吨年乙醇~水蒸馏装置设计课程设计75407670

1、吨年乙醇水蒸憾装置设计课程 设计 75407670化工原理课程设计报告46000吨/年乙醇水精憾装置设计年级专业设ita姓名设计单位 完成日期5.3.1浮阀数目16一.概述11设计依据12技术来源1.3设计任务及要求2二：计算过程31塔型选择32. 操作条件的确定32.1操作压力32.2进料状态32.3加热方式32.4热能利用43. 有关的工艺计算43.1最小冋流比及操作冋流比的确定53.2塔顶产品产量、釜残液量的计算53.3全凝器冷凝介质的消耗量63.4热能利用63.5理论塔板层数的确定73.6全塔效率的估算83.7实际塔板数/V。94.精饱塔主题尺寸的计算4.1精馅段与提馆段的体积流量94

2、丄1精馆段94.2塔径的计算124.3塔高的计算145塔板结构尺寸的确定155.1塔板尺寸155.2弓形降液管16521 堰 ii=i4522降液管底隙高度加16523进口堰高和受液盘165.3浮阀数目及排列5.3.2 排列175.3.3 校核176.流体力学验算186.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）.186.1.1干板阻力化186.1.2板上充气液层阻力血 186.1.3由表面张力引起的阻力人186.2漏魁篡186.3液泛验算 6.4雾沫夹带验算7.操作性能负荷图7.1雾沫夹带上限线197.2液泛线207.3液体负荷上限线207.4漏液线207.5液相负荷下限线207.6操作性能负荷

3、图21&各接管尺寸的确定238.1进料管238.2釜残液出料管23&3回流液管238.4塔顶上升蒸汽85水蒸汽进口管2424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，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。 山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸憎法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的 精憎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

4、进乙醇、水体系的精馆设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精僅装置，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。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究，已经受 到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、 质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大 的影响。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，精憾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

5、法对于连续精馆塔是最常采用的，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，年产量46000吨乙醇含量：38%（质量分数），原料液温度：45C设计要求：塔顶的乙醇含量不小于92%（质量分数）塔底的乙醇含量不大于0.8%（质量分数）表1乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的汽相中乙醇的液相中乙醇的汽相中乙醇的含量含量含量含量（摩尔分数）（摩尔分数）（摩尔分数）（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.

6、7250.0803920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.0L0计算过程1. 塔型选择根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量 为6389kg/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，提髙生产效率，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

7、用, 操作压力选为常压。其中塔顶压力为1.01325 x 1 O Pa塔底压力(l.O1325xlO+3OON)P“2. 2进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前 段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馆段和提馆 段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精憾塔都比较容易，为此, 本次设计中采取饱和液体进料。23加热方式精馅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

8、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。2.4热能利用精馆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。3. 有关的工艺计算由于精馅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。乙醇的摩尔质量=46 kg/kmol水的摩尔质量=18 kg/kmol原料液的摩尔组成:Xf= 38/46=0.193438/46 + 62/18同理可求得：

9、xD =0. 8182g =0. 0031原料液的平均摩尔质量:M f = xfMCHiCH OH +(1 兮)M& = 0 1934x46 +(10.1934)x18 = 23.4 5kg / kmol同理， M=40. 190 kg/ kmol;& 087 kg I kmol45 C 下，原料液中 pH = 971.1kg /冷、pcH&Hg = 735畑 / nt由此可査得原料液，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.憾出液与釜残液的流量与温度名称原料液馆出液釜残液xf/%38920.8勺(摩尔分数)0.19340.81820.0031摩尔质量kg/kmol23.415

10、40.1901&087沸点温度c83.837&6299383.1最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，Xq = Xf =0.1934,过点(01934,0.1934)做直线x=0.1934交平衡线于点几 由点可读得=0.520,因此:= 0.9070.8182 - 0.521min =为一M 0.521 -0.1934可取操作回流比 R=1.378Rmin= 1.378 X 0.907=1.250 3.2塔顶产品产量、釜残液量的计算以年工作日为300天，每天开动设备24小时计，进料量为:46000x1000300x24x23.415= 212.35kmol/h9由全塔的物料衡算方程可写出

