化工原理课程设计--乙醇-水连续浮阀精馏塔的设计.doc

目 录第一章 绪论 1第二章 塔板的工艺设计 32.1 精馏塔全塔物料衡算 32.2 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 32.3 理论塔板的计算 824 塔径的初步计算 102.5 溢流装置112.6 塔板布置及浮阀数目与排列12第三章 塔板的流体力学计算 143.1 气相通过浮阀塔板的压降143.2 淹塔153.3 液沫夹带153.4 塔板负荷性能图16第四章 附件设计 204.1 接管214.2 筒体与封头224.3 除沫器224.4 裙座224.5 吊柱224.6 人孔23第五章 塔总体高度的设计 23第六章 塔附属设备设计 236.1冷凝器的选择236.2 进料的选择246.3 预热器的选择24参考书目24主要符号说明25结束语26（一） 设计题目 乙醇-水连续精馏塔的设计（二） 设计任务及操作条件1) 进精馏塔的料液含乙醇30%（质量分数，下同），其余为水； 2) 产品的乙醇含量不得低于93%； 3) 残液中乙醇含量不得高于0.5%； 4) 每年实际生产时间：7200小时/年，处理量：80000吨/年；5) 操作条件 a) 塔顶压力： 常压 b) 进料热状态： 饱和液体进料 (或自选) c) 回流比： R=1.55Rmin d) 加热方式：直接蒸汽 e) 单板压降： 0.7kPa（三） 板类型浮阀塔（四）厂址临沂地区（五）设计内容1、设计说明书的内容 1) 精馏塔的物料衡算；2) 塔板数的确定； 3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； 4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5) 塔板主要工艺尺寸的计算；6) 塔板的流体力学验算； 7) 塔板负荷性能图； 8) 精馏塔接管尺寸计算；9）设计结果汇总10) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。 2、设计图纸要求 绘制生产工艺流程图（选作）； 注:常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系见课程设计教材附录(105页)第一章设计方案简介本次课程设计的任务是设计分离乙醇-水的精馏塔，塔型选为浮阀塔，因为筛板塔与浮阀塔相比，浮阀塔有降液槽和溢流堰，气体顶开浮阀上升与塔盘上液体接触，传质在塔盘上进行，液体通过降液槽下降，其操作弹性较大。本设计任务为分离乙醇-水混合物，进料为饱和液体进料，操作压力是一个大气压。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。第二章 塔板的工艺设计2.1 精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量(kmol/h) xF：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量(kmol/h) xD：塔顶组成W：塔底残液流量(kmol/h) xW：塔底组成原料乙醇组成：塔顶组成：塔底组成：进料平均分子量：=46.070.144+18.020.856=22.06kg/kmol进料量：kmol/h物料衡算式为： （1）联立代入求解：D=85.471 kmol/h W=418.206 kmol/h2.2 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系温度/液相气相温度/液相气相温度/液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.992.2.1 温度利用表中数据由插值法可求得tF、tD、tW。 tF：，tF=84.73 tD：，tD=78.25 tW：，tW=99.536精馏段平均温度：提馏段平均温度：2.2.2 密度已知：混合液密度 （2） 混合气密度（a为质量分率，为平均分子量） （3）塔顶温度： tD =78.25气相组成：, =85.09%进料温度：tF=84.73气相组成：, =48.87%塔底温度：tW=99.536气相组成：, =1.75%（1） 精馏段液相组成x1：，x1=49.15%气相组成y1：，y1=66.98%所以 =31.81kg/kmol =36.81kg/kmol（2）提馏段液相组成x2：，x2=7.30%气相组成y2：，y2=25.31%所以 =20.07kg/kmol =25.12kg/kmol由不同温度下乙醇和水的密度温度/乙醇水温度/乙醇水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下乙醇和水的密度（单位：）， kg/m ， kg/m同理：， kg/m， kg/m在精馏段液相密度： kg/m气相密度： =1.2657kg/m在提馏段液相密度： kg/m气相密度： kg/m2.2.3 混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式： （4）注： （5） （6） （7） （8） （9） （10） （11） （12） （13）式中下角标w、o、s分别代表水、有机物及表面部分，Xw、Xo指主体部分的分子数，、指主体部分的分子体积，、为水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。 