化工原理课程设计-酒精连续精馏板式塔设计

2第一章化工原理课程设计任务书4一题目酒精连续精馏板式塔的设计4二原始数据4三任务4四作业份量4第二章设计方案5一概述5二设计要求5三设计方案的确定5四设计方案的确定6第三章设计计算与论证7第一节工艺条件和物性参数计算7一将质量分数转换成摩尔分数7二物料衡算7三理论塔板数NT的求取（图解法）73）提馏段方程9四全塔效率ET9五实际塔板数10六塔的工艺条件以物料数据计算10第二节塔的主要工艺尺寸计算14一塔径D14二溢流装置15三塔板步置及浮阀数目与排列16第三节塔板的流体力学验算19一阻力计算19二淹塔较核（液泛较核）20三雾沫夹带较核21第四节塔板性能负荷图22一精馏段221雾沫夹带线222液泛线233液相负荷上限线244液相负荷下限线245漏液线256作出负荷性能图25第五节主要接管尺寸计算26一进料管26二回流管27三釜液出口管27化工原理课程设计四塔顶蒸汽管27五加热蒸汽管（再沸器返塔蒸汽管）28第六节塔的辅助设备28一塔顶全凝器28二再沸器29三塔顶冷却器29四塔釜残液冷凝器30五进料预热器30六全凝器校核31第七节塔的总体结构32一塔壁厚32二塔的封头确定32三塔高32四塔的支座33第四章设计结果汇总34一基本数据34二塔体概况34第五章设计感想35参考文献364第一章化工原理课程设计任务书一题目酒精连续精馏板式塔的设计二原始数据1、乙醇水混合物，含乙醇36（质量），温度332、产品馏出液含乙醇91（质量），温度39按间接蒸汽加热计3、塔底出料塔底液含乙醇003（质量）4、生产能力日产酒精（指馏出液）12000KG5、热源条件加热蒸汽为饱和蒸汽，其绝对压强为0255MPA。三任务1、确定精馏的流程，绘出流程图，标明所需的设备、管线及其有关观测或控制所必需的仪表和装置。2、精馏塔的工艺设计和结构设计选定塔板型，确定塔径、塔高及进料板的位置；选择塔板的结构型式、确定塔板的结构尺寸；进行塔板流体力学的计算（包括塔板压降、塔的校核及雾沫夹带量的校核等）。3、作出塔的操作性能图、计算其操作弹性。4、确定与塔身相连的各种管路的直径。5、计算全塔装置所用蒸汽量和冷却水用量，确定每个换热器的传热面积并进行选型，若采用直接蒸汽加热，需确定蒸汽鼓泡管的形式和尺寸。6、其它。四作业份量1、设计说明书一份，其中设计说明结果概要一项具体内容包括塔板数、塔高、塔径、板间距、回流比、蒸汽上升速度、热交换面积、单位产品热交换面积、蒸汽用量、单位产品蒸汽用量、冷却水用量、单位产品冷却水用量、操作压强、附属设备的规格、型号及数量等。2、（1）设计说明书电子版及打印版，草稿各一份，若为手写版只交纸质版一份；（2）塔装配图（1号图纸）电子版及打印版1份化工原理课程设计第二章设计方案一概述蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般来说，当总压增大时，平衡时气相浓度和液相浓度接近，对分离不利，但对常压下为气体的混合物，可采用加压精馏；沸点高又是热敏性的混合物，可采用减压精馏。酒精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。对于酒精水的体系通常使用常压精馏，但由于体系有共沸现象存在，因此，改善酒精水体系的精馏设备十分重要。二设计要求设计浮阀塔时应主要满足以下几个方面1）生产能力。生产能力要尽可能大，在单位塔径上，气体和液体的通过量大。2）分离效率。分离效率要高。效率高，所需板数就少，塔高相对就低，对于难分离体系的物质尤为重要。3）操作稳定性与操作弹性。操作弹性好意味着塔对气液负荷变化的适应性大，操作稳定是对塔的最基本要求。4）压力降。要使气体通过塔板的压力降小，可使操作费用降低，减少能耗；另一方面处理热敏物系时常采用减压蒸馏，压力降小对减压蒸馏尤为重要。5）结构、制造和造价。结构简单、制造容易和造价低是降低设备前期投入成本和后期维修成本所应考虑的。塔板是板式塔的核心部件，它决定了整个塔的基本性能。由于气液两相的传质过程是在塔板上进行的，为有效实现两相间的传质与分离，要求塔板具有以下两个作用能提供良好的气液接触条件，使气液既有较大的接触表面，又能使气液接触1表面不断更新，从而提高传质速率。防止气液短路，减少气液夹带和返混，以获得最大2的传质推动力。