11、:VQ + F = D + W y0 =0（蒸汽）D = 63.kmol / hVo y0 + Fxf = Dxd + WxwW =351.8 hnol / hW = C = L + qF = RD + qFq = （泡点） = 42A3kmol/h3. 3全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：Qc=(R + l)D(G-LJ可以査得 IVD = 12662 /kgJLD = 253.92 /kg ,所以Q =(125 +1)x63.17x39.81(1266-253.9) = 5726760，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点。3. 5理论塔板层数的确定精馅段操作线方程：R.y/r

12、+1 =恥 + = 0.556x/r + 0.364R + l R + 1提馅段操作线方程：w W儿貯石心-石兀=2.475心-0.0077g线方程：x = 0934在y7相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出Nt = 3块(含塔釜)其中，精馆段5块，提馆段8块。3.6全塔效率的估算用奥康奈尔法（Oconenell ）对全塔效率进行估算:由相平衡方程式=帀k可得“册根据乙醇水体系的相平衡数据可以査得:yi = xd = 0.8182曲=0.774（塔顶第一块板）yj =0.536净= 0.1934（加料板）Xw = 0.0031因此可以求得：8 = 1.3 14, 二 = 0.029 （塔

13、釜）=4.8 1 8,= 9.604全塔的相对平均挥发度:am = ja a/ aw = #1.314 x4818 x96O4 = 3.9327862 + 8383 + 99383全塔的平均温度：=87.30 C在温度ttn下査得pn2o = 0.327加Pa几jticH.cH.oH = 038必s因为儿=工兀仏所以，g = 0.1934x0.38 + (1 -0.1934)X0.327 = 03373?Pds全塔液体的平均粘度：s =(仃 + Pld + 他w )/3 = (0.3373+ 0.38+ 0.327)/3 = 0.348 l/nPas全塔效率 Er = 0.49(矽仏厂0245

14、 = 0 49 X! 45.37%卜(3.932 x 0.3481)2453.7实际塔板数Npa 28块（含塔釜）Nt Nt2 58+=HEt Et 0.45370.4537其中，精輙的塔板数为：需亠块4. 精馅塔主题尺寸的计算 4.1精馅段与提憎段的体积流量 4.1.1精憾段整理精憎段的已知数据列于表3（见下页），由表中数据可知：液相平均摩尔质量：M = M： +M- = 23-41?3S-7 = 31 Mkg/kmol液相平均温度：匚=二=芒：7&62=8.2乂表3精憎段的已知数据2进料板塔顶（第一块质量分数摩尔分数摩尔质量Xf = 0.4y/ =0.614勺=0.1934yj =0.53

15、6M= 23.415yi = xd =0.95xi = 0.942Vi = xd = 0.8182x =0.774M 口 = 38.7/kg/ kmolMVf = 32.45Md = 4019温度/c83-837&62在平均温度下査得O =9XkgInPcHaoH =735Rg/M液相平均密度为:1 _ S | 1-5 Pbn PdlCHyOH PlhO其中,平均质量分数心”=0.35 + 0.885=0.603精憾段的液相负荷L = /?D=1.25x63.17 = 78.96灯加力 一竺=78.96小.06=3曲刃 pijn814同理可计算出精馆段的汽相负荷。精惚段的负荷列于表4。表4精憎

16、段的汽液相负荷名称汽相液相平均摩尔质量/ kg! kmol31.2536.13平均密度/如亦8141.251体积流量/力2.43(0.000625/ is)3804(1.056nr / s )14.1.2提憎段整理提馆段的已知数据列于表5,采用与精憎段相同的计算方法可以得到提憎段的负荷，结果列于表6。表5提憎段的已知数据位置质量分数摩尔分数摩尔质量塔釜心=0.005九，=0.065心=0.0031yw = 0.029M他=18/kg/ kmolMIV =18.7温度/c9938进料板Xf =0.35yf = 0.732y =0.1934yf = 0.536My =23.415= 32.4583

17、.83表6提馆段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质20.225.6平均密度9110.816体积流量/心8.09(0.00225/ $ )4132(1.15nr Is )4.2塔径的计算由于精t段和提馅段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径 相等。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：“1.056 + 1.152 = 2= ll(W/s汽塔的平均液相流量：厶鱼亠山空竺注竺“.ooTs 5 2 2汽塔的汽相平均密度：pv = Z ；兀=1251；0816 = 1 0335畑 /肿汽塔的液相平均密度：Pu +PLT 814 + 911 qg / 3Pl =9= 一-一 = 86

