课程设计（论文）-乙醇与正丙醇物系分离系统的设计.docx

北京理工大学珠海学院课程设计说明书题目: 乙醇与正丙醇物系分离系统的设计学 院： 化工与材料学院专业班级： 2013级化学工程与工艺1班学 号：学生姓名：指导教师：2015年 12 月 5 日北京理工大学珠海学院2013级化工原理课程设计北京理工大学珠海学院课程设计任务书 20152016学年第一学期学生姓名：司徒艺桢专业班级： 13化工1班指导教师：李青云工作部门：化工与材料学院一、 课程设计题目乙醇和正丙醇二元物系分离系统的设计二、课程设计内容（含技术指标）1.设计条件生产能力：15000吨/年（每年按300天生产日，每天24小时计算）原料状态：乙醇含量50%（wt%）；温度：25；压力：100kpa；泡点进料；分离要求：塔顶馏出液中乙醇含量98%（wt%）；塔釜正丙醇含量94%（wt%）操作压力：100kpa其它条件：（1）塔板类型：筛板；（2）塔顶采用全凝器；（3）r=1.7rm（5）塔底加热蒸汽压力0.5mpa(表压)；（6）单板压降不大于0.7kpa；2.具体设计内容和要求（1）设计工艺方案的选定（2）精馏塔的工艺计算（3）塔板和塔体的设计（4）水力学验算（5）塔顶全凝器的设计选型（6）塔釜再沸器的设计选型（7）进料泵的选取（8）绘制流程图（9）编写设计说明书（10）答辩三、进度安排时间设计安排检查时间10.13-10.20设计动员，下达任务书，查阅资料，拟定设计方案，方案论证，物性数据计算10.2010.20-10.27工艺计算（物料衡算、确定回流比、计算理论板层数、实际板层数、实际进料板位置）10.2710.27-11.03塔结构设计（物性数据的计算、塔径计算、塔结构尺寸的计算、水力学性能校验、负荷性能图及塔高的计算）11.0311.03-11.10热量衡算；附属设备的选型和计算11.1011.10-11.17绘制带控制点的工艺流程图（cad图）11.1711.17-11.24绘制带控制点的工艺流程图，（借图板和丁字尺，手工绘制图）11.2411.24-11.26编写设计说明书，答辩要求11.27-11.28将说明书及图纸装订并提交11.29答辩四、基本要求序号设计内容要求1设计工艺方案的选定精馏方式及设备选型等方案的选定和论证（包括考虑经济性；工艺要求等）绘制简单流程图2精馏塔的工艺计算物料衡算，热量衡算，回流比、全塔效率、实际塔板数、实际进料位置等的确定3塔板和塔体的设计设计塔高、塔径、溢流装置及塔板布置等4水力学验算绘制塔板负荷性能图5塔顶全凝器的设计选型计算冷凝器的传热面积和冷却介质的用量6塔釜再沸器的设计选型计算再沸器的传热面积和加热介质的用量7进料泵的选取选取进料泵的型号8绘图绘制带控制点的流程图（cad和手工绘制）9编写设计说明书目录，设计任务书，设计计算结果，流程图，参考资料等10答辩每班数不少于20人答辩教研室主任签名：年月日摘要分离是化工生产中的重要环节，在化工生产中常使用塔设备对混合物的进行分离提纯。本设计进行的就是基于筛板塔，对乙醇和正丙醇物系分离系统的设计。设计过程中分别进行了筛板塔的工艺计算、物料衡算、主要工艺尺寸计算、热力学计算，确定了筛板塔的相关结构的尺寸、进料位置以及全塔效率等，并选定了适合的附属设备。对于本设计的合理性和可行性也进行了初步的核算，使得理论设计在达到技术指标的同时还能够很好地符合实际生产过程，最后还绘制了带控制点的工艺流程图。关键词：分离筛板塔课程设计目录摘要iv1.1分离方法11.2设备初选11.2.1塔板类型的选择11.2.2换热器的选择11.2.3泵的选择11.2.4管路的选择11.3操作条件11.3.1操作压力的选择11.3.2进料状态的选择21.3.3塔底加热方式的选择21.3.4回流比的选择21.3.5流程的选择22.1乙醇与正丙醇的物理性质32.2乙醇-正丙醇混合物系连续精馏的物料衡算82.2.1精馏塔内的物料组成计算82.2.2全塔物料衡算82.2.3确定最小回流比与操作回流比82.2.4精馏段和提馏段的操作线方程82.2.5确定进料位置和塔板数92.2.6确定全塔效率103.1塔的工艺条件及物性数据123.1.1塔的工艺条件123.1.2物性数据123.2精馏塔主要工艺尺寸的计算173.2.1塔径的确定173.2.3筛板塔的塔板结构与设计183.2.4塔板分布及筛板塔的设计计算193.2.5塔板负荷性能图224.1 热量衡算示意图264.2热量衡算264.2.1冷凝器的热负荷264.2.2冷却水消耗量274.2.3加热器热负荷及全塔热量衡算274.2.4加热水蒸汽的用量285.1主要接管尺寸的选取295.1.1进料管295.1.2回流管295.1.3塔底出料管295.1.4塔顶蒸汽出料管295.1.5塔底蒸汽进气管295.1.6.进料泵的选取305.1.7冷凝器的选取305.1.8再沸器的选取315.1.9原料预热器的选取31附录1：cad工艺流程示意图37附录2：塔板及筛板精馏塔工艺条件示意图381绪论1.1分离方法板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，尽管塔板的流动阻力大，效率不及高效填料塔，但塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便，故在工业上广泛采用。