化工原理课程设计说明书完成版.doc

化工原理课程设计说明书20000kg/h乙醇水精馏塔设计 年级 2007 专业 生物工程 设计者姓名 何卫 设计单位 武汉科技大学化学工程与技术学院完成时间 2010年7月2日 目 录一概述21.1 设计依据21.2 技术来源21.3 设计任务及要求2二、计算过程 31. 塔型选择42. 操作条件的确定42.1 操作压力42.2 进料状态52.3 加热方式53. 有关的工艺计算63.1 最小回流比及操作回流比的确定63.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算63.3 理论塔板层数的确定73.4 全塔效率的估算73.4.1 相对挥发度73.4.3 全塔效率83.5 实际塔板数84. 精馏塔主题尺寸的计算84.1 精馏段与提馏段的体积流量84.1.1 密度计算84.1.2 流量计算94.2 塔板初步设计104.2.1 塔径的计算104.2.2 塔板规格估定124.3 塔高的计算125.水力学性能计算125.1液泛分率125.2液沫夹带分率135.3塔板压降135.4液面落差145.5漏液点145.6降液管通过性能155.7水力学性能及规格166. 塔板负荷性能图176.1漏液线176.2液体流率下限线176.3液体流率上限线176.4液泛线176.2雾沫夹带上限线187.附属设备选型187.1塔顶全凝器187.1.1传热面积计算187.1.2初步选定换热器型号197.1.3阻力损失计算207.1.4传热计算217.2全凝器冷凝水离心泵218 各接管尺寸的确定228.1进料液管228.2塔釜残液出料管228.3回流液管22结束语23参考资料24附图一 乙醇-水平衡相图及操作线25附图二 塔板负荷性能图性能图25一、概述乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。1.1 设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.2 技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。1.3 设计任务及要求原料：乙醇水溶液。处理量：20000Kg/h，乙醇质量分率为36%。进料状况：气液混合进料，液相分率为50%。设计要求：塔顶的乙醇质量分率不小于90%，塔底的乙醇质量分率不大于6%。表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0二、计算过程1. 塔型选择根据生产任务，处理量20000Kg/h，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。2. 操作条件的确定2.1 操作压力由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压其中塔顶压力为塔底压力2.2加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。2.3热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。若不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷凝器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量，其数量是相当可观的。然而，在大多数情况，这部分热量由冷却剂带走而损失掉了。如果采用釜液产品去预热原料，塔顶蒸汽的冷凝潜热去加热能级低一些的物料，可以将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可以取得节能的效果。例如，采用中间再沸器和中间冷凝器的流程1，可以提高精馏塔的热力学效率。因为设置中间再沸器，可以利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。 3. 有关的工艺计算由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。原料液的摩尔组成：同理可求得：原料液的平均摩尔质量： 同理可求得：原料液中由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表2。表2 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度 名称原料液馏出液釜残液（质量分率）36906(摩尔分率)18.077.92.4摩尔质量22.0439.8118.67平衡温度/83.81278.35494.8883. 有关的工艺计算3.1 最小回流比及操作回流比的确定 采用作图法计算最小回流比 因为进料的液相分率为0.50，那么q线方程为 过点做出q线交平衡线于点e,连接点和点e并延长交y轴于一点，通过读取该点的值和精馏段操作线方程,即该点读出的数值等于,=0.779。