乙醇水溶液板式精馏课程设计.doc

化工原理设计任务书一、设计题目：乙醇-水溶液连续精馏塔设计二、设计任务1. 设计任务处理量为20000吨/年2. 进精馏塔的原料液中含乙醇为50%（质量百分比，下同），其余为水。3. 塔顶馏出液中含乙醇不低于93%。4. 生产能力为日产纯度为99%的乙醇产品。年工作日300天，每天24小时连续运行。 三、操作条件1.塔顶压强4kPa（表压）；2.进料热状况，泡点进料q=1；3.回流比，自选；4.塔釜加热蒸汽压力0.5MPa；5.单板压降不大于t6. 设备型式：自选四、设计内容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五行数据的计算；4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5.塔板的主要工艺尺寸计算；6.塔板的流体力学计算；7.塔板负荷性能图；8.精馏塔接管尺寸计算；9.绘制生产工艺流程图；10.绘制精馏塔设计条件图；11.绘制塔板施工图；12.对设计过程的评述和有关问题的讨论目录化工原理设计任务书2第一章 概 述11.1 化工原理课程设计的目的和要求11.2 化工原理课程设计的内容和步骤11.2.1 课程设计的基本内容11.2.2课程设计的步骤21.3带控制点的工艺流程图的绘制3第二章设计方案的确定及流程说明 42.1塔设备的选型42.2 操作条件的确定52.2.1操作压力52.2.2 进料状态52.2.3加热方式52.2.4冷却方式62.2.5热能的利用62.3 流程说明6 第三章 精馏塔的工艺计算73.1物料衡算73.2操作温度的计算83.2.1塔顶温度计算83.2.2进料板温度83.2.3 塔釜的温度83.3 最小回流比及操作回流比93.4 理论板层数NT的求取103.4.1 精馏塔的气液负荷103.4.2 操作线方程103.4.3 图解法求理论板数113.5实际塔板数的确定113.5.1全塔效率的估算113.5.2实际塔板数12第四章 塔主体尺寸的计算124.1 精馏段与提馏段的体积流量124.1.1 精馏段124.1.2 提馏段144.2 塔径的计算154.3 塔高的计算17第五章 塔板结构尺寸的确定195.1 塔板尺寸195.2 弓形降液管195.2.1出口堰高hw195.2.2 降液管底隙高度h0205.3 浮阀数目及排列205.3.2 排列206.1 气相通过浮阀塔板的压降226.1.1 干板阻力 226.1.2 板上充气液层阻力226.1.3 表面张力引起的阻力226.2 泄漏验算226.3 液泛验算236.4 雾沫夹带的验算23第七章 操作性能负荷图247.1 雾沫夹带上限线247.2 液泛线247.3 液体负荷上限线247.4 液体负荷下限线257.5 漏液线25第八章 各接管尺寸的确定288.1 进料管288.2 釜残液出料管288.3 回流液管298.4 塔顶上升蒸汽管298.5水蒸气进口管29第九章 塔附属设备设计319.1 冷凝器的选择31结束语32参考文献：33附录3433乙醇水溶液精馏塔设计第一章 概 述1.1 化工原理课程设计的目的和要求课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确的进行工程计算的能力；4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。1.2 化工原理课程设计的内容和步骤1.2.1 课程设计的基本内容（1）设计方案简介 对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；（2）主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计（3）典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；（4）带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；（5）主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；（6）完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容： 1）封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）； 2）目录； 3）设计任务书； 4）设计方案简介； 5）设计条件及主要物性参数表； 6）工艺设计计算； 7）辅助设备的计算及选型； 8）设计结果汇总表； 9）设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论； 10）工艺流程图及设备工艺条件图； 11）参考资料。1.2.2课程设计的步骤（1） 动员和布置任务；（2）阅读指导书和查阅资料；（3） 现场调查；（4）设计计算,绘图和编写说明书；（5） 考核和答辩。整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结果。设计后期的答辩，及时了解学生设计能力的补充过程，也是提高设计水平，交流心得和扩大收获的重要过程。答辩通常包括个别答辩和公开答辩两种形式。个别答辩的目的不仅是对学生进行全面考核，更主要的是促进学生开动脑筋,提高设计水平。