頂產(chǎn)品組成 93 塔底產(chǎn)品組成 1% 2、 操作條件操作壓力 常壓 進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn) 3、 設(shè)備型式 填料精餾塔 4、 廠 址 鄭 州 地 區(qū) 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 精餾塔的物料衡算；(2) 塔板數(shù)的確定：(3) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物件數(shù)據(jù)的計(jì)

2、算；(4) 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；(5) 填料層壓降的計(jì)算；(6) 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算：(7) 塔板負(fù)荷性能圖；(8) 精餾塔接管尺寸計(jì)算；(9) 輔助元件的設(shè)計(jì)(10) 繪制生產(chǎn)工藝流程圖；(11) 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖；(12) 對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。三、參考資料1. 陳英南，劉玉蘭. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì). 上海：華東理工大學(xué)出版社，20052. 黃璐，王保國. 化工設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20013. 賈紹義，柴誠敬. 化工原理課程設(shè)計(jì)（化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)）. 天津：天津大學(xué)出版社，20024. 陳敏恒，叢德茲等. 化工原理(上、下冊(cè))(第二版). 北京

3、：化學(xué)工業(yè)出版社，20005. 柴誠敬，劉國維，李阿娜. 化工原理課程設(shè)計(jì). 天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，19956. 石油化學(xué)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 塔的工藝計(jì)算. 北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，19977. 化工設(shè)備技術(shù)全書編輯委員會(huì). 化工設(shè)備全書塔設(shè)備設(shè)計(jì). 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，19888. 時(shí)鈞，汪家鼎等. 化學(xué)工程手冊(cè)，. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19869. 上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(上、下). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，198610. 大連理工大學(xué)化工原理教研室. 化工原理課程設(shè)計(jì). 大連：大連理工大學(xué)出版社，1994目 錄概述：一、精餾過程簡述1二 精餾意義1第一部分：工藝設(shè)計(jì)

4、一 設(shè)計(jì)任務(wù)1二 全塔物料衡算1（1） 確定關(guān)鍵組分1（2） 換算成摩爾百分比1（3） 平均摩爾質(zhì)量2（4） 全塔物料衡算2三 確定nt2（1）相平衡曲線3（2）確定nt3四 計(jì)算板效率et3五 摩爾流率的計(jì)算4六 填料的選擇4七 塔徑的確定4八 調(diào)料層高度的確定8第二部分一 填料塔附件8二 塔道8三 貯罐10四 泵11第三部分一 總體校核11二 數(shù)據(jù)總匯12三 心得體會(huì)13四 主要參考文獻(xiàn)13 年產(chǎn)5000噸填料塔乙醇連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)內(nèi)容：乙醇精餾流程及意義；1流程簡述：本流程為連續(xù)精餾，采用泡點(diǎn)進(jìn)料，原料在預(yù)熱器中預(yù)熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔，在進(jìn)料位置與塔上部回流液匯合后，流入塔底的再沸器，回流

5、液體在填料表面與上升氣體相接觸，進(jìn)行熱質(zhì)傳遞過程。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余作為產(chǎn)品流出。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。2精餾意義：乙醇作為常用溶劑廣泛的應(yīng)用于化工、藥用行業(yè)，為了降低原料消耗和產(chǎn)品成本，通常設(shè)置乙醇回收裝置，將使用過的或未反應(yīng)的乙醇予以提濃回收，根據(jù)醫(yī)藥產(chǎn)品特點(diǎn)和工廠實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)乙醇連續(xù)精餾裝置。第一部分 工藝設(shè)計(jì)一 、 設(shè)計(jì)任務(wù)： 年產(chǎn)量 d= 5000t/y； 原料液濃度為35%； 產(chǎn)品濃度為93%； 塔釜液中乙醇含量 1%。(以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))操作壓力：常壓；二 、全塔物料衡算1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率：

6、d= 5000 t/y；wd= 93%；wf= 35%；w w 1%；這里取w w = 1%；說明：（以上平均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 分子量：乙醇 46g/mol；水18g/mol2換算成摩爾百分比由 xa =a a/m a/（a a/m a+ a a/m b）xf= 0.35/46/(0.35/46+（1-0.35）/18= 0.174； xd= 0.93/46/(0.93/46+（1-0.93）/18= 0.8387； xw= 0.01/46/(0.01/46+（1-0.01）/18= 0.0039；3原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量液相：由m=axa+bxb得mf= 460.174+18(1-