通过作图法计算得到，实际回流比，选取范围为1.12，取较优值=1.5，则实际回流比。3.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算处理量20000kg/h，进料量为：由全塔的物料衡算方程可写出： 摩尔流量 质量流量 3.3 理论塔板层数的确定通过画梯级法,在乙醇-水平衡相图上做梯级得到全塔理论板数,精馏段理论板数。3.4全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：3.4.1 相对挥发度由相平衡方程式可得根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得： (塔顶第一块板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：全塔的相对平均挥发度：3.4.2物料粘度 塔顶第一块板、进料和塔釜温度分别为： 通过查液体粘度共线图，不同温度下水与乙醇粘度为： 温度下 温度下 温度下 根据，故可以计算出各温度条件下混合液粘度 同样处理得到， 3.4.3全塔效率 采用奥康奈尔法()全塔效率估算公式进行计算 3.5 实际塔板数块(含塔釜)其中，精馏段的塔板数为：块4. 精馏塔主题尺寸的计算4.1 精馏段与提馏段的体积流量4.1.1 密度计算（1）精馏段液相平均温度：在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，气相的塔顶摩尔质量进料摩尔质量 平均摩尔质量 根据理想气体状态方程，（2）提馏段液相平均温度：在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，气相的塔底摩尔质量进料摩尔质量 平均摩尔质量 根据理想气体状态方程，4.1.2 流量计算（1）精馏段对于精馏段的流量计算，可以通过回流比进行，气相流量V、液相流量L和回流比有下列关系：质量流量 前面已经将气液两相密度计算出来，可以计算出精馏段的体积流量(2) 提馏段对于提馏段的流量计算，须依照精馏段的流量和进料状况才能确定，精馏段的流量和提馏段的气象流量、液相流量之间的关系 质量流量 前面已经将气液两相密度计算出来，可以计算出提馏段的体积流量4.2塔板初步设计由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量存在差别，为了避免出现工程错误，我们将精馏段和提馏段分开计算，之后的计算一般也都如此进行。4.2.1塔径的计算（1）精馏段初设板间距为600mm，液相分率为0.50。查图，。根据精馏段平均温度,查表知水的表面张力。乙醇的表面张力,而精馏段乙醇平均摩尔分率，则精馏段体系表面张力 则液泛分率 选取液泛分率为0.8，塔有效截面积，取,塔的总截面积，塔径。规整塔径为，则塔的总截面积，有效截面积。塔径，液体流率也较小，故液流分布形式可选取为单流型，而且塔径，故预设板间距合用。（2）提馏段初设板间距为600mm，液相分率为0.50。查图，。根据提馏段平均温度,查表知水的表面张力。乙醇的表面张力,而提馏段乙醇平均摩尔分率，则提馏段体系表面张力 则液泛分率 选取液泛分率为0.8，塔有效截面积，取,塔的总截面积，塔径。规整塔径为，则塔的总截面积，有效截面积。塔径，液体流率也较小，故液流分布形式可选取为单流型，而且塔径，故预设板间距合用。4.2.2塔板规格估定降液管总截面积，塔净截面积，塔板工作面积，孔总面积，孔径，板厚，堰高。4.3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算： 已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗。只在中间设置两个人孔，取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，那么，全塔高度：5水力学性能计算5.1 液泛分率（1）精馏段塔内气体流速 液泛分率 （2）提馏段塔内气体流速 液泛分率 乙醇不是易起泡液体，故液泛分率范围在之间，计算结果精馏段在范围内，而提馏段液泛分率更小，故核酸符合。5.2液沫夹带分率根据值查图，精馏段，提馏段。5.3塔板压降（1）精馏段塔板压降 气流通过孔板的流速 而根据查图读出，则干板压降 已规定堰高，根据，查图11-16知道，则根据，查图11-11知校正系数，计算出。又气流速率，则，查图11-12，取 最终根据式计算得到（2）提馏段气流通过孔板的流速 而根据查图读出，则干板压降 已规定堰高，根据，查图11-16知道，则根据，查图11-11知校正系数，计算出。又气流速率，则，查图11-12，取 最终根据式计算得到5.4 液面落差略5.5 漏液点（1）精馏段克服表面张力的压降：漏液点下的干板压降：清液柱与操作过程中的干板压降进行比较 ，即合用。由11-7知筛孔处操作汽速与漏液点汽速之比为：（设计合理）（2）提馏段克服表面张力的压降：漏液点下的干板压降：清液柱与操作过程中的干板压降进行比较 ，即合用。