春 化工原理课程设计.doc

袁陈春 筛板式连续精馏塔设计任务书一 设计题目 筛板式连续精馏塔设计二 工艺条件生产能力：50000吨/年（料液）年工作日：300天原料组成：28%乙醇，72%水（质量分率，下同）产品组成：馏出液 96%乙醇，釜液0.2%乙醇操作压力：塔顶压强为常压进料温度：泡点进料状况：泡点加热方式：直接蒸汽加热回流比： 自选三 设计要求编写一份设计说明书，主要内容包括：1. 封面：课程设计题目、学生班级及姓名、指导教师、时间（打印）2. 目录（打印）3. 设计任务书（打印）4. 设计方法和步骤（1） 工艺参数的确定基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，塔板数等（2） 主要设备的工艺尺寸计算板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等（3） 流体力学计算及有关水力性质的校核（4） 主要附属设备设计计算及选型5. 绘制精馏塔的设备工艺条件图（打印）6. 列出板式塔主要结构尺寸和计算结果表7. 设计评述：主要介绍设计者对本设计的评价及设计的体会8. 参考文献9. 主要符号说明1设计方法和步骤1.1 设计方案的确定本设计任务为分离乙醇-水混合物，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料通过预热器加热到泡点后送入精馏塔里。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塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物性属易分离物，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用直接蒸气加热，塔底产品冷却后送至储罐。1.2 精馏塔的物料衡算原料及塔顶、塔底的摩尔分率原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率：F：原料液流量（kmol/s） xF：原料组成（摩尔分数，下同） D：塔顶产品流量（kmol/s） xD：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s） xW：塔底组成表1 乙醇和水的物理性质项目分子式分子量沸点()乙醇46.0778.35水18.02100乙醇（）：A46.07g/mol 水（）：B18.02g/molxF = ， xD = xW =原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量F =MD= MW=物料衡算原料处理量进料量： kmol/h总物料衡算F=D+W 乙醇料衡算xFF=xDD+xWW联立解得：46.46kmol/h273.26kmol/h1.3 基础数据的查取与估算1.3.1 由手册查得乙醇-水物系平衡数据表2 乙醇、水混合液的汽液平衡数据温度液相气相温度液相气相温度液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.85897.2138.9181.532.73596078.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.65612278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99温度：利用上表中数据有拉格朗插值法可求：、精馏段平均温度、提馏段平均温度： ： = 83.38 ： = 78.13 ： = 99.33精馏段平均温度：提馏段平均温度： 1.3.2 求最小回流比及操作回流比。yq = 0.4050 xq =0.1320操作回流比1.5min = 1.51.827 =2.741.3.3 求精馏塔的气、液相负荷1.70346.46=49.85kmol/h（+）(2.74+1)46.36=125.6 kmol/h+49.85+319.7=369.6kmol/h125.6 kmol/h1.3.4 求操作线方程精馏段：提馏段：1.3.5 乙醇与水的x-y曲线图 1.3.6 气、液相组成的计算；精馏段： 液相组成x1： x1 = 39.13%=xA气相组成y1： y1 = 61.09% =yA提馏段 液相组成x2： x2 = 0.055=xA气相组成y2： y2 =0.3183=yA1.3.7 相对挥发度精馏段挥发度：由xA=0.3913，yA=0.6109得xB= 0.6087%，yB=0.3891%提馏段挥发度：由xA=0.055，yA=0.3183得xB= 0.0.945，yB=0.68178.021.3.8 粘度：精馏段：，查表得：；提留段：，查表得：；精馏段粘度：提留段粘度：1.4 理论板数的确定-捷算法 使用捷算法来计算理论塔板数 全塔： 解得：精馏段最少理论板数： 精馏段实际板数 ：已知：， ，故11块 提馏段实际板数：已知：，故8块。全塔所需实际塔板数：全塔效率：加料板位置在第11块板。