化工原理课程设计

1、?化工原理?课程设计设计论文题目：板式精储塔的设计学院名称：材料与化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：化工151姓名：学号指导教师：职称定稿日期：2021年1月7日1设计任务书1.1设计任务(1)原料液：乙醇水溶液,其中乙醇(质量分数)：55%(2)塔顶产品中乙醇(质量分数)不低于：90%(3)塔釜中乙醇质量分数不高于：1%(4)生产水平：年开工时间300天,乙醇产量：20000吨/年+上浮量=20000+18*1000=38000吨/年(上浮量=学号*1000吨/年)(5)安装地点：自选(这里选在宁波石化基地镇海炼化)1.2工艺操作条件(1)精储塔顶压强：自选；(2)进料热状态：自选；(3

2、)回流比：自选；(4)塔板类型：自选.(5)塔釜加热、塔顶冷凝方式：自选注：工艺自选条件由分析后得到.1.3设计内容要求(1)设计方案确实定及流程说明(2)塔的工艺计算(3)塔和塔板主要工艺尺寸的设计,包括塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图.(4)编制设计结果概要或设计一览表(5)绘制塔设备结构图(包括塔板的局部放大图)一张,工艺流程图一张:采用CAM件绘制并用3号图纸打印,与设计说明书一起装订.(6)设计说明书的编写格式根据本科毕业设计(论文)书写格式(7)选做：Aspen软件验算,精储塔附属设备的设计2精储塔设计2.1塔设备设计思路1塔高的计算,包括塔的

3、主体高度、顶部与底部空间的高度,裙座高度.2塔径的计算装置的有关条件一给定塔板设计条件一准备事项一确定塔径溢流区的设计一气液接触区的设计-各项校核计算3塔内件的设计,主要是塔盘的工艺和结构设计.此外还有塔的进出口、防冲挡板、放涡器、除沫器等的设计计算.2.2乙醇一水溶液的分析2.2.1乙醇一水溶液的性质由化工原理下册课本P7两组分非理想物系的气液平衡可知：非理想溶液,具表现是溶液各组分的平衡分压与拉乌尔定律发生偏差,此偏差可正可负,相应的,溶液分别称为正偏差溶液和负偏差溶液.乙醇一水物系是具有很大正偏差溶液的典型例子.乙醇一水溶液是极性溶液,水与乙醇的混合物的极性比水小比乙醇大.2.2.2乙醇

4、一水溶液气液平衡数据的获取依据化工热力学课本P143第4章溶液热力学性质计算可知如下列图：图2-1图2-3常压下,进料乙醇的摩尔分数为时,溶液的泡点温度为C,露点温度为C.2.3工艺操作条件确实定2.3.1压力确实定蒸储可在常压、加压和减压下进行,通常,对常压下沸点在室温至150c左右的混合液,可以采用常压蒸储.般来说,常压蒸储最为简单经济,假设物料无特殊要求,应尽量在常压下操作.对于乙醇一水体系,在常压下是液态,且乙醇一水不是热敏性材料,在常压下也可成功别离,所以选用常压精储.由于高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加.用Aspen软件采用Wilson方程分析乙醇一水溶液的

5、气液平衡关系:其中乙醇是易挥发组分,过程如下列图:图2-2解：乙醇的摩尔质量=46,水的摩尔质量=18由条件得:进料组成XF55/46、.55/4645/18.摩尔分数,下同塔顶产品组成90/460XD0.77990/4610/18残釜液组成XD1/460.003941/4699/18由以上条件,Txy图,结果如下:由上图可知:因此,本设计选择常压操作条件.2.3.2进料热状态确实定进料有5种状态,分别为过冷进料q1;泡点进料q=l;气液混合进料0ql;饱和蒸汽进料q=0:过热蒸汽进料q0o泡点进料时操作较易限制,且不受季节气温的影响.止匕外,泡点进料时精储段和提储段的塔径相等,设计和制造比拟

