课程设计-精馏塔(参考模板).doc

化工原理课程设计 -乙醇-水的精馏塔设计设计者单位：西安工业大学北方信息工程学院设计者年级：2012级设计者专业：高分子材料与工程设计者姓名与学号：XXX（）指导教师：完成日期：2014年1月3日目录$1 精馏塔任务书 1.1 生产任务1.2 操作条件1.3 设计内容$2 精馏塔计算 2.1 乙醇-水的汽液平衡组成2.2 全塔物料计算$3 精馏段计算3.1 精馏段相关物性计算3.2 精馏段工艺尺寸计算3.3 精馏段塔板流体力学校核3.4 精馏段塔板负荷性能图(可选)$4 提馏段计算3.1 提馏段相关物性计算3.2 提馏段工艺尺寸计算3.3 提馏段塔板流体力学校核3.4 提馏段塔板负荷性能图(可选)$5塔高的确定（可选）5.1塔顶空间Ha的确定5.2 塔底空间Hb的确定5.3有效塔高Hp的确定5.4塔顶封头HF的确定5.5裙座高度Hs的确定5.6人孔$6精馏塔的附属设备及选型（可选）$7 塔的主要接管尺寸的选取(可选)$8 $8 输送泵的选取(可选) $9 设计结果汇总表$10 设计方案评价与总结参考文献1 板式精馏塔设计任务书1.1 生产任务将来自上游的粗馏塔得到的乙醇-水混合物进行精馏。要求：塔顶产品为浓度95.0%（质量分率）的医用乙醇，塔底残液中乙醇的浓度不大于0.03(质量分率)。生产能力：年产量为3000吨。设备形式：板式精馏塔 1.2 操作条件1、进料：温度90的乙醇-水混合物的饱和蒸汽；2、常压操作，P1 atm（绝压）；3、塔顶采用全凝器，泡点回流；4、塔釜采用饱和水蒸气加热（加热方式自选）；5、操作回流比R=(1.12.0)6、每年按300天计，每天24小时连续运行1.3 设计内容1、完成该精馏塔工艺设计，包括辅助设备及进出口接管的计算和选型。2、画出带控制点的工艺流程示意图，t-x-y相平衡图，塔板负荷性能图，筛孔布置图以及塔的工艺条件图。3、写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和对自己设计的评价。 $2 板式精馏塔的工艺计算说明：以下所有数据中A代表乙醇，B代表水。2.1 乙醇和水的汽液平衡组成1.查表，列出乙醇和水的饱和蒸汽压数据，根据数据画出乙醇-水的t-x-y和x-y图2.计算塔顶、塔底、进料处相对挥发度塔顶：顶=塔底：底=加料板：加料板=3.计算乙醇水的平均相对挥发度： 乙醇水的相对挥发度一般用几何平均值或算术平均值表示2.2 全塔物料计算 1. 原料液中物料的计算设 A组分乙醇; B组分水乙醇的摩尔质量：M乙=46.07 kg/kmol水的摩尔质量： M水=18.02 kg/kmol=入口的原料液x F的液相组成就是90 oC的气相组成。经查表得，90 oC的饱和蒸汽进料液的摩尔组成为：根据产量和所定工作时间，即年产3000吨95.0%乙醇，每天24小时连续正常工作，则原料处理量：D=kmol/hF=W=2q方程的计算由乙醇-水的平衡数据用求得原料进入塔时(90时)的气液相组成为：= =由 F= L + V 和 F = L + V 得 L =（kmol/h），q = L /F =则：q线方程为 y = = 3温度的计算由t-x-y图可知: 塔顶温度t=，塔底温度t=，定性温度：t=1/2(tD+tw)=87.154回流比的确定用内差法求得进料板的气液相组成（90进料）进料板位于平衡线上,则：xq=X进料板=yq=Y进料板=Rmin=操作回流比R=5操作线方程的计算精馏段：精馏段操作线方程提馏段： 提馏段操作线方程相平衡方程为：6板效率的计算7实际塔板数的计算$3 精馏段的计算3.1 精馏段相关物性计算3.1.1 操作压强 P = 1atm=101.325KPa3.1.2 温度由t-x-y图可知: tD=78.30 tF=90 tW=96.00 t=3.1.3 定性组成(1)塔顶 y= X= 查平衡曲线得到 x=(2)进料 y= x=3.1.4 平均分子量Xm 查表可知:(1)塔顶：=xDM乙醇+（1-xD)M水=（）=(2)进料: =平均分子量=3.1.5 平均密度m 由书可知：1/= a /+a/ 