7、0.174)= 22.872 g/mol;md= 460.8387+18(1-0.8387)= 41.4836 g/molmw= 460.0039+18(1-0.0.0039)= 18.1092 g/mol;氣相：由m=aya+byb得mf= 460.5131+18(1-0.5131)= 32.3668 g/mol;md= 460.8387+18(1-0.8387)= 41.4836 g/mol;mw= 460.02443+18(1-0.02443)= 18.6840 g/mol;4全塔物料衡算每年以300個(gè)工作日計(jì)算;dm = 50001000/(360024300)= 0.1929kg/s

8、；d = dmwd/46+dm(1-wd)/18= 0.19290.93/46+ 0.1929(1- 0.93)/18= 16.7404kmol/h；總物料衡算 f=d+w;乙醇組分物料衡算 fxf=dxd+w xw ;聯(lián)系上面的數(shù)據(jù)，并代入以上數(shù)據(jù)，得： w= 65.4165kmol/h； f= 82.1569kmol/h；三、 根據(jù)乙醇-水的汽液平衡數(shù)據(jù)做出y-x曲線并確定理論板數(shù)nt。1 由乙醇-水的汽液平衡數(shù)據(jù)做y-x曲線 ; (見咐圖) 利用課本第71頁數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)作圖得曲線（注意：此圖用大一些座標(biāo)紙繪制，并列在說明書的附圖中）2 確定rmin及生產(chǎn)用r的選擇 在相平衡曲線上，過點(diǎn)a (

9、xd,xd)作相平衡曲線的切線，得挾點(diǎn)e，在坐標(biāo)紙上查得此切線的y軸截距xd/(rmin+1)= 0.31,解之得rmin= 1.5346,由于r=(1.2 2)rmin,若取r= 1.5rmin= 2.3019,經(jīng)圓整,取r= 3.3 確定理論塔板nt 過a點(diǎn)作截距y=xd/(r+1)的直線,取泡點(diǎn)進(jìn)料,則q=1,所以q線為過點(diǎn)(xf,0)且垂直于x軸的一條直線,求得此二直線的交點(diǎn)e.連結(jié)ac.其中c點(diǎn)坐標(biāo)為(xw ,xw)則為精餾操作線.在此坐標(biāo)紙上,在操作線和相平衡線畫理論板數(shù),作圖結(jié)果理論板數(shù)n=16塊,其中精餾段理論板13塊,第 14塊板為加料板,提餾段理論板3塊.四、 全塔效率et

10、由y -x -t 圖查表：塔頂：ya= xd= 0.8387，xa = 0.8238，td = 78.34c；進(jìn)料：yf= 0.5131，xf = 0.1740，tf= 83.9c；塔釜：yw= 0.02443，xw = 0.0039，tw = 99.26c；tm = （tw +td）/2=（99.26+78.34）/2= 88.78c。在此溫度下查得水和乙醇黏度：水= 0.319，醇= 0.378；l=醇xf+水（1x f） = 0.3780.1740+0.319（10.1740）= 0.3293 mpa/s.塔頂組成的相對(duì)揮發(fā)度為：頂= ya /yb/（xa /xb）= 0.8387/（1

11、-0.8387）/0.8238/（1-0.8238）= 1.1121；加料組成的相對(duì)揮發(fā)度為中=ya /yb /（xa /xb）= 0.5131/（1-0.5131）/0.1740/（1-0.1740）= 5.0026；塔底組成的相對(duì)揮發(fā)度為底=ya/ yb/（xa /xb）= 0.02443/（1-0.02443）/0.0039/（1-0.0039）= 6.3959；平均相對(duì)揮發(fā)度為=（頂中底）1/3=（1.11215.00266.3959）1/3= 3.2891；et= 5132.5lg（l）= 5132.5 lg（3.28910.3293）= 49.87%五 、摩爾流率的計(jì)算：精餾段液相

12、摩爾流率為l=rd= 316.7404= 50.2212kmol/h;精餾段氣相摩爾流率為v=(r+1)d= 416.7404= 66.9616kmol/h;提餾段液相摩爾流率為l=l+qf= 50.2212+182.1569= 132.3781kmol/h;提餾段氣相摩爾流率為v=v-(1- q)f= 66.9616kmol/h;六、填料的選擇： 由于鮑爾環(huán)具有生產(chǎn)能力大，阻力低，效率高，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，故選擇鮑爾環(huán)作為填料。 選取2525mm瓷質(zhì)亂堆的鮑而環(huán)，其比表面積a= 220m2/m3,空隙率= 0.76 m3/m3。堆積密度p= 505kg/ m3。填料因子= 300 m-1。七