所以，在个别答辩后，应允许学生修改补充自己的图纸和说明书。公开答辩是在个别答辩的基础上，选出几个有代表性的学生在全班公开答辩，实际上是以他们的中心发言来引导全班性的讨论，目的是交流心得、探讨问题和扩大收获。1.3带控制点的工艺流程图的绘制带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流程图绘制范围如下：（1） 必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备；（2） 应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向；（3） 冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽(不包括副产品蒸汽)及蒸汽冷凝液系统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置；（4） 标出有助于用户确认及上级或有关领导审批用的一些工艺数据(例如:温度、压力、物流的质量流量或体积流量、密度、换热量等)；（5） 包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署；（6）必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符及调节阀等。这里指的控制点符包括被测变量的仪表功能(如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集中,就地仪表等)。第二章设计方案的确定及流程说明 设计方案的选定是指确定整个精馏装置的流程，主要设备的结构型式主要操作条件所选方案必须：（1）满足工艺和操作的要求，达到特定的产量和质量；（2）操作平稳，易于调节；（3）经济合理；（4）生产安全。在实际的设计问题。上述四项都必须兼并考虑。2.1塔设备的选型精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：(1) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。(2) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。(3) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。(4) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。(5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。(6) 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型， 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，一般均采用板式塔。板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。根据设计任务和要求我们主要选用的是浮阀板式塔。2.2 操作条件的确定2.2.1操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。本次设计中采用常压操作。2.2.2 进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。所以设计选用泡点进料。2.2.3加热方式蒸馏釜的加热方式一般采用间接加热方式，若塔底产物基本上就是水，而且在浓度极稀时溶液的相对挥发度较大。便可以直接采用直接加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热，在釜内只需安装鼓泡管，不需安装庞大的传热面，这样，操作费用和设备费用均可节省一些，然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断涌入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下。塔釜中易于挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍微有增加。但对有些物系。当残液中易挥发组分浓度低时，溶液的相对挥发度大，容易分离故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。2.2.4冷却方式塔顶的冷却方式通常水冷却，应尽量使用循环水。只有要求的冷却温度较低，考虑使用冷却盐水来冷却。本实验用循环水。因此，根据上叙设计方案的讨论及设计任务书的要求，本设计采用常压操作，泡点进料，直接蒸汽加热以及水冷的冷却方式。2.2.5热能的利用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。在本次设计中主要采用的是釜残液加热原料液。2.3 流程说明本设计任务为分离乙醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏方法，设计中采用泡点进料，将混合料液经预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升器采用全凝器冷凝后，部分回流。