三设计方案的确定1塔型选用重型浮阀塔本次课程设计的塔板为浮阀塔。目前国内最常用的浮阀型式为F1型和V4型。本次设计所使用到的浮阀塔型号为F1型重阀。浮阀塔是20世纪50年代初期发展起来的一种传质没备。由于它生产能力大、结构简单、板效率高、操作弹作大等优点而得到广泛使用。F1型浮阀也称为V1型浮阀，其标准孔径为39MM，阀片有三条腿，插人阀孔后将各腿底脚板转90用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度85MM。塔板开有若干孔，每个孔装有一个可以上下浮动的阀片。阀片周边有冲出三块略向下弯的定距片。当气速低时，靠这三个定距片使阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，阀片与塔板始终保持25MM的开度以便气体均匀流过，避免阀片启闭不匀的脉动。2操作压力常压精馏6对酒精水物系来说，可以采用常压精馏，不需要采用加压或真空操作。3进料状态泡点进料泡点进料的操作容易控制，而且不受季节的影响；另外泡点进料时精馏段和提馏段塔径相同，设计和控制比较方便。4加热方式采用间接加热法加热采用中间再沸器，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。5回流方式泡点回流泡点回流易于控制，设计和控制时比较方便，而且可以节约能源。四设计方案的确定图1工艺流程图化工原理课程设计第三章设计计算与论证第一节工艺条件和物性参数计算一将质量分数转换成摩尔分数取酒精分子量为46G/MOL，水分子量为18G/MOL，故XF1810，XD7982，XW00117二物料衡算1摩尔流量由11WDFXX和12得0910310723KMOL/H46284联立方程可得每小时馏出液的摩尔流量F473115KMOL/HD10723KMOL/HW365885KMOL/H2平均分子量46018108236/79245071/FDWMKGMOLL）3）质量流量F03032KG/SD01202KG/SW01830KG/S三理论塔板数NT的求取（图解法）1）最小回流比做与平衡线相切的切线，得到操作线在纵坐标上的截距0370，则故0371DMXR57MR805105205305405056057058059051052053054050560570580590YMOLXMOL图2求最小回流比示意图图3求塔板数示意图化工原理课程设计2）精馏段方程取MINR1515736则精馏段方程为13029DXYX3）提馏段方程17631865/LRKMOLH02793V因为Q1所以938/KOLH654716592/LFKMOLH则提馏段方程为（14）47016WXLY4）使用图解法求的得理论塔板数为NT14113块，精馏段22块，提留段3块。四全塔效率ET查化工原理实验P160酒精水混合液在常压下的气液平衡数据表得塔顶，温度7982DXDY183DT784C塔底，温度01W0W96W则4692DMT查板式精馏塔设计P133附录2液体粘度表得MPAS，MPAS0L乙醇30水MPASL184018320MFXX乙醇水水（）相对挥发度，（15）Y391XD236W故（16074DW6）则计算全塔效率如下（1024502459913671TE107）五实际塔板数实际塔板数为块（11390675TPNE8）精馏段提馏段1精3406751N提所以实际板数为19块，精馏段为15块，进料板为第16块，提馏段为4块。六塔的工艺条件以物料数据计算1、操作压强PM因为常压下乙醇水是液态混合物，其沸点较低（小于100），故采用常压精馏就可以分离。塔顶压强，取每层压强降为P05KPA10325DPKA塔底压强10325901825WNKPA进料板压强FD精全塔平均操作压强MP6722W精馏段平均操作压强10853104825FD提馏段平均操作压强M9W2、温度查TXY图可得塔顶TD784，塔釜TW9996，进料TF8442全塔平均温度78496182DWMT精馏段平均温度24FTT提馏段平均温度849612FWMT3、平均分子量（1）塔顶当Y17982，查乙醇水平衡数据表得X18183化工原理课程设计079824610798214035/VDMKGMOL39L（2）塔釜，查XY图可得017,WX013WY46178/VMKGMOL34LW（3）进料板当查XY图可得180FX521,FY524614839/VIMKGMOL007LO（4）精馏段平均分子量4352964/2VDIKGOL精017LOMM精（5）提馏段平均分子量325983250/VIWKGOL提0714/2LOML提4、平均密度液相密度M由流体力学与传热附录二和P252有机液体相对密度共线图可得水和乙醇在不同温度下的相对密度。