13、、塔徑的確定：液體密度： 乙醇d 塔頂：1= 736.3343kg/ m3；f 塔進(jìn)料：1= 730.6042kg/ m3；w 塔底；1= 713.9772kg/ m3；水d 塔頂：2= 972.7920kg/ m3；f 塔進(jìn)料：2= 969.3007kg/ m3；w 塔底；2= 958.8789kg/ m3；精餾段： 液相密度計(jì)算：由1/l=x1/1+x2/2得：乙醇：均=（1+2）/2 =（736.3343+730.6042）/2 = 733.4692kg/m3；x均=（x1+x2）/2 =（0.35+0.93）/2 = 0.64；水： 均=（1+2）/2 =（972.7920+969.3

14、007）/2 = 971.0464kg/ m3；x均=（x1+x2）/2 =（0.65+0.07）/2 = 0.36；1/l= 0.640/733.4692+0.36/971.0464 l 804.312kg/ m3；氣相：平均摩爾質(zhì)量為：m均=（32.3668+41.4836）/2= 36.9252 g/mol； t均=（78.34+83.9）/2= 81.12；由 pv= nrt= (m/m)rt得 = pm/rt= 101.32536.9252/ 8.314（273.15+81.12）= 1.2703kg/ m3；液相質(zhì)量流量：wl = l46+ l（1-）18= 316.74040.4

15、98946+316.7404（1-0.4989）18=1605.5316kg/ h； 其中 =(0.1740+0.8238)/2=0.4989wv = vy46+ v（1-y）18= 416.74040.675946+ 416.7404（1-0.6759）18 = 2472.5704kg/ h； 其中 y= (0.8387+0.5131)/2=0.6759；（wl/ wv）（/）0.5=（1605.5316/ 2472.5704）（1.2703/804.312）0.5= 0.02581由填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖查得u2l0.2/（gl）= 0.23其中l(wèi)= 0.3293mpa/s；= 30

16、0； =水/醇=（972.7920+969.3007）/（736.3343+730.6042）= 1.3239；v/l= 1.2703/804.312= 0.001579；解之得泛點(diǎn)氣速為： f= 2.1196m/s;一般空塔氣速為泛點(diǎn)氣速得（0.50.8）倍，這里取50%，則設(shè)計(jì)氣速為：=f0.5= 2.11960.5= 1.0598m/s;氣體的體積流量vs = wv/(3600v)= 2472.5704/(36001.2703)= 0.5407m3/s;d=4vs/()0.5= 40.5407/(3.141.0598)0.5= 0.8062m;精餾段壓降：在設(shè)計(jì)氣速下： u2vl0.2/

17、（gl）= 1.059823001.27031.32390.32930.2/（9.81804.312）= 0.05751以0.05751為縱坐標(biāo)，以0.02581為橫坐標(biāo)的點(diǎn)落在填料=350pa，即此時(shí)每米填料層的壓降為350pa。提餾段：液相：由1/l=x1/1+x2/2得：乙醇：均 =（1+2）/2 =（730.6042+713.9772）/2 = 722.2907kg/ m3；x均=（x1+x2）/2 =（0.35+0.01）/2 = 0.18；水： 均 =（1+2）/2 =（969.3007+958.8789）/2 = 964.0898kg/m3；x均 =（x1+x2）/2 =（0.6

18、5+0.99）/2 = 0.82；1/l= 0.18/722.2907+0.82/964.0898 l= 909.2973kg/m3；氣相： m均 =（18.6840+32.3668）/2= 25.5254 g/mol； t均 =（83.9+99.26）/2= 91.58；由 pv=nrt=(m/m)rt得：=pm/rt=101.32525.5254/ 8.314（273.15+91.58）=0.8530 kg/ m3； wl= l46+ l（1-）18= 132.37810.0889546+ 132.3781（1-0.08895）18= 2712.5067 kg/ h；其中：= (0.174

