作业乙醇-水精馏塔课程设计浮阀塔.doc

目录设计任务书 4第一章 前言 5第二章 精馏塔过程的确定 5第三章 精馏塔设计物料计算 5 3.1水和乙醇有关物性数据 6 3.2 塔的物料衡算 6 3.2.1料液及塔顶、塔底产品及含乙醇摩尔分率 7 3.2.2平均分子量 8 3.2.3物料衡算 8 3.3塔板数的确定 8 3.3.1理论塔板数的求取 8 3.3.2求理论塔板数 9 3.4塔的工艺条件及物性数据计算 11 3.4.1操作压强 12 3.4.2温度 12 3.4.3平均分子量 12 3.4.4平均密度 13 3.4.5液体表面张力 13 3.4.6液体粘度 14 3.4.7精馏段气液负荷计算 14第四章 精馏塔设计工艺计算 15 4.1塔径 15 4.2精馏塔的有效高度计算 16 4.3溢流装置 16 4.3.1堰长 16 4.3.2出口堰高 164.3.3降液管的宽度与降液管的面积 16 4.3.4降液管底隙高度 17 4.4塔板布置及浮阀数目排列 17 4.5塔板流体力学校核 18 4.5.1气相通过浮塔板的压力降 18 4.5.2淹塔 18 4.6雾沫夹带 18 4.7塔板负荷性能图 16 4.7.1雾沫夹带线 17 4.7.2液泛线 17 4.7.3液相负荷上限线 18 4.7.4漏液线（气相负荷下限线） 18 4.7.5液相负荷下限线 18 4.8塔板负荷性能图 19第五章 接头管设计 20设计计算结果总表 20符号说明 21关键词 22参考文献 22课程设计心得 23附录 24 附录一、水在不同温度下的黏度 24 附录二、饱和水蒸气表 24 附录三、乙醇在不同温度下的密度 25 附录四、化工小软件计算的塔相关参数 26 附录五、换热器的设计以及结构参数 27注：所有计算的相关物性数据均是用aspen property 在物性方法为NRTL下模拟。精馏塔设计任务书一、设计题目乙醇水溶液连续精馏塔设计二、设计条件（1）处理量：120000（吨/年）（2）料液浓度：20（wt%）（3）产品浓度：塔顶乙醇含量不低于95%塔底乙醇含量不高于0.2%（4）每年实际生产时间：7200小时/年（5）操作条件： 精馏塔塔顶压力 常压 进料热状态 自选 回流比 自选 加热蒸汽压力 常压蒸汽 单板压降 0.7kPa乙醇-水平衡数据自查(6)设备类型为浮阀塔三、设计任务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、查找物性参数（见附件）乙醇水溶液连续精馏塔优化设计第一章 前 言 乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。 要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。 浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操作弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造价低。浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。第二章 精馏流程的确定 乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。其中工艺流程图见图。其中精馏塔选用F1型重阀浮阀塔。 图2-1乙醇-水精馏塔工艺流程简图第三章 精馏塔设计物料计算在常压连续浮阀精馏塔中精馏乙醇水溶液，要求料液浓度为30%，产品浓度为95%，易挥发组分回收率99.9%。年生产能力120000吨/年操作条件：间接蒸汽加热 塔顶压强：1atm（绝对压强） 进料热状况：常温进料3.1查阅文献，整理有关物性数据水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质量密度20沸 点101.33kPa比热容(20)Kg/(kg.)黏度(20)mPa.s导热系数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.8常压下乙醇和水的气液平衡数据，见附件3.2 塔的物料衡算3.2.1料液及塔顶、塔底产品及含乙醇摩尔分率 0.089 0.881 0.000783.2.2平均分子量 =20.49 42.668 =18.003.2.3物料衡算 总物料衡算 易挥发组分的物料衡算 联立以上二式得 3.3塔板数的确定3.3.1理论塔板数的求取 （1）根据乙醇水气液平衡表 （2）求取最小回流比Rmin和操作回流比R 因为乙醇水不是理想体系，当操作线与q线的交点尚未落到平衡线上之前，操作线已经于平衡线相切，如图2-2点所示，此时恒浓区出现在g点附近，对应回流比为最小回流比。由点（xD，xD）向平衡线做切线，切线斜率为。 