（设A为乙醇，B为水）（1）塔顶3091,746/732DABLDLKGM（2）进料板3164,815/19FABLFL（3）塔釜12310397,589/61WABLWLKGM（4）精馏段平均液相密度3LFD80415/2LMKG精）（5）提馏段平均液相密度3FLW9/LM提）气相密度（1）塔顶3M10325419/RT878DVPKGM（2）进料板3/314254FVK（3）塔釜3M083062/RT79WVBPKGM（4）精馏段平均气相密度VM3145714/8328VMK精）精）精）精（5）提馏段平均气相密度VM3M09095/RT14751VMPKGM提）提）提）提5、液体表面张力由流体力学与传热附录二和P254有机液体的表面张力共线图可得水和乙醇在不同温度下的表面张力。且MIX7840DT96WT842FT水636MN/M594MN/M623MN/M乙醇172MN/M155MN/M161MN/M塔顶1720986310798265M/N顶（）化工原理课程设计进料板16086231085394M/N进（）塔底5759417/底（）精馏段02M/N顶进精提馏段567/进底提6、液体粘度由流体力学与传热附录二和P257液体粘度共线图可得水和乙醇在不同温度下的粘度。且LMIX79,82DTC96WTC842DTC水03623MPAS02868MPAS03476MPAS乙醇046MPAS034MPAS045MPASMPAS07982461079823604LDMPAS155FMPAS3826LW7气液相负荷量精馏段17602165/739/RDKMOLHVL（19）93848/SGVMQ精精3165021M/30843LL精精提馏段F7659KOL/HV29KOL/H33802/S6015GVMQ提/S01VLMQL提提第二节塔的主要工艺尺寸计算一塔径D由传热传质过程设备设计P180182可知，适宜的空塔气速与最大气速和所取的安全系数有关，故先确定空塔气速。MAXUK1、精馏段（1）（205052184326LVGQ精精1）（2）根据传热传质过程设备设计P180182可初选板间距是035M，板上液层厚TH度是005M，则035005030MLHTHLH（3）根据史密斯关联图，得206C（22）0224569C精（4）空塔气速（2MAX801346985/LVUMS精精精3）MAXU07（06），所以取安全系数为AXU718579/S2、提馏段（1）（24）0505231LVGQ提提（2）根据传热传质过程设备设计P180182可初选板间距是035M，板上液层厚TH度是005M，则03005030MLHTHLH（3）根据史密斯关联图，得206C化工原理课程设计0202256739C提（4）空塔气速MAX1526/0LVUMS提提提,安全数字取07MAXU（068）AXU7239617/S将精馏段与提馏段的空塔气速相比，选取较小的即精馏段空塔气速来计算塔径。3、塔径D（2402843179VGQMU5）按标准塔径圆整为D06M，可见这里的D和的关系与传热传质过程设备设计THP183表43经验关系相符。校正实际空塔气速22408713/316VGQUMS则塔的截面积为228705AT二溢流装置由于塔径小于22M，所以选用单溢流弓形降液管，不设进口堰。1堰长WL对于单溢流，一般取堰长LW为（0608）D故取LW06D，则有063MWL校核液体在降液管中的停留时间。由，弓形降液管宽度和面积用传热传质过程设备设计P192图4DLDWFA19求取。查图得,054TFA1D该值与表45查得的值相一致，所以2028715FTM验算液体在降液管中的停留时间，由传热传质过程设备设计P192式414得16（201527354FTVLAHSQ6）故降液管尺寸符合要求。