6、方便.因此,采用泡点进料.2.3.3回流比确实定回流比大小不仅影响到所需的理论塔板数,而且影响到加热和冷却剂的消耗量,以及塔板、塔径、塔釜和冷凝器的结构设计的选择.因此,适宣回流比的选择是一个重要问题.最小回流比确实定1作图法用于两组分精储计算由乙醇一水溶液的Xy气液平衡图及q线方程联立可求得Rmino2解析法用于多组分精储计算用恩德伍德公式求出最小回流比Rmin.这里为两组分溶液,所以采用作图法确定最小回流比q线斜率为无穷大,乙醇的液相摩尔分数X=X=,由上图对应可知yq=回流比确实定根据R=2Rin,确定实际回流比求得最小回流比=基于摩尔,实际回流比取最小回流比的倍得实际回流比RRmin1

7、.20.6731.20.80762.3.4塔盘类型与选择板式塔塔板种类根据塔板上气、液两相的相对流动状态,板式塔分为穿流式和溢流式.目前板式塔大多采用溢流式塔板.穿流式塔板操作不稳定,很少使用下列图为：常压下,乙醇一水溶液的xy气液平衡相图、各点具体数据图图2-4图2-5精微段操作线斜率RminRmin1XD-yqXDXq故最小回流比RminXD-YqyqXqXD-yqyqXf0.779-0.596c0.6730.596-0.324泡点进料时,各种塔盘性能比拟工业上需别离的物料及其操作条件多种多样,为了适应各种不同的操作要求,迄今已开发和使用的塔板类型繁多.这些塔板各有各的特点和使用体系,板式

8、塔主要塔板的优缺点如表所示,各种塔盘比拟如表所示：表2-1圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高板间距大压力降比拟大用于具有特定要求的场合S型泡罩塔板稍简单简化了泡罩的型式,因此性能相似费用高板间距大压力降比拟大用于具有特定要求的场合条形浮阀重盘式浮阀T型浮阀简单有简单的和稍复杂的简单操作弹性较好；塔板效率较局；处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压卜的气液传质过程筛板溢流式简单正常负荷卜的效率局；费用最低；压力降稳定操作范围窄；要么扩大孔径,否那么易适于处理量变动少且不析出小波纹筛板简单比筛板压力降稍高,但具有同样的优点；气液分布好栅板简单处理水平人；压力降小；费用廉价适用于粗蒸储堵物料；容易发

9、生液体泄漏固体物的系统各塔盘比拟表2-2233324000433334343112444554433434444444444213444334443213553444454223554434443113553333333213554232123100244结论：浮阀塔盘在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔盘优越,筛板塔盘造价低、压力降小,除操作弹性较差外,其他性能接近于浮阀塔盘.综合比拟可得：浮阀板在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩板优越,结合本工程实际情况,初步选择浮阀塔.2.3.5塔釜加热、塔顶冷凝方式塔顶采用全凝器冷凝,塔底冷凝器的冷却剂常采用水,假设所需冷却温度

10、较低,可采用冷却盐水.根据冷源情况和工艺要求,采用冷水冷却.塔釜采用再沸器加热,通常,蒸储釜的加热方式多采用间接蒸汽加热,但在塔底产物根本是水,且在低浓度下的相对挥发度较大的体系,也可采用直接蒸汽加热.直接蒸汽加热可利用压力较低的蒸汽加热,不必设置庞大的传热面,塔斧只需安装鼓泡管,故可节省设备费用和操作费用.因此,采用间接加热方式.2.3.6工艺流程图图2-63精储塔的工艺计算塔釜难挥发组分的摩尔回收率=0,103.02(1-0.00394),100%86.5%175.47(1-0.324)3.1物料衡算根据装置维护工作量,一般按330天,连续生产的可按8000小时计算,维护工作量大的,要根据

11、实际情况定解：乙醇的摩尔质量=46,水的摩尔质量=18由条件得:生产水平38000吨/年=38000/8000=吨/小时进料组成XF55/4655/4645/18皿4摩尔分数,下同塔顶产品组成XD90/46八八0.77990/4610/18残釜液组成1/460.003941/4699/18原料液的平均摩尔质量MF=x+x=原料液流量F=x=kmol/hD72.45kmol/h覆行W103.02kmol/h塔顶易挥发组分的摩尔回收率=登100%FXF72.450.77999.3%175.470.3243.2操作线的计算精储段方程提储段方程3.3精储塔工艺条件及有关物性数据3.3.1Aspenpl