18、3 kg /M塔径可以由下面的公式给出：由于适宜的空塔气速“ =(0608”仏，因此，需先计算出最大允许气速-取塔板间距Ht = 0.4/n ,板上液层高度= 60m = 0.06m ,那么:分离空间：HT-hx =0.4-0.06 = 0.34/n功能参数:0.001461.103如Uli IIIIN晦!O.Oj0.01 一一LU.丄d 人丄0.020.03 0.040.06 0.08 O.JO0.2V0.30 U.4U 0.G0 0.S0 1.00s全塔平均温度入+?玉762 + 8383 + 9938V= 86.5C在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为0.741 + 074 +0.002=

19、0.307,史密斯关联图从史密斯关联图査得：C20 = 0.073 ,由于C = C2O(-)02,需先求平均表面张力:所以:io gC = 0.073()-=0.073所以，液体的临界温度：T =工兀7： = 0.307 x (273 +243)+ (10.307) x (273 +342.2) = 609K设计要求条件下乙醇水溶液的表面张力512 / C平均塔温下乙醇水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：計导2,心鬻需評26心皿=cmax0.073X 严Jm/s1.0335=0.7 x 2.11 = 1 476? / s”卅5根据塔径系列尺寸圆整为D = 1000”此时，精憎段的上升蒸汽速

20、度为:4 = 4xl56 = i 345w/jttD2 ttxF提馅段的上升蒸汽速度为:4V均诗十64心4.3塔高的计算塔的高度可以由下式计算：Z = Hp+(N-2-S)Ht+ SHt + 比 + Hw已知实际塔板数为N = X块，板间距HT=0Am由于料液较清洁，无需经常清 洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目S为：5= -1=3 个8取人孔两板之间的间距HT=0.6m ,则塔顶空间HD=.2m ,塔底空间Hw = 2.5m ,进料板空间高度Hh = 0.5/n ,那么，全塔高度：Z = 1.2+(2823)x0.4+3x0.6+0.5 + 2.5 = 15.2 加5. 塔板结构尺寸

21、的确定 5.1塔板尺寸由于塔径大于800mm,所以采用单溢流型分块式塔板。 取无效边缘区宽度吧 =40，破沫区宽度 = 10mm , 查得 lw = 705mm弓形溢流管宽度叫=146州弓形降液管面积4 =0.0706屛At/Ar =0.0706/0.7854 = 0.09R = / 2 - = 0.5 - 0.04 = 0.46amx = DI2-Wd-Ws =0.5-0.146-0.07 = 0.284/h验算：液体在精懈段降液管内的停留时间A HTj G 液体在精馆段降液管内的停留时间AtHr 0.0706x0.4= 12.65 55 L0.00225I5.2弓形降液管 5.2.1垠高采

22、用平直堰，堰高hH.取 /?, = 60mm, how = 10mm ,则 hw =60-10 = 50mm 5.2.2降液管底隙高度加若取精馆段取hl = 5mmf提馅段取为25mm ,那么液体通过降液管底隙时的流速为精馅段： S 0.000675zm0 = 0.0643/7?/ s仏 0.7x0.015提馅段：wn =0.129m / s 仏 0.7x0.025叫的一般经验数值为0.07 0.25/n/55.2.3进口堰高和受液盘本设计不设置进口堰高和受液盘5.3浮阀数目及排列采用巧型重阀，重量为33g,孔径为39加加。5.3.1浮阀数目浮阀数目2 =半气体通过阀孔时的速度/0=4=i取动

23、能因数那么如乔訂0.82必，因此N=沁6个兀 X 0.0392 X 10.82J5.3.2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 ,那么相邻两排间的阀孔中心距/为：W284X如6一.2卯+訴心6W 屠=0.487/n2r； = /j.jniin186x0.075取广= 80“时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取/ = 65/77/7,其中t = 75mm.t = 65min因此，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为“ = 41 + 24x2 = 89 个5.33校核4V气体通过阀孔时的实际速度：如二不命= 10.