图3-2 Rmin=3.08，由工艺条件决定R=1.6Rmin故取R=4.928由于采用泡点进料，所以q=13.3.2求理论塔板数 回收率 乙醇的回收率为： 水的回收率为： 精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为采用fensk方程求最小理论板层数， 其中t为摄氏度,p为毫米汞柱查附录 得到 乙醇的安托因常数A=8.04494 B=1554.3 C=222.65水的安托因常数A=7.96681 B=1668.21 C=228.0塔顶的温度 t=78.16 ps乙醇=753.11 ps水=328.7943 a1= 2.290529塔底的温度 t=100 ps乙醇= 1689.062 ps水= 759.983 a2= 2.2225进料板的温度 t=87.1 ps乙醇= 1064.198 ps水= 470.5285 a3= 2.261707塔顶和塔底的平均相对挥发度为 =2.57同理可证 =2.27把相关数据代入式中 可以求出最小理论板数为：12精馏段理论板数 提馏段理论板数为 实际塔板数的确定方法一： 全塔效率 根据塔顶、塔底液相组成查图3-6，求得塔平均温度为89.05，该温度下的进料液相平均粘度为： 实际塔板数 精馏段塔板数： 提馏段塔板数： 总塔板数为26层 方法二;在给定回流比和进料量以及规定条件下，用aspen plus 模拟的条件可得其中条件:物性方程：NRTL 进料：140kpa 冷凝：全凝 实际板数：60进料板位置：50（气相进入49层）得实际塔板为60层为能满足精馏馏出产品要求注：相关的具体步骤见附录3.4塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算：3.4.1操作压强 塔顶压强，取每层塔板压降 进料板压强 精馏段平均操作压强3.4.2温度 根据操作压强，依据安托因方程及泡点方程 试差计算得：塔顶，进料板 则精馏段平均温度 3.4.3平均分子量 相平衡方程（1） 塔顶 （2） 进料板 （3） 塔釜 精馏段的平均摩尔质量 提馏段的平均摩尔质量 3.4.4平均密度（1） 液相密度 塔顶： kg/m3 进料板上由进料板液相组成 kg/m3 故精馏段平均液相密度kg/m3塔釜的液相组成为：=951.7 kg/m3 kg/m3（2）气相密度 kg/m3 3.4.5液体表面张力 3.4.6液体粘度 3.4.7精馏段气液负荷计算 m3/s m3/s m3/s 第四章 塔和塔板主要工艺尺寸计算4.1塔径气体负荷系数,由图4-1史密斯关联图,查得，图中的横坐标为 初取板间距离，取板上液层高度故查图4-1可得，故可取安全系数0.7，则 取标准塔径圆整为1.8m 塔截面积为 实际空塔气速为 4.2精馏塔的有效高度计算 精馏段有效高度为 提馏段有效高度为在进料板上设3个人孔，高为0.6m，提馏段设1个人孔，高为0.6m故精馏塔有效高度为38.4+3.6+0.84=45.2m4.3溢流装置 采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，设进口堰4.3.1堰长 取堰长 4.3.2出口堰高和进口堰的高度 由，查图4-1知E为1.01，根据下式计算 故进口堰的高度=4.3.3降液管的宽度与降液管的面积 由查图4-2得 故 m2液体在降液管中停留时间（5s符合要求）4.3.4降液管底隙高度，进口堰的高度= 由于处理量较大，所以设置进口堰取液体通过降液管底隙的流速为0.08m/s则 （0.006m）符合要求。4.3.4降液管底隙进口堰和降液管的水平距离=0.016mm由于塔的操作流量4.4塔板布置及浮阀数目排列 取阀孔动能因子孔速浮阀数取无效区宽度 =0.06m安定区宽度 =0.07m开孔区面积 故 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排取同一横排的孔心距估算排间距 阀孔数变化不大，仍在912之间。 塔板开孔率=4.5塔板流体力学校核4.5.1气相通过浮塔板的压力降 由下式 （1） 干板阻力 （2）液层阻力 取充气系数，有 （3） 液体表面张力所造成的阻力此项可以忽略不计。 故气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高度为： 常板压降 （0.7KPa，符合设计要求）4.5.2淹塔 为了防止淹塔现象发生，要求控制降液管中清液层高度符合下式 其中 已知，按下式计算 板上层液，得 取，板间距，则有 由此可见：，符合要求。4.6雾沫夹带 板上液体流经长度 板上液流面积 水和乙醇可按正常系统取物性系数,又由图4-3查的泛点负荷系数，所以： 由两种方法计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能满足汽的要求。4.7塔板负荷性能图4.7.1雾沫夹带线按式作出。对于一定物性及一定的塔结构，式中均为已知值，相应于的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入上式，便得出，可作出负荷性能图中的雾沫夹带线。按泛点率=80%计算 将上式整理得 （1）在操作范围内，任取几个值，依（1）式算出相应的列于表4-4中。依表中数据在-图中作出雾沫夹带线（1），如图所示。Ls(m3/s)0.0030.00350.0040.0045Vs(m3/s)0.67370.66470.65580.6468 图4-4雾沫夹带线数据 4.7.2液泛线由确定液泛线。忽略项，所以+0.418=+因物系一定，塔板结构尺寸一定，则等均为定值，而与又有如下关系，即 式中阀孔数与孔径d0亦为定值。因此，可将上式简化得 在造作范围内任取若干个值，依上式都可算出一个相应的值列于附表4-5中。依表中数据作出液泛线（2）。