2 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算操作压力计算塔顶操作压力pD= 101.3 KPa 每层塔板压降p =0.7KPa进料板压力pF = 101.3+0.710=108.3 kPa 精馏段平均压力pm=(pF+pD)/2 =104.8kPa操作温度计算利用表中数据由拉格朗日插值可求得、 ： = 83.88 ： = 78.13 ： = 99.33精馏段平均温度：提馏段平均温度： 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由xD = yD = 0.8597 查平衡曲线，得x1 = 0.782 MVDm =xDMA+(1-xD)MB =0.859746.07 +（1-0.8597）18.02 =44.16 g / mol MLDm = x1MA+(1-x1)MB =0.78246.07 + (1-0.782)18.02 = 39.96 g / mol进料板平均摩尔质量计算已知：yF = 0.420 查平衡曲线，得xF = 0.101MVFm = yFMA+(1-yF)MB = 29.80 g / molMLFm = xFMA+(1-xF)MB = 20.85 g / mol精馏段平均摩尔质量MVm = (MVDm + MVFm) / 2 =36.98 g / molMLm = (MLDm + MLFm) / 2 = 20.85 g / mol平均密度计算气相平均密度计算由理想气体方程计算，V m= = 液相平均密度计算 为最终所得产品（塔顶、塔底）的摩尔分率塔顶液相平均密度计算：由tD =78.17 ，查手册得:A= 737.29 kgm3，B =970.12kgm3故：进料板液相平均密度计算:由tF = 87.41 ，查手册得：A= B =进料液相的质量分率计算:精馏段液相平均密度为:808.63表3不同温度下乙醇与水的密度温 度T/70754.2977.875744.3974.080735971.885730968.690724965.395720961.85100716958.4液体平均表面张力计算表4液体的表面加力(单位:mN/m)温度/708090100乙醇表面张力/10-3N/m31817.1516.215.2水表面张力/10-3N/m364.362.660.758.8液相平均张力依右式计算，即：塔顶液相平均表面张力:由tD = 78.17，查手册得:=17.37 mN /m ， = 63.05 mN/m进料液相平均表面张力 (xF进料液。由平衡曲线查得的数值！不是原料)由tF = 87.41，查手册得= 16.52 mN /m，= 61.31mN /m精馏段液相平均表面张力:3 精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.1 塔径计算精馏段的气、液相体积流率: ， 由 ，式中C由右式：计算。取板间距H T = 0.4m ，板上液层高度h L =0.06m ,则有：H T h L =0.34m 查图到，C200.072 取安全系数为0.7，则空塔气速为 = 0.72.0311.422m / s 按标准塔径圆整后 D0.80 m塔截面积为 实际空塔气速为 3.2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一入孔，其高度为 1.2m,故精馏塔的有效高度为3.3 溢流装置计算因塔径 0.8m ，可选用单溢流降液管降液管，采用凹形槽受液盘，计算如下：3.3.1 堰长，取 = 0.66D=0.660.80.528 m3.3.2 溢流堰高度，由，先用平直堰，堰上液层高度，近似取,则0.0027 m3,3,3 降液管宽度d和截面积 由，查图得，故 f =0.0722AT = 0.0361 Wd = 0.171 m 验算液体在降液管中停留时间，即(设计合理)凹形受液槽深度3.4塔板布置因0.8m800mm，故塔板采用分块式，分为块 边缘区宽度确定取开孔面积：筛板计算及其排列物料无腐蚀性，选碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目：开孔率：73.5 筛板流体力学验算 塔板压降 干板阻力计算，由气体通过液层的阻力计算阻力 液体表面张力的阻力计算表面阻力液柱气体通过每层塔板的液柱高度液柱气体通过每层塔板的压降符合要求 液沫夹带夹带量 漏液对筛板塔，漏液点气速实际孔速稳定系数为：液泛为防止液泛，降液管内液层应服从3.6 塔板负荷性能图3.6.1 漏液线由得：整理得：在操作范围内，任取几个s，依上式计算出s值，计算结果：表5 漏液线Ls-Vs记录表s0.00060.01000.01400.0200s0.17190.17210.17220.1724作出漏液线3.6.2 液沫夹带线以代入得：在操作范围内，任取几个s值，计算出s值，计算结果列于下表：表6液沫夹带线LsVs记录表s0.00060.01000.01400.0200s0.64450.49720.39410.2563作出液沫夹带线3.6.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度，作为最上负荷标准。