其余部分作为塔顶产品经冷却后送入储罐。塔釜部分采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送入储罐。工艺流程图见附图。 第三章 精馏塔的工艺计算3.1物料衡算由设计任务可求以下数据：原料液处理量(质量流量） 水的摩尔质量 M水=18 g/mol 乙醇的摩尔质量 M乙醇=46 g/mol原料液的摩尔分数 塔顶乙醇的摩尔分数 原料液的摩尔质量 原料液处理量（摩尔流量） 溜出液的量（摩尔流量） 釜残液的量可有物料衡算方程组求解得到： 得到 釜残液的量（摩尔流量） 塔顶乙醇的摩尔分数 式中、W分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；、分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。3.2操作温度的计算3.2.1塔顶温度计算查文献乙醇-水溶液中乙醇摩尔分数为0.70和0.80时,其沸点分别为78.7、78.4塔顶温度为TD,则由内插法: 3.2.2进料板温度查文献乙醇-水溶液中乙醇摩尔分数为0.20和0.30时,其沸点分别为83.2和81.7设塔顶温度为,则由内插法:, 3.2.3 塔釜的温度查文献乙醇-水溶液中乙醇摩尔分数为0.00和0.05时,其沸点分别为100和90.6设塔顶温度为,则由内插法:, 将上述数据整理可得：表（3-1）名称料液馏出液釜残液Xf(质），%50930.5Xf无因次0.2810.8390.002分子量M,kg/kmol25.941.1318沸点温度t,82.0678.2499.91摩尔流量kmol/h107.2635.56163.553.3 最小回流比及操作回流比由相平衡方程可得 表（3-2）根据乙醇-水溶液气液平衡数据表（3-2）可查得表（3-3）：表（3-3）（塔顶的第一块板）（塔釜） (加料板）由此可以求得： 全塔平均挥发度 本设计是泡点进料，所以 根据生产过程中回流比的选择原则，选出一个适宜的回流比使总费用（设备费用和操作费用之和）最低，一般适宜的回流比在之间，由本次实际生产要求我们选择操作回流比，从而求出操作回流比。3.4 理论板层数NT的求取3.4.1 精馏塔的气液负荷回流液流量：蒸汽量：下降液体量：提馏段上升蒸汽量：3.4.2 操作线方程精馏段操作线方程为: 提馏段操作线方程为： q线方程： 3.4.3 图解法求理论板数采用图解法求理论板数，如图1-1所示。求解结果为总理论板层数 NT= 23 (包括再沸器)进料板位置 NF=19图（3-1）3.5实际塔板数的确定3.5.1全塔效率的估算由表（3-1）可以知道：塔顶沸点温度：进料沸点温度：塔釜沸点温度：全塔平均温度： 在温度下查物性参数： 因为， 所以， 全塔液体平均黏度：则板效率ET3.5.2实际塔板数则实际塔板数：精馏段实际板数：提馏段实际板数: 第四章 塔主体尺寸的计算4.1 精馏段与提馏段的体积流量4.1.1 精馏段 将已知数据整理列于下表（4-1）表 （4-1）位置进料版塔顶（第一块板）质量分率摩尔分率分子量，kg/kmol温度 ，82.0678.25液相平均分子量：液相平均温度：在平均温度下可查得：，平均质量分率：液相平均密度： 精馏段液相负荷：L=RD=1.58333.56=56.29kmol/h 同理，可计算出精馏段的汽相负荷。结果列于表（4-2）。表（4-2）名称液相汽相平均分子量，kg/kmol33.537.7平均密度，kg/m37901.1体积流量，m3 /h2.23（0.000664m3/s）3417（0.872m3/s）4.1.2 提馏段将已知数据整理列于下表（4-3）表（4-3）位置进料板塔釜质量分率质量分率分子量，kg/mol温度，82.0699.91采用与精馏段相同的计算方法，可计算出提馏段的汽液负荷。结果列于表（4-4）表（4-4）名称液相汽相平均分子量，kg/kmol21.9527.4平均密度，kg/m38900.695体积流量，m3 /h4.03（0.0011m3/s）3434.4（0.954m3/s）4.2 塔径的计算 由于精馏段与提馏段上升蒸汽量变化不大，为便于加工制造，取两段塔径相同。由上述计算结果可知：气塔平均蒸汽流量：气塔平均液相流量：气塔气相平均密度：气塔液相平均密度：由于适宜空塔气速u=(0.6-0.8)umax,因此，需先计算出最大允许速度umax。最大允许空塔气速计算式为：其中 其中的C20需从史密斯关系图中查出。 图4-1 史密斯关联图不同塔径的板间距参考表（4-5）表（4-5）塔径D/mm80012001400240026006600板间距HT/mm300 350 400 450 500400 450 500 550 600 650 700450 500 550 600 650 700 750 800参照上表,取塔板间距HT =0.4m,塔板上液层高度h1 =0.06m，那么分离空间为：HT -h1 =0.4-0.06=0.34m功能参数：在全塔平均温度液相所含乙醇的平均摩尔分率为 查得乙醇和水的临界温度分别为516K、647.2K。