Ls(m3/s)0.0020.0030.0040.0045Vs(m3/s)0.7390.7270.710.699 图4-5液泛线数据4.7.3液相负荷上限线取液体在降液管中停留时间则 m3/s4.7.4漏液线（气相负荷下限线）对于型重阀，由，计算得则m3/s4.7.5液相负荷下限线取堰上液层高度，根据计算式取E为1.02 m3/s4.8性塔板负荷能图 图4-4由塔板负荷性能图可以看出（1） 在任务规定的气液负荷下的操作点P（0.004121,3.33）处在适宜操作区内。（2） 塔板的气相负荷上限完全有雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。（3） 按照固定气液比，即气相上限m3/s，气相下限m3/s，则操作弹性第五章 接头管接头管的尺寸由工艺物流的体积，及质量流速决定相关的数据可以从国家的相关标准查询。其计算结果见下表进料管馏出管釜管回流管Temperature C95.567865978.1538796.34645Pressure bar1.41.013251.42625Vapor Frac000Mole Flow kmol/hr16666.6781.58616585.08402.0558Mass Flow kg/hr341867.8123485.961338381.917178.82Volume Flow cum/s0.1091377450.0013470.107890.006639u m/s20.512D m0.2636560020.0585880.3707280.06503设计计算结果总表项目符号数值单位备注平均压强Pm118.11kPa平均温度tm86.215平均流量气相Vs3.33m3/s液相Ls0.004121m3/s实际塔板数N60块板间距HT0.8m塔径D1.8m空塔气速u1.31m/s塔板液流形式单溢流分块式塔板(3)溢流装置溢流管型式弓形降液管堰长lw1.35m堰高hw0.036m溢流堰宽度Wd0.306m管底与受液盘距离ho0.02m板上清液层高度hl0.014m孔径do39mm孔间距t75mm浮阀数n369个等腰三角形叉排开孔面积0.248m2孔速uo7.68m/s塔板压降hp428.70Pa液体在降液管中停留时间t39.52s降液管内清液层高度Hd0.05m气相最大负荷Vs，max12m3/s雾沫夹带控制气相最小负荷Vs，min2m3/s漏液控制操作弹性2.73开孔率12.14%泛点率48%符号说明符号物理量单位F原料液流量kmol/hD塔顶产品流量kmol/hW塔底产品流量kmol/hv混合气体密度kg/m3s混合液体密度kg/m3黏度Pas相对挥发度表面张力N/m2NT理论塔板数NP实际塔板数ET全塔效率C负荷系数Af降液管截面积m2Ab板上液面积m2CF泛点负荷系数1AT塔截面积m2D塔径mhc与干板压降相当m的液柱高度F0阀孔动能因子hp降液管压降mhL板上液层高度mlw堰长mt孔心距mh堰上液层高度mu空塔气速m/sN浮阀总数个Wc无效区宽度mWs安定区宽度mWd弓形降液管宽度mZL板上液流长度m降液管中停留时间s关键词key words连续精馏continuous distillation连续精馏塔continuous distillation column馏出液distillate 残液 residue 精馏 rectification精馏段 rectification section 提馏段 stripping section理论板 theoretical stage实际板 actual stage操作线 operating line塔板效率 plate efficiency总塔效率 column efficiency溢流装置 overflow device参考文献1陈英男、刘玉兰.常用华工单元设备的设计M.上海：华东理工大学出版社，2005、42刘雪暖、汤景凝.化工原理课程设计M.山东：石油大学出版社，2001、53贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002、84路秀林、王者相.塔设备M.北京：化学工业出版社，2004、15王明辉.化工单元过程课程设计M.北京：化学工业出版社，2002、66夏清、陈常贵.化工原理（上册）M.天津：天津大学出版社，2005、17夏清、陈常贵.化工原理（下册）M.天津：天津大学出版社，2005、18化学工程手册编辑委员会.化学工程手册气液传质设备M。北京：化学工业出版社，1989、79刘光启、马连湘.化学化工物性参数手册M.北京：化学工业出版社，200210贺匡国.化工容器及设备简明设计手册M.北京：化学工业出版社，2002课程设计心得通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。虽然很累很辛苦，期间也有许多的困难和障碍，在老师和同学的帮助下，问题得到了解决及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 说实话，课程设计真的有点累然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这几周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消虽然这是我刚学会走完的第一步，