12、us简捷计算法计算结果如下列图所示图3-1可知,精储塔实际理论塔板数为M=35.塔板总效率ET-NT16100%45.71%冲35由于存在中间进料,所以需要对气液负荷较大的塔板进行设计,通过保证要求最高的塔板的别离效率,从而保证每块塔板都都能满足别离要求.3.3.2AspenPlus严格计算法采用严格算法计算,并将结果导入到excel中只显示两位小数,各塔板数据结果如下：图3-2由图可以看出,在第1块和第33块塔板的气液相负荷较大,所以采集第1和第33块塔板的数据如下表精储塔物性数据表3-13.4塔径计算塔板间距HT的选定很重要,它与塔高、塔径、物系性质、别离效率、塔的操作弹性,以及塔的安装、

13、检修等都有关.可参照下表所示经验关系选取：表3-2塔板间距的选择200-300250-350300-450350-600400-600初选板间距H=,板上液层高度hL,对常压塔一般取为通常取;对减压塔,可低至取板上液层高度hL=,故：H-hL=,气液两相流动参数为：图3-3修正C为:由史密斯关联图可查得:C20=0.20.226.6363CC200.0540.0572：2020749.9331.399031.3231m/s：在范围内取平安系数为,那么:所选板间距合理.因此确定设计过程中精储段塔径为.3.5溢流装置计算溢流类型与液体负荷及塔径的经验关系如下所示:表3-3UmaxC.LV0.057

14、21.39903U0.8umax0.81.32311.0585m/s-D4Vs43410.751.07m；36001.0585按设计标准,将塔径圆整为,那么塔截面积:A-D2-1.22441.13m2那么实际空塔气速为u处募喂0.838m/s.符合板间距与塔径经验关系,4577099090-16011110110-25011110110-25011一般场合用于高液气比或大型塔板用于小塔及液体流量小本次设计塔径D=,且液体流量较小.应选择单溢流溢流堰长lw根据单溢流取lw为D,取土1长lw为,那么:出口堰hw堰高那么由板上液层高度及堰上液层高度而定.堰上液层高度太小会造成液体在堰上分布不均匀,影

15、响传质效果,设计时应使堰上液层高度how大于6mm假设小于此值需采用齿形堰.但how也不宜过大,否那么会增大塔板压降及雾沫夹带量.一般设计时,how不超过60-70mm超过此时时可改用双溢流形式.采用平直堰,那么堰上液层高度计算公式如下:2.84hcW1000式中Lh塔内液体流量,m3/h;E一液流收缩系数,可用博尔斯对泡罩塔提出的液流收缩系数计算图求取,图3-4由查图可得E=,弓形降液管宽度查?化工原理下册?图弓形降液管和截面积关系可得:WA-d-011,0.058DA图3-5降液管宽度及截面积贝U：AAT0.0581.130.0580.06554m2?wD0.111.20.110.132m

16、0降液管的截面积应保证液体在降液管内有足够的停留时间,使溢流液体中夹Lh251w6.362891.214.46540.72D0.720.61.2因此,可得：hwhOW0.060.01250.00475m.带的气泡能来得及别离.为此液体在降液管内的停留时间不应小于3-5s,对于取阀动能因子Fo=1O,那么阀孔气速为:u.Fo10.VJ.399038.45m/S;高压下操作的塔及易起泡的系统,停留时间应更长些.因此,在求得降液管面积之后,应按下式验算降液管内液体的停留时间降液管底隙高度ho在之间取液体通过降液管底隙的流速 Uo0.15m/s,那么:受液盘采用凹形受液盘,不设进堰口,深度为60mm3

17、.6塔板布置及浮阀数目与排列因D?800mm故塔板米用分块式.塔板分为4块.3600AfHT36000.065540.32Lh6.3628911.87S5S,故降液管尺寸适宜.边缘区宽度:5075mm；安定区宽度:6075mm鼓泡区面积:2vvws1.2_-2-0.1320.070.398m;1.2_0.070.53m2,uoc73.11825一V73.11.82511.399038.738m/s；每层塔板上的阀孔数：N八一业586.43；.22_dU0_36000.0398.4544按N=90重新核算孔速及阀孔动能因数:3410.7520.1168m36008.11Aa0.7558-0.11