所以，可算得液体的临界温度为查资料得，25下乙醇水溶液的表面张力为 平均塔温下乙醇水溶液的表面张力可有下式计算： 则 取 则空塔气速 塔径为 根据标准塔径系列尺寸圆整为 D=1000mm即可得精馏段上升蒸汽速度： 提馏段上升蒸汽速度： 4.3 塔高的计算塔高可按下式计算：其中： 塔顶空间（不包括头盖部分）板间距N实际板数S人孔数进料板出板间距 塔底空间（不包括底盖部分） 人孔间距已知实际塔板数为N=50块，板间距HT =0.4，由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔10块板设一个人孔，则人孔的数目为： 个取人孔两板之间的间距： =0.6m则塔顶空间：=（1.52),取=2=1.2m塔底空间： =2.5m进料板空间高度：=0.5m那么，全塔高度：第五章 塔板结构尺寸的确定 5.1 塔板尺寸由于塔径大于800mm，采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进流堰，采用分块式塔板。取无效边缘区宽度Wc =40mm,泡沫区宽度WS=70mm 可查得溢流堰长：=0.7D，即=0.71000mm=700mm 弓形溢流管宽度：Wd =146mm 弓形降液管面积：Af =0.0706m2 塔体截面积：AT =D2/4=0.785 m2 Af /AT =0.0706/0.785=0.9 R=D/2-Wc =0.5-0.04 =0.46m x = D/2- Wd -WS =0.5-0.146-0.07=0.284m验算： 液体在精馏段降液管内的停留时间 5s 液体在提馏段降液管内的停留时间 5s故降液管可用。5.2 弓形降液管 5.2.1出口堰高hw本设计采用平堰，取堰上液高度=10mm,板上清液高度=60mm.则出口堰高=-=50mm5.2.2 降液管底隙高度h0若精馏段取h0 =15mm,提馏段取h0 =25mm，那么液体通过降液管底隙时的流速：精馏段：提馏段：一般经验数值为：5.3 浮阀数目及排列采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。5.3.1 浮阀数目由： 气体通过阀孔时的速度 取动能因数F=11，那么 因此浮阀数目5.3.2 排列由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排，若同一横排的阀孔中心距t=75mm，那么相邻两排间阀控中心距为：其中开孔面积为： =0.487m2考虑到塔的直径较大，采用的是分块式塔板，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98.3mm，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89个。校核，实际气体通过阀孔速度 实际动能因数：（在912之间）开孔率：%开孔率在1014%范围内，满足要求。第六章 流体力学验算6.1 气相通过浮阀塔板的压降可根据计算 6.1.1 干板阻力 浮阀有部分全开转变为全部全开时的临界速度因为=11.61m/s所以6.1.2 板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数0.5 ，那么：6.1.3 表面张力引起的阻力 一般很小，可忽略。所以 6.2 泄漏验算动能因数，相应的气相最小负荷为：可见，不会产生过量漏液。6.3 液泛验算 溢流管内清液层高度为其中 所以 为防止液泛，通常，取校正系数=0.5，则可见，不会产生液泛。6.4 雾沫夹带的验算泛点率= 由资料查得:物性系数K=1.0，泛点负荷系数=0.097所以 泛点率=49.2%80%可见，雾沫夹带在允许范围之内第七章 操作性能负荷图7.1 雾沫夹带上限线取泛点率为80%代入泛点率计算式经整理可得雾沫夹带上限方程为：7.2 液泛线其中， 代入上式，经化简可得 7.3 液体负荷上限线取=5s,那么7.4 液体负荷下限线取，代入计算式：经整理可得：7.5 漏液线取动能因素F0=5，以限制气体最小负荷：根据上述各线方程式，可画出下图所示操作负荷性能图。图（7-1）根据生产任务规定的汽液负荷，可知操作点P（0.000882,0.913）在正常操作范围内。连接OP作出操作线，由图可知，该塔由雾沫夹带及液相负荷下限，即漏液所控制，由图可得, 。所以塔的操作弹性为： 操作弹性=有关计算结果汇总列于表（7-1）表（7-1）项目符号单位数值备注塔径Dm1板间距m0.45溢流形式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速m/s1.562堰长m0.7堰高m0.05板上液层高度m0.01降液管底隙高m0.025浮阀数N66等腰三角形叉排阀孔气速m/s11.58浮阀动能因子10.97临界阀孔气速m/s16.47孔心距tm0.075同一横排孔心距排间距m0.065相邻横排中心距离单板压降Pa700液体在降液管内停留时间s精：42.5提：25.7降液管内清液层高度m0.1297泛点率%49.2开孔率%10.03物沫夹带控制操作弹性1.79第八章 各接管尺寸的确定8.1 进料管原料液密度进料体积流量：取适宜输送速度2.0m/s，故经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64）规格：452mm实际管内流速：8.2 釜残液出料管釜残液密度 釜残液体积流量：取适宜输送速度,故经圆整选取热轧无缝钢管规格：452mm实际管内流速：8.3 回流液管 回流液体体积流量： 利用液体重力回流，取适宜速度，那么 经圆整