取1，则有：作出垂直液相负荷下限线。3.6.4 液相负荷上限线以作为液体停留时间的下限。作与s无关的液相负荷上限线3.6.5液泛线故：故：取在操作范围内，任取几个s值，计算出s值，列于下表：表7液泛线LsVs记录表s0.00060.01000.01400.0170s5.37503.65242.51380.7175作出液泛线3.6.6 塔板负荷性能图作出操作线，可得该筛板的操作上限为液沫夹带线，下限为漏液线。由图可得气相负荷上限=0.01361,气相负荷下限=0.00056操作弹性=0.01361/0.00056=0.6444 塔附件设计-附属设备设计计算及选型4.1 管的确定进料管，取进料液密度故：查标准系列，选择，热轧无缝钢管（GB 8163-87） 回流管选择直管回流取查标准系列，选择，热轧无缝钢管(GB 8163-87) 塔釜出料管取，直管出料查标准系列，选择，热轧无缝钢管(GB 8163-87) 塔顶蒸气出料管直管进料，出口气速取 查标准系列，选择，热轧无缝钢管(GB 8163-87) 塔釜进气管采用直管，取气速查标准系列，选择，热轧无缝钢管(GB 8163-87)4.2 封头计算取椭圆形封头，由于公称直径查得曲面高度内表面积：选：4.3 裙座计算塔壁：4.4 腐蚀余量取18mm ，裙高取3m ,地角螺栓直径取M304.5 塔体总高度4.6 人孔大小开孔数量：n = 8个，分别是：进料口2个、精馏段1个、提留段1个、裙座2个、塔顶1个、塔釜1个. 直径5 筛板式连续精馏塔的设备工艺条件图6 精馏塔主要结构尺寸和计算结果表1平均温度80.7617边缘区宽度0.042平均压力104.818开孔区面积0.213气相流量0.22519筛孔直径0.0054液相流量，0.00013920筛孔数目10785实际塔板数1921孔中心矩0.0156有效段高度7.622开孔率10.17塔径0.823空塔气速，1.4228板间距0.424筛孔气速，10.619溢流形式单溢流25稳定系数1.7710浆液管形式弓形26每层塔板压降，0.452211堰长0.52827负荷上限液泛控制12堰高0.057328负荷下限漏夜控制13板上液层高度 0.0629液沫夹带0.0389414堰上液层高度 0.002730气相负荷上限0.0136115降液管底隙高度0.045531气相负荷下限0.0005616安定区宽度0.0632操作弹性0.6447 设计评述本次的课程设计的内容是分离乙醇水物系的连续精馏筛板塔的设计。在这次的课程设计，通过物料衡算，工艺计算，热量衡算，校核和结构设计等一系列工作，基本上完成了设计任务，也让我明白了怎么应用所学的化工原理知识，结合我们所掌握的其他学科相关的知识、计算机技术、参照相关的书籍文献等去解决实际的设计问题。在这过程中，我掌握了更多的检索查询资料的方法，查阅能力得到了很大的锻炼，并且在本次课程设计过程中，不断的发现问题解决问题，使我能够更加熟练的运用这些知识与技能。这些经验的积累可以说是对课堂学习的巩固和拓展，也是一次宝贵的经验积累。通过本次的课程设计，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。化工原理是综合性和实验性较强的学科，并学会了有效地将理论和实践联系起来,在复杂的实际工程中通过融会贯通的独立思考,综合分析设计任务要求,大胆假设,细心核算,从而确定化工工艺流程,进行设备选型,有效地完成分配任务.当然，在课程设计处理过程中也遇到了一些问题，如一些物性参数的设定以及设计设备图上遇到的问题等，但通过及时的向老师反馈，并在老师的耐心、细致的指导下，使我在课程设计的数据处理、资料查询、工艺制图等方面得以比较顺利的进行，并最终在规定的时间内完成了课程设计任务。8 符号说明Aa- 塔板的开孔区面积，m2hW-进口堰高度 m Af- 降液管的截面积, m2V-气相Ao- 筛孔区面积, m2h-与克服表面张力的压降相当的液注高度 mAT-塔的截面积 m2 H-板式塔高度 mPP-气体通过每层筛板的压降HB-塔底空间高度 mC-负荷因子 无因次 Hd-降液管内清液层高度 mt-筛孔的中心距HD-塔顶空间高度 mC20-表面张力为20mN/m的负荷因子HF-进料板处塔板间距 mdo-筛孔直径 HP-人孔处塔板间距 muo-液体通过降液管底隙的速度HT-塔板间距 mD-塔径 m H1-封头高度 mWc-边缘无效区宽度H2-裙座高度 mev-液沫夹带量 kg液/kg气 K-稳定系数Wd-弓形降液管的宽度lW-堰长 mET-总板效率 Lh-液体体积流量 m3/hWs-破沫区宽度Ls-液体体积流量 m3/sR-回流比n-筛孔数目Rmin-最小回流比P-操作压力 KPaM-平均摩尔质量 kg/kmolP-压力降 KPatm-平均温度 ho-降液管的义底隙高度 m g-重力加速度 9.81m/s2 -理论板层数min-最小的u-空塔气速 m/sFo-筛孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2)u0,min-漏夜点气速 m/shl-进口堰与降液管间的水平距离 m L-液相-液体在降液管内停留时间Vh-气体体积流量 m3/hhc-与干板压降相当的液柱高