19、0+0.0039)/2= 0.08895wv =vy46+ v(1-y)18= 66.96160.268846+ 66.9616（1-0.2688）18= 1709.2886 kg/ h；其中 ：y= (0.02443+0.5131)/2= 0.2688 （wl/ wv）（v/l）0.5=（2712.5067/ 1709.2886）(0.8530/909.2973）0.5= 0.04860由填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖查得u2vl0.2/（gl）= 0.18其中：l= 0.3293mpa/s；=水/醇= 964.0898/722.2907= 1.3348； = 300；v/l=0.8530/9

20、09.2973= 0.0009381；解之得：f= 2.4228m/s;一般空塔氣速為泛點(diǎn)氣速得（0.50.8）倍，這里取50%，則設(shè)計(jì)氣速為：=f0.5=2.42280.5= 1.2114 m/s;氣體的體積流量vs= wv/(3600v) = 1709.2886/(36000.8530) = 0.5566m3/s; d=4vs/()0.5= 40.5566/(3.141.2114)0.5= 0.7651m;精餾段壓降：在設(shè)計(jì)氣速下 u2vl0.2/（gl）=1.211423001.33480.85300.32930.2/（9.81909.2973）=0.04500；以0.04500為縱坐標(biāo)

21、，以0.04860為橫坐標(biāo)的點(diǎn)落在填料=300pa;總結(jié)：取較大塔徑作為填料的內(nèi)徑d=0.8062m，圓整后為d=1.0 m；八、 填料塔填料層高度的確定：填料層高度計(jì)算采用理論板當(dāng)量高度法填料層高度為h=nthetp ；hetp等板高度（即分離效果相當(dāng)于一塊理論板的填料層高度）；采用工業(yè)設(shè)備等板高度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，25mm鮑爾環(huán)的等板高度一般為0.40.45，這里取0.4；h= nt0.4 =160.4=6.4m； 第二部分 輔助設(shè)計(jì)一、 填料塔的附屬元件設(shè)計(jì)：1、填料支承裝置：填料塔在塔內(nèi)無論是亂堆或整砌均需要放在支承裝置上，支承裝置要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，才能承裝置的自由截面積應(yīng)大于填料層的截面積

22、，否則流速增大時(shí)，將首先在支承處出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。本系列采用駝峰式支承裝置。駝峰式支承裝置為單體組合式結(jié)構(gòu)，它是目前最好的散裝填料支承裝置，沒個(gè)單元體的尺寸為：寬： 290mm；高： 300mm；能從人孔送入塔中。單元體在塔中放置由凸臺(tái)為邊距，間隙10 mm，以使液體自由流下。2、液體再分布器：液體在填料內(nèi)的均勻分布非常重要，它直接影響填料表面的有效利用率，如果特體分布不均，填料表面不能充分潤濕，塔的效率就會(huì)下降，為此，必須在塔頂設(shè)置液體分布器，向填料層上面提供良好的液體出事分布，以保證有足夠的分布均勻的噴淋點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用分體盤式液體再分布器。氣相通過升氣管進(jìn)入上段填料段，從上層填料下來的液體則完

23、全被收集，進(jìn)而從盤底小孔分布到下層填料中，升氣管一般高200 mm，升氣管上沿與擋夜板間距50 mm左右，升氣管直徑為100 150，每排升氣管間應(yīng)設(shè)置液孔，分體盤式液體災(zāi)分布器，適用于不易堵塞的物料。3、噴頭：選用蓮蓬式噴頭二、管道設(shè)計(jì)：1、進(jìn)料管： 因?yàn)檫M(jìn)料的性質(zhì)與水相近，屬低黏度液體，一般流速取1.53.0 m/s，這里取 =2 m/s，在83.9c 時(shí) ： 1/l= 0.35/730.6042+0.65/969.3007故 ： l= 869.836kg/ m3f= 82.1569kmol/h；mf= 22.872kg/mol; vf= fmf/(3600l)= 82.156922.87

24、2/(3600869.836)= 6.0010-4m3/s;d= 4vf/()0.5= 46.0010-4/(3.142)0.5= 19.5 mm20.0mm故選取黃銅管徑221.0mm；校核：=4vf/(d2)= 46.0010-4/(3.140.0202)= 1.911 m/s;2、塔頂蒸汽出口管徑： 常壓氣體流速取 1020 m/s;此處取19m/s;v= 66.9616kmol/h; = p md /rt= 101.32541.4836/ 8.314（273.15+78.34）= 1.438kg/m3 md = 41.4836 vv = vmd/(3600)d= 4vv/()0.5=