本设计采用筛板塔精馏分离的方法进行乙醇和正丙醇物系分离系统的设计。1.2设备初选1.2.1塔板类型的选择板式塔大致可分两类，一类是有降液管塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、舌型、弓形、多降液管塔板等；另一类是无降液管塔板，如穿流式筛板、穿流式流纹板等。错流塔板主要有：泡罩塔版、筛板、浮阀塔板和喷射型塔板等。其中可选择的塔板有筛板塔板和浮阀塔板。筛板塔结构简单，造价低廉，气体压降小，板上液面落差较小，生产能力大，传质效率高。但筛孔小时容易堵塞。浮阀塔板生产能力大，操作弹性大，塔板效率高，塔板压降及液面落差小，塔的造价低，但不宜处理易结焦、黏度大的系统。本设计所需分离的是乙醇和正丙醇，基于以上筛板塔的优点，故选用筛板塔板。1.2.2换热器的选择列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的传热设备，其优点是单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好。此外，结构简单，制造的材料范围较广，操作弹性较大等。基于以上原因，本设计将采用管壳式换热器作为换热设备。1.2.3泵的选择离心泵具有以下特点：（1）结构简单，易于操作；（2）流量均匀，效率较高；（3）流量和压头的适用范围较广；（4）适于输送腐蚀性或有悬浮物的液体，因此离心泵在化工中应用最为广泛。本设计采用离心泵作为液体输送机械。设计中要求的生产能力为15000吨/年，故应选用多级离心泵来满足生产要求。1.2.4管路的选择本设计将采用不锈钢管作为管路的材料。1.3操作条件1.3.1操作压力的选择本设计采用的操作压力为常压（101.3kpa）。1.3.2进料状态的选择泡点进料时，进料温度不受气温变化等外界因素和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制，提馏段和精馏段的塔径大致相同，设备制造简单。冷液进塔虽然可减少理论板数，降低塔高，但是会使塔径增大。综合考虑各项因素，本设计采用泡点进料的方式。1.3.3塔底加热方式的选择蒸馏操作大多会设置再沸器，采用间接加热的方式。虽然直接蒸汽加热可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，省掉间接加热设备，但是直接蒸汽的加入会稀释釜内溶液，使釜内溶液浓度下降，从而在达到与间接蒸汽加热相同的生产要求的前提下会增加提馏段的塔板数。综合分析两者的利弊，本设计采用设置再沸器的间接加热方式。1.3.4回流比的选择根据设计要求，故采用的操作回流比r=1.7rm。1.3.5流程的选择蒸馏过程可分为间歇蒸馏和连续蒸馏两种流程。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。而连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。依据本设计的生产要求，需采用连续蒸馏的流程。筛板塔图1.1简易流程图2精馏塔的工艺计算2.1乙醇与正丙醇的物理性质表2.1乙醇与正丙醇的物理性质名称分子式相对分子质量颜色形态熔点沸点乙醇c2h5oh46无液-114.178.3正丙醇ch3ch2ch2oh60无液-12797.1表2.2乙醇与正丙醇液体的密度t()708090100110乙醇（kg/m3)754.2742.3730.1717.4704.3正丙醇（kg/m3)759.6748.7737.5726.1714.2图2.1乙醇与正丙醇液体的t-图（2.2）（2.1）乙醇=-1.134t+839.28正丙醇=-1.247t+841.89表2-3乙醇与正丙醇液体的黏度t()6080100乙醇（mpas)0.6010.4950.361正丙醇（mpas)0.8990.6190.444（2.3）图2.2乙醇与正丙醇液体的t-图（2.4）乙醇=-0.0114t+1.564正丙醇=-0.006t+0.9657表2.4乙醇与正丙醇液体的表面张力3t()6080100乙醇（mn/m）20.2518.2816.29正丙醇（mn/m）21.2719.417.5图2.3乙醇与正丙醇液体的t-图（2.6）（2.5）乙醇=-0.0943t+26.93正丙醇=-0.099t+26.193表2.5乙醇与正丙醇的安托因常数组分abc苯6.905651211.033220.790对二甲苯6.990521453.430215.307表2.6乙醇与正丙醇液平衡数据t()97.693.8592.6691.688.3286.2584.9884.1383.0680.578.38x00.1260.1880.210.3580.4610.5460.60.6630.8841y00.240.3180.3490.550.650.7110.760.7990.9141图2.4常压下乙醇与正丙醇混合物系的t-x-y图图2.5常压下乙醇-正