2出口堰高HW由传热传质过程设备设计P190式411可知WLOH前面已设定，采用平直堰，堰上液层高度可依传热传质过程设备设计L05MOP190式412计算，即321084WVLOWLQEH因为及，所以由60DLW32675/VLQMH252507693VLWQL传热传质过程设备设计P190图416查得E1035，代入上式得（222338484015481006VLOWWHEL7）则有（2548251WLOHM8）取046M3降液管底隙高度0H取液体通过降液管底隙时的流速，由传热传质过程设备设计P192式407U15得021833607VLWQHLU（29）故取，比溢流堰高度低6MM以上，符合降液管的液封要求。08M三塔板步置及浮阀数目与排列1阀孔数由传热传质过程设备设计P194式418可知。取F010,已知F10VMFU化工原理课程设计型重阀的阀孔直径,则039DM精馏段01186/4VFUS精每层塔板上的浮阀数2201Q01452398VGNDU提馏段0245/9VFUMS提每层塔板上的浮阀数220Q03180593194VGNDU2塔板布置（1）已知，所以1DWDMDD6取边缘区宽度MC04两边安定区宽度由于，所以SW07，615MS065（2）浮阀排列方式采用等边三角形叉排由传热传质过程设备设计P195式422计算鼓泡区面积；。DSDXW2CDRMS175050R643开孔区面积（222021670ARCSIN8MRXXRAP10）精馏段阀孔总面积（2202056819VGQU精11）则阀孔中心距（207071D3934256PATM12）提馏段阀孔总面积20253014VGQU提18则阀孔中心距097D104PATM实际孔布置如下图4精馏段塔孔布置图图5提馏段塔孔布置图3验算气速及阀孔动能因数及开孔率由实际浮阀个数可知，实际阀孔中气体速度为精馏段01386921/UMS化工原理课程设计（201921346109VFU精13）提馏段025/MS0214091VFU提阀孔动能因数变化仍在范围内，因此阀孔数符合要求。22KGS精馏段塔板开孔率为0180U提馏段塔板开孔率为29均在1015之间，符合要求。第三节塔板的流体力学验算一阻力计算由传热传质过程设备设计P196式424计算塔板压力降，即（31）PCLH（1）干板阻力由传热传质过程设备设计P197式427可知临界孔速。1825073CVMU精馏段11825825001739/46CVMUMSU阀全开由传热传质过程设备设计P196式426得（3220134691537570389805VMCLUHG精）（精）2）提馏段11825825002737/09CVMUMSU20阀未全开由传热传质过程设备设计P196式425得017501752639962CLUHM提（2）板上充气液层阻力由于乙醇水系统里，液相是水，故取。由传热传质过程设备设计P19705式428得MHLL2500（3）液体表面张力所造成的阻力浮阀塔的值通常很小，忽略不计。H（4）单板压降由于忽略不计，因此与气体流经一层浮阀塔板的压力降所相当的液柱高度为H精馏段（33）0389250639PCLHM（34）64184LPGPA精提馏段PCL0589252LH提二淹塔较核（液泛较核）为了防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层高度，由传热传质过程设备设计P197式430计算清液层高度PDLDHH由于本塔不设进口堰，故由传热传质过程设备设计P198式431计算液体通过降液管的压头损失DH（1）、精馏段（322001531530756683VLDWQMLH5）又板上液层高度LM化工原理课程设计0639507614MPDLDHH（2）、提馏段2203153153093068VLDWQHLH又板上液层高度LM5829301MDPDLH前已选定，则由传热传质过程设备设计P1984,04,30取且HWT式433可知51576DTH及符合防止液泛的要求。三雾沫夹带较核对乙醇水系统可按传热传质过程设备设计P199表47查得乙醇水为正常系统，取K10。板上液流面积250172802MAFTA板上液体流径高度WDZDL486由传热传质过程设备设计P199式434和式435可知1360GVVLLFAQQKCA泛点率1078GVLFT泛点率1、精馏段由传热传质过程设备设计P199图425查得为0098，安全起见取FC01。