由11-7知筛孔处操作汽速与漏液点汽速之比为：（设计合理）5.6 降液管通过能力核算（1）精馏段. 降液管内液面高取降液管下沿与塔板面的距离为，则液体从降液管流出时所经过的缝隙流通面积为：液体通过降液管的压头损失为：降液管内液体高度为：以泡沫计（取泡沫液的相对密度），则液面高度为：. 停留时间为：(2)提馏段. 降液管内液面高取降液管下沿与塔板面的距离为，则液体从降液管流出时所经过的缝隙流通面积为：液体通过降液管的压头损失为：降液管内液体高度为：以泡沫计（取泡沫液的相对密度），则液面高度为：. 停留时间为：5.7 水力学性能及规格（1）主要规格板型 单流型 降液管下沿与塔板距离 40mm塔径 1.8m 溢流堰高 50mm板间距 600mm 溢流堰长 1.314m降液管截面积 0.25434 孔总面积 0.25434孔径 5mm 板厚 2.5mm（2）水力学性能【分别为精馏段和提馏段数据】液相分率 0.705 0.466 操作气速/漏液点气速 2.52 1.68液沫夹带分率 0.076 0.01 降液管内泡沫液面高/板间距 0.54 0.47 略 降液管内停留时间 7.02s 4.4s堰液头 0.01885m 0.02406m6.塔板负荷性能图6.1 漏液线精馏段漏液点的干板压降：干板压降为：令，则解得：同样方法提馏段计算得到提馏段：6.2 液体流率下限线精馏段规定时，带入,得.同样计算得到提馏段：6.3 流体流率上限线以液体在管内停留3s规定为液体上限：.同样方法计算得到：6.4 液泛线精馏段当降液管内的泡沫液面高度等于板距与堰高之和，便达到液泛，即：根据可以得到其中： ,并且塔板压降：.泡沫层压降：.，数据带入解得：同样方法计算得到提馏段：6.5 雾沫夹带上限线令可容许的雾沫夹带最大量为.而液沫夹带量，其中.取,带入数据得：计算化简后得到：同样方法计算得到提馏段：7.附属设备选型7.1 塔顶全凝器7.1.1传热面积计算采用的冷却水冷却塔顶蒸汽，水出口温度为，将塔顶蒸汽从的蒸汽冷凝成的液体，水的平均温度，查表得此时，。时塔顶蒸汽质量流率为，冷凝水汽化潜热：，粘度：。先按塔顶蒸汽冷凝放出的热计算热流量：由热量恒算：，即计算逆流平均温差： 塔顶蒸汽：（气） （液） 冷却水： 50 20 温差： 28.354 58.354。将平均温差进行校正：，校正系数=1，故=为求传热面积A，需先求出传热系数K，而K值又与给热系数、污垢热阻等有关。在换热器的直径、流速等参数均为给定时，给热系数也就无法计算，只能进行试算。先估计一个K，取K为800。则所需传热面积为：7.1.2 初步选定换热器型号塔顶蒸汽走壳程，冷却水走管层，取冷却水在管内流速，设所需单管程管数为n，管型号，管内径为0.02m，从管内体积流量：，解得n=123根。又由传热面积：，可求得单根管长为：。选用长的管，4管程，则一台换热器的总管数为根，查附录十九得到相近的浮头式换热器的主要参数：初选浮头式换热器的主要参数项目数据壳径D(DN)1000管程数Np(N)4管数n588中心排管数nc18管程流通面积Si0.0462管尺寸管长l(L)6管排列方式正方形斜转45度管心距T=32mm传热面积A269.7对上表中的数据进行核算如下：a. 每程的管数n1=总管数n/管程数Np=588/4=147，管程流通面积：，与查得的0.0462符合的很好。b. 传热面积，比查得的稍小，这是因为管长的一部分需用于在管板上固定管子，应以查得的为准。c. 中心排管数，查得的=18，以下式计算：，取整数。7.1.3 阻力损失计算流速：m/s雷诺数：选取钢管绝对粗糙度为（见表1-1），相对粗糙度，查图1-27知道则管内阻力损失：，回弯阻力损失：，管程总阻力损失：7.1.4 传热计算（1）管程给热系数，a. 壳程给热系数选择垂直管b. 传热系数按管外面积计算，冷却水用未处理过的，污垢热阻参考相关资料选取为0.00058，。c. 所需的传热面积与换热器列出的面积比较，有5%的富余。从阻力损失和传热面积的核算看，原选用的换热器适用。7.2全凝器冷凝水离心泵离心泵所需压头计算 前面已经算出，则查图2-18选定离心泵型号为。8. 各接管尺寸的确定8.1 进料管进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：8.2 釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：8.3 回流液管回流液体积流量 利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：结束语经过两个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。 生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义。在课程设计过程中，特别是在后面的一个星期中，因为进度赶不上，我每天睡眠时间不足六个小时，晚上甚至熬通宵去计算、誊写，这其间的蚊虫叮咬和汗流浃背，唯有我辈自知。不过在即将结束的时刻回