24、38加/$实际动能因数：F = 10.38xVL0335 = 10.55 （在 9-12 之间）开孔率:开孔率在10%14之间，满足要求。6. 流体力学验算 6.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降） =he +/ +心6.1.1干板阻力几浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为 :uoe =圧尊 73.1/0严爭73.1/1.0335 = 10.32？/ s 因为 % V % = 10.38/7?/5所以几=534P皿2pi.g= 5.34x1.0335xl0.3822x863x9.81=0.0367/w6.1.2板上充气液层阻力九取板上液层充气程度因数

25、= 0.5,那么：/ = shL = 0.5 x 0.06 = 0.03m6.1.3由表面张力引起的阻力心由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以:叽=0.0367 + 0.03 = 0.667/m = 0.667 x 863x9.81 = 564.7 Pf/6.2漏液验算动能因数佗=5,相应的气相最小负荷为：其中如 mm=5/n）335 = 4.92/77/ s所以匕 min =-x 0.039： x89x 4.92 = 0.523m3 !s 1.103m3 / s可见不会产生过量漏液。26.3液泛验算溢流管内的清液层高度Hd = hp + hd + hL + ha

26、其中，I、= 0.0667/zz,/?z = 0.06m所以，Hd =0.667+ 0.06+ 0.003 = 0.1297加为防止液泛，通常HdHr+hw),取校正系数0 = 0.5,则有:0( H? + hw) = 0.5 x (0.4 + 0.05) = 0.225/n可见,HdHT+hJf即不会产生液泛。6.4雾沫夹带验算2查得物性系数K = l0,泛点负荷系数CF= 0.097= D - 2叫=1 2 x 046 = 0.708/h人=% -2Af = 0.7854 - 2 x 0.0706 = 0.6442/?2所以，泛点率二1.103xI1.0335Y 863-1.0335+ 1

27、.36x0.00146x0.7081x0.097x0.6442= 63.4% 液量(tn3/h)a操作点图中线a为最小液体负荷线。线b为漏液线。线c为最大液体负荷线。线d按 液体在降液管中允许停留时间计算。线e为降液管液泛线。线f为雾沫夹带线。此 图的阴影部分，为塔板的稳定操作区(当c线在d线右方时，稳定操作区应位于d 线的左方)。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点P(0.00146, 1.103)在正常的操作范 围内。连接OP作出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏 液所控制。由图可读得：(叫)max =1&加/&()聞=57加仏所以，塔的操作弹性为1.65/0.57

28、= 2.89有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表73表7浮阀塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注塔径,加1.0板间距HT,m0.4塔板型式单溢流弓形 降液管分块式塔板空塔气速ujn/s1.476溢流堰长度0.705溢流堰高度饥0.05板上液层高度 ,川0.01降液管底隙高度九期0.025浮阀数N,个89等腰三角形叉排阀孔气速u0,m/s10.38阀孔动能因数化5临界阀孔气速uOc, ml s1032孔心距0.075同一横排的孔心距排间距八加0.065相临二横排的中心线 距离单板压降3用564.7液体在降液管内的停留时41.8精谓段间Os12.6提馆段降液管内的清液高度Hdjn0.1297泛点

29、率，%63.4气相负荷上限（匕.）叭1-65雾沫夹带控制气相负荷下限（匕心0.57漏夜控制开孔率，%13.5操作弹性2.892&各接管尺寸的确定8.1进料管进料体积流量 = 竺=39呼=732F/h = 0.00203/ / s pf 911.3取适宜的输送速度/, =2.0/77/5,故,/4V(4x0.00203 门八“经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：045x3实际管内流速:4x0.00203一 “0.0392=1.7/72/528.2釜残液出料管釜残液的体积流量:=36485X181 =6.89/. = 0.00191/.958.4取适宜的输送速度 =1.5/；/5 ,

30、则经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：045x3实际管内流速： =4x0.001947TX 0.0392= 1.6/72/5&3回流液管回流液体积流量LMl 66.85x39.81= 7T =747-=3.51m3 th = 0.000975m3 / 5利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度伶=05?/八 那么;4x0.000975=0.05/n经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：057x3.5”实际管内流速：叶=4x0.00194g 0.039238.4塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量：咕+ )x65.S5x39.3750力 =1 .O42F / s sv1398取适宜速度心=20加/ s ,那么/4x 1.042V 20=0.258/7?经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：0273x54x1 042实际管内流速：心=：笃=19亦/$x 0.2638.5水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量:131.7x180.597= 3971F/? = 1103F/s取适宜速度uQ=2.5m/s9那么计=1=0,237.25兀经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64),规格：0245x5实际管内流速：如=土黑 =25.4