精馏段：温度/708090100乙醇表面张力/10-3N/m1817.1516.215.2水表面张力/10-3N/m64.362.660.758.8 cm3/mol dm3/mol乙醇表面张力：，水表面张力：，塔顶表面张力：因为 ， 所以 联立方程组 代入解得： ， 提馏段： cm3/mol dm3/mol乙醇表面张力：， 水表面张力：， ，因为 ， 所以 联立方程组 代入解得： 故2.2.4 混合物的粘度 不同温度下乙醇和水的粘度如下表：温度t/8090100110乙醇的粘度mpa/s0.4950.4060.3610.324水的粘度mpa/s0.3550.31480.28240.2589，利用插值法得： mPas， mPas，查表得： mPas， mPas精馏段粘度 mPas提馏段粘度 mPas2.2.5.相对挥发度精馏段挥发度：由，得，所以 （14） 提馏段挥发度：由，得，所以 （15）2.2.6.气液相体积流量计算根据x-y图得： 所以 取（1）精馏段： kmol/s （16） kmol/s （17）已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m， kg/m质量流量： kg/s （18） kg/s （19）体积流量： m/s （20） m/s （21）（2）提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1 kmol/s （22） kmol/s （23）已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m， kg/m质量流量： kg/s （24） kg/s （25）体积流量： m/s （26） m/s （27）2.3 理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法、图解法，本次实验采用图解法。根据1.103105Pa下，乙醇-水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线即x-y曲线图，泡点进料，所以q=1，即q为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切。，操作回流比已知：精馏段操作线方程：精馏段操作线方程：在图上作操作线，由点（0.839，0.839）起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交点小于0.000196为止，由此得到理论板NT=18块，加料板为第15块理论板。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算。 （29）注：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液体粘度mPas（1）精馏段已知：，mPas所以： 故块（2）提馏段已知：， mPas所以： 故块全塔所需实际塔板数：块全塔效率加料板位置在第30块板。2.4 塔径的初步计算2.4.1精馏段由=（安全系数），安全系数=0.6-0.8，式中C可由史密斯关联图查出： （30）横坐标数值：取板间距： m， m，则 m查图可知： m/s m/s m 圆整： m横截面积： m2空塔气速： m/s2.4.2 提馏段横坐标数值：取板间距： m， m，则 m查图可知： m/s m/s m 圆整： m横截面积： m2空塔气速： m/s2.5 溢流装置2.5.1 堰长取 m出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算 （近似取E=1） （30）（1）精馏段 m m（2）提馏段 m m2.5.2 弓形降液管宽度和横截面积查图得：，则 m2， m验算降液管内停留时间：精馏段： s （31）提馏段： s （32）停留时间5s，故降液管可用。2.5.3 降液管底隙高度（1）精馏段取降液管底隙的流速 m/s，则 m（2）提馏段取降液管底隙的流速 m/s，则 m因为不小于20mm，故满足要求。2.6 塔板布置及浮阀数目与排列2.6.1 塔板分布本设计塔径D=2m，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。2.6.2 浮阀数目与排列（1）精馏段取阀孔动能因子，则孔速为 m/s（33）每层塔板上浮阀数目为 个 （34）取边缘区宽度 m，破沫区宽度 m计算塔板上的鼓泡区面积，即 （35）其中 m （36） m （37）所以 m2浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距t=75mm则排间距： m=103mm （38）考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，二各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用103mm，而应小些。故取mm=0.065m，按t=75mm，mm，以等腰三角形叉排作图，排的浮阀数290个。按N=290重新核算孔速及阀孔动能因子： m/s，阀孔动能因子变化不大，仍在9-13范围内，塔板开孔率= （39）（2）提馏段取阀孔动能因子，则 m/s （40）每层塔板上浮阀数目为个 （41）按t=75mm，估算排间距：m=123mm （42）取mm，以等腰三角形叉排作图，排的浮阀数240个。