25、466.961641.4836/(3.141936001.438)0.5= 0.1897m190mm；故選取黃銅管徑2003.0mm；校核：= 4vv /(d2)= 466.961641.4836/(3.141.43836000.1942)= 18.16m/s;3、回流液： 在78.34c時(shí)： 1/l=0.93/736.3343+0.07/972.7920故l749.080kg/ m3；一般液體流速取1.53.0 m/s，這里取 =2 m/s ， vl= lmd/(3600l)= 50.221241.4836/(3600749.080)=7.7210-4m3/s;d =4vl/()0.5=47

26、.7210-4/(3.142)0.5= 22.19mm23mm；故選取黃銅管徑251.0mm；校核：= 4vl/(d2)= 47.7210-4/(3.140.0232)= 1.86m/s;4、再沸器氣體接管：在99.26c時(shí)：=p mw /rt=101.32518.6840/ 8.314（273.15+99.26）= 0.6114kg/m3 一般流速取4060 m/s，這里取 = 50 m/s，vw= vmw /(3600)=66.961618.6840/(36000.6114)= 0.5684 m/s;d= 4vw/()0.5= 40.5684/(3.1450)0.5= 120 .34mm1

27、21mm；故選取黃銅管徑1262.5 mm；校核：=4vw/(d2)= 40.5684/(3.140.1212)= 49.46m/s;三、貯罐選擇： 原料液及產(chǎn)品儲(chǔ)液：在常溫25時(shí)： 醇=785.3863 kg/ m3 水 =997.0034 kg/ m3 原料液每天儲(chǔ)藏量：f=82.1569kmol/hm=fmf24= 82.156922.87224= 45098.22kg/day;1/l= 0.35/785.3863+0.65/997.0034 故： l = 911.0840kg/ m3v= m/l= 45098.22/911.0840= 49.50m3/day;產(chǎn)品每天儲(chǔ)量：d=16.7

28、404kmol/h；1/l = 0.93/785.3863+0.07/997.0034故： l = 797.2318kg/ m3；v= dmd24/l =16.740441.483624/797.2318= 20.91m3/day;四、 泵的選型：選擇：因?yàn)閒=82.1569kmol/h mf= 22.872 g/moll = 911.0840kg/ m3流量v=fmf /l =82.156922.872/911.0840=2.0625 m3/h理論揚(yáng)程h=2.51.5=3.75 m 所以選擇is50-32-125型:流量v=3.75m3/h;揚(yáng)程 h= 5m；=54%；軸功率 0.16 ；電

29、機(jī)功率 0.55；必須氣蝕余量 2.0；質(zhì)量（泵/底座）32/38；第三部分一、總體校核：1、填料塔的操作范圍的校核：由?？颂仃P(guān)于金屬鮑爾環(huán)填料得到的實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，填料塔的操作狀況在b區(qū)，氣體速度增加，液膜湍動(dòng)促進(jìn)傳質(zhì)，等板高度較小，當(dāng)氣速接近于泛點(diǎn)時(shí)，兩相交互作用劇烈，傳質(zhì)效果最佳，等板高度最小。該b區(qū)要求空塔氣速在0.681.95之間，在本設(shè)計(jì)中，由上述計(jì)算得出，空塔氣速取較大的提餾段空塔氣速=1.2114m/s，在b區(qū)范圍內(nèi)。故該填料塔位于正常操作范圍內(nèi)。2、板壓降的校核： （1）精餾段 p=350pa700pa,所以符合要求。（2）提餾段 p=300pa40%,所以符合.二、數(shù)據(jù)總匯數(shù)據(jù)總匯表液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量(kmol/h)平均分子量(液體) g/mol平均分子量(氣體) g/mol溫度進(jìn)料液35%0.17482.156922.87232.366883.9產(chǎn)品液93%0.838716.740441.483641.483678.34殘液1%0.003965.416618.109218.684099.26 回流比r3理論板6（塊）第十四塊為加料板板效率et49.87精餾段l50.2212kmol/h v=66.9616kmol/h提餾段l132.3781kmol/h v=66.9616kmol/h位置塔頂進(jìn)料塔釜相對(duì)揮發(fā)度1.11215.00266.395