塔顶：在78.30下：=744.289() =972.870()= 则=758.716()进料:在进料温度90下：=729.9() =965.3() a = 则=921.0() 即精馏段的平均液相密度=(758.716+921.0)/2=839.858() 平均气相密度=1.180()3.1.6 液相平均粘度液相平均粘度依下式计算：（1） 塔顶: 查书中图表求得在78.3下： =0.504; =0.367; lg=0.826lg(0.504)+0.174lg(0.367) 则=0.477 ()（2）进料: 在90下： =0.428 ; =0.3165。lg=0.0639lg(0.428)+(1-0.0639)lg(0.3165) 则=0.3226 ()=（+）/2=（0.477+0.3226）=0.39983.1.7 液体表面张力 （1）塔顶: 查书求得在78.30下： ()（2）进料: 在90下： ()则 =(+)/2=(26.194+58.01)/2=42.102()3.1.8 气液体积流速的计算由上述计算得到的= = 可知： =()=()3.2 精馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算3.2.1 塔径D的计算3.2.2塔板详细设计1计算堰长lW2计算出口堰高hW3. 计算弓形降液管宽度Wd与降液管面积Af4. 计算降液管底隙高度hO 因物系较清洁,不会有脏物堵塞降液管底隙,取液体通过降液管底隙速度=0.07m/s. 过小,取ho=0.04m5塔板布置 取安定区宽度W=, 取边缘区宽度W=6. 筛板数n与开孔率 3.3 精馏段塔板流体力学校核3.3.1板压降的校核 1干板压降hc的计算2气体穿过板上液层压降hl的计算 相应的气体动能因子 查化工原理下图10-46得：=0.58 液柱3液体表面张力造成的压降h的计算3.3.2 液层高度的校核 1液面落差h对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。2堰上液流高度how的计算3.3.3 液沫夹带量的校核 3.3.4 溢流液泛条件的校核 3.3.5 液体在降液管内停留时间的校核 降液管内的停留时间 （是否5s，若大于，则不会产生严重的气泡夹带）3.3.6 操作弹性的校核 漏液点的孔速为：= =9.155(m/s)筛孔气速= 塔板稳定系数 表明具有足够的操作弹性。根据以上各项流体力学验算，可认为设计的精馏段各工艺尺寸合适。 3.4 精馏段塔板负荷性能图(可选)3.4.1 液沫夹带线3.4.2 溢流液泛线3.4.3 液相负荷上限线3.4.4 漏液线（气相负荷下限线）3.4.5 液相下限线3.4.6 操作线$4 提馏段的计算4.1 提馏段物性计算4.1.1 操作压强 P = 101.325KPa4.1.2 温度 t t=78.30C t=90C t=96.0C t=C4.1.3 定性组成(1)塔釜 = 查相平衡图得到：=(2)进料 y= x=4.1.4 平均分子量 查表可知:(1)塔釜：=yW46.07+(1- yW)18.02=（）=(2)进料: =平均分子量：=4.1.5 平均密度 由式：1/=a/+a/ 塔釜：查书得 = =则：=进料:在进料温度90下：= =则：=即提馏段的平均液相密度= 平均气相密度=4.1.6 液体表面张力 1塔釜: 2进料: 4.1.7 液体平均粘度1塔釜:2进料:4.1.8 气液体积流速的计算由已知条件= = 得 =4.2 提馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算4.2.1塔径D的计算4.2.2塔板详细设计1计算堰长lW2计算出口堰高hW3. 计算弓形降液管宽度Wd与降液管面积Af4. 计算降液管底隙高度hO5塔板布置 6. 筛板数n与开孔率 4.3 提馏段塔板流体力学校核4.3.1板压降的校核 1干板压降hc的计算2气体穿过板上液层压降hl的计算3液体表面张力造成的压降h的计算4.3.2 液沫夹带量的校核 4.3.3 溢流液泛条件的校核 4.3.4 液体在降液管内停留时间的校核 降液管内的停留时间 （是否5s，若大于，则不会产生严重的气泡夹带）4.3.5 操作弹性的校核 表明具有足够的操作弹性。