134603902148850578泛点率2213460398506428727泛点率2、提馏段由传热传质过程设备设计P199图425查得为009。安全起见取FC01。09154736041820314泛点率078157泛点率均小于70，符合要求，故可知雾沫夹带量可满足E2021PHGESMGK故选取12个BN2支座。2支座处塔所受的弯矩ML校核26185QKN30426390LSKMA根据厚度为5MM，P1279628N,查得32KN/M，故满足要求。LLM第四章设计结果汇总一基本数据相关参数塔顶进料板塔釜液相浓度摩尔分率07982018100000117温度784084429996气相密度（KG/M3）1455123106898液相密度（KG/M3）741187229589液体表面张力（MN/M）237154775939气相平均分子量MV4207321018007液相平均分子量ML4035024681803相关参数精馏段提溜段液相平均密度（KG/M3）8066591555气相平均密度（KG/M3）13540960液相平均流量（M3/S）0000330000525气相平均流量（M3/S）0309402947液体平均表面张力（MN/M）39245608二塔体概况项目精馏段提溜段塔板数N19化工原理课程设计塔径D（M）06板间距HT（M）035塔高H（M）1155回流比R1732操作压强常压空塔气速U（M/S）117215989堰长LW（M）036出口堰高HW（M）004350041板上液层高度HLM005005降液管底隙高度H00013100131浮阀孔数N（个）3425阀孔气速U0（M/S）859410206阀孔动能因数1069100排间距（M）007872008789开孔率（）12761103降液管内清液高度（M）0114301098单板压降（PA）5048652003液体停留时间（S）1782泛点率（）64364844液相负荷下限（LS）MIN（M3/S）0178501755液相负荷上限（LS）MIN（M3/S）00013360001336漏液线VSMIN（M3/S）000028900002875雾沫夹带线VSMAX（M3/S）0430605449操作弹性1319322484冷却水用量（KG/S）15830饱和蒸汽用量（KG/S）02343附属设备型号的选择进料预热器1个15159602BEM塔釜产品冷却器1个3275塔釜再沸器1个3160812BE塔顶全凝器1个2545M36塔顶产品冷却器1个32731608125BEM主要接管尺寸进料管5M回流管23釜液出口管8加热蒸汽管196塔顶蒸汽管第五章设计感想初步完成课程设计后的感想就是，果然要认真完整的做好一件事，十分不易虽然本学期的课程设计只有两周时间，少了原本应该用三周完成设计的一些设备设计内容，但是，我仍然觉得任务不轻，如果不能合理的安排时间合理的利用，真的不能在给定时间内很好的完成板式精馏塔的设计。而在这两周时间内，我也学到了很多，收获了很多。从计算到塔节图、流程图等的绘制，每一步都是相互联系相互支持的，每一个流程都需要认真的对待，不仅在计算时需要特别用心，根据不同的塔径、液量、温度设计不同用到的设备尺寸、零件型号，虽然数据并不繁复，但是想要最后得到一个真正符合实际生产，能够在实际运用中发挥最大能效的设备，还是需要极大的计算及验证的。这考察了同学们是否谨慎、细心、负责，只有用认真的态度，毫不含糊的完成每一步计算，每一次检验，最后得到的数字才是最接近真理的数字。课程设计与化工原理课有本质上的不同，在课堂上老师着重告诉我们热力学原理及设备原理，而课程设计完全是与真实设备数据打交道，我们面对的不再是简单的精馏方程或提馏线，而是更加复杂的设备数据公式。从中，我可以看到，就算是一个经典的理论系统，要想在实际生产中运用，还需要想象不到巨大的人力脑力与智慧，将简单的理论与实际联系在一起。做每一件事都是如此，道理人人都懂，但是真实运用又如何呢这不免要谈到本次课程设计的重头戏画图，我们在大一的时候应该初步学会了使用AUTOCAD软件画简单的二、三维图像，但是却是第一次自己根据尺寸设计不同化工原理课程设计的精馏塔装配，再利用CAD画下来。说实话，大一所学的