按N=240重新核算孔速及阀孔动能因子： m/s，阀孔动能因子变化不大，仍在9-13范围内，塔板开孔率= （43）第三章 塔板的流体力学计算3.1 气相通过浮阀塔板的压降可根据计算 （44）1.精馏段 干板阻力 m/s （45）因故 （46） 板上气液层阻力取， （47） 液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为 （48） （49）2.提留段 干板阻力 m/s （50）因，故 （51） 板上充气液层阻力。取， （52） 表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为： （53） 3.2 淹塔为防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度 （54）1、精馏段 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 液体通过降液管的压头损失： （55） 板上液层高度：，则，（56）取，已选定， 则可见，所以符合防止淹塔的要求2、提留段 单板压降所相当的液柱高度 液体通过降液管的压头损失 （57） 板上液层高度：，则（58）取，则 （59）可见，所以符合防止淹塔的要求3.3 雾沫夹带1、精馏段泛点率= （60）板上液体流经长度： 板上液流面积： 查物性系数 K=1.0，泛点负荷系数图泛点率=对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，无沫夹带能够满足的要求。2.提留段取物性系数K=1.0，泛点负荷系数图泛点率=由计算可知符合要求。3.4 塔板负荷性能图1、雾沫夹带线泛点率= （62）据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算 精馏段整理得： （63）由上可知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，算出 提留段整理得： （64）2、液泛线 （65）由此确定液泛线，忽略式中的，（66）而 （67）1 精馏段0.52=2.67 提留段0.251=5.34整理得： （68）3、液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35s液体降液管内停留时间 （70）以Q=5s作为液体在降液管内停留时间的下限，则 m3/s （71）4、漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则（72） 精馏段 m3/s 提留段 m3/s5、液相负荷下限取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。，取E=1.0 （73）则 m3/s由以上15作出塔板负荷性能图。可以看出 在任务规定的气液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的位置； 塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制操作下限由漏液控制； 按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限 m3/s，气相负荷下限m3/s所以精馏段操做弹性=，提馏段操做弹性=浮阀塔工艺设计计算结果项目符号单位计算数据备注精馏段提留段塔径Dm22板间距m0.450.45塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速m/s1.231.27堰长m1.31.3堰高m0.05370.0516板上液层高度m0.070.07降液管底隙高m0.030.0358浮阀数N290240等腰三角形叉排阀孔气速m/s10.6713.1浮阀动能因子12.813临界阀孔气速m/s9.511.42孔心距tm0.0750.075同一横排孔心距排间距m0.0650.08相邻横排中心距离单板压降Pa670.85666.03液体在降液管内停留时间s20.5517.04降液管内清液层高度m0.2520.251泛点率%57.1040.96气相负荷上限m/s4.924.84物沫夹带控制气相负荷下限m/s1.661.72漏液控制操作弹性2.962.81第四章 塔附件设计4.1 接管1、进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管，弯管进料管，本设计采用直管进料管。管径计算：,取=1.6m/s，kg/m3 （74） m3/s查表取2、回流管采用直管回流管，取 m/s （75） m3/s查表取3、塔釜出料管取m/s，直管出料，m3/s 查表取4、塔顶蒸汽出料管取直管出气，取出口管速 ，则查表取5、法兰由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，由不同的公称直径选用相应的法兰 进料管法兰： 回流管法兰： 塔釜出料管法兰： 塔顶蒸汽管法兰： 塔釜蒸汽进气法兰： 4.2 简体与封头1、简体 （76）壁厚选6mm，所用材质为2、封头封头分为椭圆形封头、碟形封头等几种，本设计采用椭圆形封头，由公称直径，查得曲面高度,直边高度，内表面积，容积，选用封头， 4.3 除沫器当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出现气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有折流式除沫器，丝网除沫器以及程流除沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大，重量轻、空隙大及使用方便等优点。