丙醇混合物系的x-y图表2.5乙醇与正丙醇的安托因常数组分abc乙醇7.338271652.05231.48正丙醇6.744141375.14193塔釜温度97.60-93.850-0.126=tw-93.850.08-0.126（2.7）tw=95.22塔顶温度80.50-78.380.884-1.0=td-78.380.98-1.0td=78.75进料温度86.25-84.980.461-0.546=tf-84.980.57-0.546tf=84.62根据安托因公式lgp=a-bt+c得:（2.8）lgpa=7.33827-1652.05t+231.48lgpb=6.74414-1375.14t+193=papbtw=95.22：pa=191.20kpapb=93.97kpaw=2.03td=78.75:pa=103.05kpapb=48.29kpa d=papb=2.13tf=84.62:pa=129.40kpapb=61.78kpa f=2.09全塔平均相对挥发度:=3wdf=32.032.132.09=2.08（2.9）2.2乙醇-正丙醇混合物系连续精馏的物料衡算2.2.1精馏塔内的物料组成计算xf=0.57；xd=0.98；xw=0.08mf=0.5746+（1-0.57）60=52.02（2.10）md=0.9846+1-0.9860=46.28mw=0.0846+1-0.0860=58.88（2.11）f=1500010003002452.02=40.05kmol/h（2.12）（2.13）2.2.2全塔物料衡算f=d+wfxf=dxd+wxw由以上二式可得40.05=d+w40.050.57=d0.98+w0.08 解得w=18.25kmolhd=21.80kmolh2.2.3确定最小回流比与操作回流比（2.14）由原料液采用泡点进料，则rmin=1-1xdxf-1-xd1-xf代入数据得rmin=12.08-10.980.57-2.081-0.981-0.57=1.50r=1.7rmin=1.71.50=2.552.2.4精馏段和提馏段的操作线方程（2.15）泡点进料，q=1； l=rd=2.5521.80=55.59kmol/h（2.16）精馏段操作线方程yn+1=rr+1xn+1r+1xd代入数据得yn+1=0.72xn+0.28（2.17）提馏段操作线方程ym+1=l+qfl+qf-wxm-wl+qf-wxw代入数据得ym+1=1.24xm-0.0192.2.5确定进料位置和塔板数2.2.5.1用逐板计算法确定理论板数相平衡方程：x=y-1y=y2.55-1.55y精馏段操作线方程：yn+1=0.72xn+0.28提馏段操作线方程：ym+1=1.24xm-0.019其中：y1=xd=0.08x1=0.982.08-1.08098=0.96y2=0.720.96+0.28=0.97精馏段：编号yx10.080.9620.970.9430.960.9240.940.8750.910.8360.880.7870.840.7280.800.6690.760.60100.710.54x10=0.54xq=0.57提馏段：y11=1.240.54-0.019=0.65编号yx110.650.47120.560.38130.450.28140.330.19150.220.12160.130.07x16=0.075s 5s,降液管可用提馏段：=afhtlms=18.49s5s 5s,降液管可用3.2.4塔板分布及筛板塔的设计计算3.2.4.1塔板类型本设计塔径d=1m ，采用整块式塔板。3.2.4.2塔板布置精馏段：取边缘区宽度wc=0.03m 破沫区宽度:ws=0.06m（3.30）（3.29）x=d2wd+ws=0.32m r=d2-wc=0.47m（3.31）开孔区的面积：aa=2xr2-x2+180r2sin-1xr=0.226408m2提馏段：取边缘区宽度wc=0.03m ws=0.06mx=d2wd+ws=0.313mr=d2-wc=0.470m开孔区的面积：aa=2xr2-x2+180r2sin-1xr=0.225102m23.2.4.3筛孔数n和开孔率取筛孔的孔径d0=4mm td0=3.0 （3.32）所以孔中心距t=34=12mm精馏段：n=1158103t2aa=1819个（3.33）=a0aa=0.907(td0)2=10.08%a0=aa=0.02278m2气体通过筛孔的气速：uo=vnsa0=27.48ms提馏段：n=1158103t2aa=1811个=a0aa=0.907(td0)2=10.08%a0=aa=0.02269m2气体通过筛孔的气速：uo=vmsa0=27.33ms（3.34）3.2.4.4筛板的流体力学验算精馏段：x1=d0=34=0.75（3.36）（3.35） x2=a0at-af=0.031122c0=0.670-0.115x1+0.514x2+0.228x12+0.0682x1x2+0.441x22=0.730016（3.37）（3.38）干板阻力：hc=0.051u0c02nvnl=0.1215m（3.39） ua=vsat-af=0.85