根据以上各项流体力学验算，可认为设计的提馏段各工艺尺寸合适。 4.4 提馏段塔板负荷性能图(可选)4.4.1 液沫夹带线4.4.2 溢流液泛线4.4.3 液相负荷上限线4.4.4 漏液线（气相负荷下限线）4.4.5 液相下限线4.4.6 操作线$5塔高的确定（可选）塔高主要由下列部分组成:塔顶空间，塔底空间,有效塔高,加料板空间高度及群座高度即: =+5.1塔顶空间Ha的确定塔顶空间是指塔内最上层塔板与塔顶的距离。其距离取远高于板间距的值，本设计计算中板间距为0.45m，根据经验取塔顶空间=1.2m，（塔顶封头1米）。5.2 塔底空间Hb的确定塔底空间是指塔内最下层塔板到塔底间距。其值由塔底贮液取停留时间和塔底液面到最下层塔板间距决定（一般要有1-2m）。5.3有效塔高Hp的确定5.4塔顶封头HF的确定HF=(1/4)D=0.25m5.5裙座高度Hs的确定为了制作方便,裙座为圆形，HS/D=3,HS=31=3M5.6人孔 本精馏塔中设计了5个人孔，孔径均为400mm.最后算得：=+$6精馏塔的附属设备及选型（可选）本精馏塔选用直接蒸汽加热，其附属设备主要有蒸汽冷凝器、产品冷凝器、连接管、泵等（由于原料由上游而来，且进料时温度为90,故不需预热。）列管换热器具有结构较简单，加工制造比较容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等优点，被广泛应用与化工生产中，特别是列管式换热器在现阶段的化工生产中应用最为广泛，而且设计数据和资料较为完善，技术上比较成熟。因此,以下的冷凝器采用列管换热器。6.1 釜底加热器本设计中，水为难挥发组分，采用直接蒸汽加热方式，以提高传热效果，并节省再沸器。热量衡算：6.2 塔顶冷凝器采用列管式冷凝器，并使塔顶蒸汽在壳程冷凝，冷却水在管程流动，以提高传热系数和便于排出凝液。6.2.1 热量衡算6.2.2 冷凝器选型6.3 馏出液冷却器6.3.1 热量衡算6.3.2 冷却器选型6.4 釜液冷却器6.4.1 热量衡算6.4.2 冷却器选型换热器规格汇总表（模板）换热器换热面积（m）管长(m)管程数公称直径(mm)管规格管数原料预热器（无）冷凝器馏出液冷却器釜液冷却器$7 塔的主要接管尺寸的选取(可选)7.1塔顶蒸气管路7.2塔顶冷凝水管路 7.3塔顶液相回流管路7.4进料管路7.5塔釜残液流出管路 7.6冷却水出口管路7.7塔顶馏出液管路接口管路汇总表（模板）项目尺寸或型号D(mm)塔顶蒸汽管塔顶冷凝水管路 塔顶馏出液管回流管加料管釜液排出管冷却水出口管$8 输送泵的选取(可选) $9 设计结果汇总表全塔工艺设计结果总汇(模板)设计内容及符号单位精馏段理论塔板数NT块 实际理论塔板数N块理论板效率E%实际取塔板效率E%液体流量L气体流量V液体流量Ls 气体流量Vs定性温度0C定性压力PKPa板间距HT塔径D空塔气速塔板溢流形式单溢流溢流管形式弓型堰长堰高降液管宽度降液管面积边缘区宽度安定区宽度鼓泡区面积筛孔数n个孔径d0孔间距t塔板开孔率%总开孔面积A0 筛孔气速板压降m液柱降液管低隙高度h0堰上液层高度h降液管停留时间降液管内清液层高度H降液管内泡沫层高度H板上充气液层阻力h雾沫夹带evKg液/Kg气负荷上限 -负荷下限 -气相最大负荷 气相最小负荷 稳定系数k-操作弹性-符号一览表 a-塔板开孔面积， w-液流堰高度，mf-降液管面积, -筛板稳定性系数,无因次o-筛孔面积， -塔内下降液体, Kmol/h-塔截面积, s-塔内下降液体的流量Kmol/so-流量系数，无因次 w-液流堰长度, m -计算max时的负荷系数,无因次 -理论塔板数，块 -塔顶馏出液流量，m/s -塔板数D -塔径,m -实际塔板数，块o-筛孔直径，mm-筛孔数，个 -液留收缩系数，无因次 -操作压强，T-全塔效率（总板效率），无因次 -压强降，v-雾沫夹带量 -进料热状态参数 -进料流量，Kmol/hQ-热负荷kJ/ha-气相能动因数 -回流比T -板间距,