设计全速，选取，系数=0.107 （77）m/s除沫器直径选取不锈钢除沫器：类型：标准型，规格：10-100，材料：不锈钢丝网（）4.4 裙座塔底常用裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于群座内径800mm,故群座壁厚取16mm。基础环内经： 基础环外经： 圆整：=1800mm，=2400mm.基础环厚度，考虑到腐蚀余量，腐蚀余量取18mm，考虑到再沸器，群座高度取2.5m，地角螺栓直径取M30.4.5 吊柱对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，既经济又方便的一项措施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中高度大，因此设吊柱。因设计塔径D=2000mm，可选用吊柱600kg，s=1000mm，l=3500mm，H=1000mm，材料为。4.6 人孔人孔是安装和检修人员进出塔的惟一通道，人空的设置应便于人进入任一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔10-20块塔板才设一个人孔，本塔总共37块板，需设置3个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为600mm，裙座上应开设2个人孔，直径450mm，人孔慎入塔内部应与他内壁修平，其边缘需倒装和磨圆，人孔法兰的密封形状及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。第五章 塔总体高度的设计一、塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一板的间距为600mm，顶部空间高度为1200mm二、塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底封头的直线距离，釜液停留时间取5s。 （78） （79）塔立体高度 （80） （81）第6章 塔附属设备设计6.1 冷凝器的选择6.1.1 确定冷凝器的热负荷 （82）上式中的，为塔顶混合物的汽化潜热。物质时的气化潜热KJ/mol乙醇402190.849水43193.940.151 kJ/h kJ/h6.1.2 冷凝器的选择有机物蒸汽冷凝器的设计选用的总体传热系数一般范围为5001500kcal/(h)本设计取 K=700 kcal/(h)=2926J/(h) 出料液温度：78.237（饱和气）78.273（饱和液）冷却水温度：2035逆流操作：=58.273，=43.237传热面积： （84）6.2泵的计算6.2.1 确定输送系统的流量与压头 以进料泵为例，由以上可知，设料液面至加料孔为10m，标准弯头两个，回弯头一个，球心阀（全开）一个，则有关管件的局部阻力系数分别是： 进口突然收缩：，标准弯头：，回弯头：，球心阀（全开）：则总的局部阻力系数为：有进料液：，根据， ，则 对于水力光滑管，当时，摩擦系数可由下式计算： ，则两截面之间列柏努力方程求泵的扬程：流量 6.2.2 选择泵的类型与型号 根据输送液体的性质和操作条件选IS型泵，文献4所选进料泵的型号为:IS 50-32-125，表5-5 进料泵的性能参数型号IS50-32-200流量m3/h7.5扬程m22功率Kw机2.2轴0.96转速2900效率47%泵壳许用压力Kgf/cm332/46结构单极6.3.原料预热器的设计 管层走物料，壳层走水，选取K=300 w/m2K,选用1200C饱和水蒸气加热 进料液：200C950C 水：1200C1200C，因为QF=2.09106kJ/h=5.806105J/s所以A=参考书目教材：1.化工原理（上，下册）谭天恩 窦梅 周明华 编著。化学工业出版社（第三版） 2009年4月第21次印刷2.化工原理王志魁编著 化学工业出版社（第二版）2002年2月第9次印刷主要参考文献：1.化工原理（新版）上下册 姚玉英主编天津大学出版社1999年8月第1版2.化工原理上、下册 蒋维钧主编 清华大学出版社 2003年2月第二版3.化工原理课程设计指导 任晓光主编 化学工业出版社2009年1月4.化工原理课程设计 王国胜主编 大连理工大学出版社 2005年2月5.化工容器及设备简明设计手册 贺匡国主编 化学工业出版社 2002年8月6.化学工程手册.北京:化学业出版社,19917.化工单元过程及设备课程教材 匡国柱，史启才主编 化学工业出版社，2005年1月主要符号说明F：原料液流量(kmol/h) ：原料组成（摩尔分数）：进料温度（） D ：塔顶产品流量(kmol/h) ：塔顶组成（摩尔分数） ：塔顶温度（）W：塔底残液流量(kmol/h) ：塔底组成（摩尔分数）：塔底温度（） ：密度（kg/m）：平均摩尔质量（kg/kmol） ：表面张力（N/m2）：粘度（mPas） R：回流比：相对挥发度 ：塔板效率：浮阀数 ：理论板数（块）：实际板数（块） ：流速（m/s）：阀孔气速（m/s） ：临界阀孔气速（m/s）:液体质量流量（kg/