18、20m;tN0.07590塔板开孔率:0838100%10.33%.8.113.7塔板流体力学校验塔板的流体力学计算,目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作,以便决定对有关塔板参数进行必要的调整,最后还要作出塔板负荷性能图.3.7.1气相通过浮阀塔板的压强降计算塔板压强降公式:hphcnh1干板助力:开孔总面积：AUo取阀孔中央距为t=75mm那么相邻两排阀孔中央线的距离为:因叫h,故按下式计算干板阻力,那么:0.1750.17519.9u19.98110.03827m液柱L749.9332板上充气液层阻力：本设备别离乙醇和水混合物,即液相为碳氢化合物,可取充气系数00.5,那么hl

19、ohL0.50.060.03m夜柱；3液体外表张力所造成的阻力：此阻力很小,忽略不计.因此,与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为那么单板压降PphpLg0.06827749.9339.81502.25Pa03.7.2液泛为了预防液泛现象的发生,要求限制降液管中清液层高度:HdHThw其中HdhphLhd.1与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度：hp0.06827M夜柱；2液体通过降液管的压头损失：因不设进口堰,故按下式计算,那么:3板上液层高度：hL=,那么：Hdhph_hd0.068270.063.2481030.1317僦柱p取0.5,HT0.32m,儿0.00475m,贝J

20、：综合上述可见：HdHT%,符合预防液泛的要求.3.7.3雾沫夹带按以下两式计算泛点率,那么图3-6图3-7hd20.153_L_0,153lwho26.3628936000720.01643.428103m液柱；液泛率公式1:VsV1.36LSZLKC；b100%液泛率公式2:VVsL100%0.78KCFAT板上液体流径长度：ZLD2W1,220.1320.936m-7板上液流面积：AAT2A1.1320.065540.9989m；查图得物性系数K1.0,又查图得泛点负荷系数CF0.09,将以上数值代入公再按公式2计算泛点率,得根据以上两式计算出的泛点率都在80%Z下,故可知雾沫夹带量能够

21、满足e0.1kg液/kg气的要求.3.8塔板负荷性能图3.8.1雾沫夹带线根据公式可得：液泛率取泛点率为80%那么液泛率整理得VV1.36LSZLS1LVKCFA；100%V1.6636-29.45LS1.39903,749.933-1.39903100.091.36LS0.9360.80.9989(1)由式(A)知雾沫夹带线为直线,那么在操作范围内任取两个LS值,依式(A)算出相应的VS值列于本例附表中.据此,可做出雾沫夹带线(1)：3.8.2液泛线由下式确定液泛线:HThwhpMLhdhth1ht儿ht值,而u0与Vs又有如下关系,即Vsd；N4,式中阀孔数N与孔径d0亦为定值,因此可将上

22、式简化为Vs与Ls的关系式如下:aVs2bcLSdL73,那么3.8.3液相负荷上限线液体的最大流量应保持在降液管中停留时间不低于3-5s.根据下式可知液体在降液管内停留时间为:忽略h,那么:因物系一定,塔板结构尺寸一定,那么HT、hw、lw、ho、V、0及等均为定LsmaxAM50.065540.3230.004194ml/s5(3)3.8.4漏液线那么:U0-LV对于F1型重阀,依F0UdV5计算,那么V,又知：d；Nu04,U0乂23.53524981.22；29.21L2(2)3600AHTLh35s取E=,故:Cuptower进行校核做出的塔板的负荷性能图及具体数据如下如下所示:图3

23、-83.9水力学校核由专业软件Cuptower进行校核,具体数据如下如下所示:表3-4以F0=5作为规定气体最小负荷的标准,那么:Fo2_2.-0.039908.450.9085m/s4(4)据此做出与液体流量无关的水平漏液线.3.8.5液相负荷下限线取堰上液层高度how=乍为液相负荷下限条件,那么:2.841000E2/33600(Ls)min0.0125,0.01251000.L.smin2.841.033/20.721.76673600103(5)综合上述,由专业软件结构数据塔板编号实际#-#塔板层数1塔内径,m板间距,mm320液流程数1Ad/At,%开孔率,%堰长,mm720堰高,m

24、m5底隙/侧隙,mm16降液管宽,mm120受液盘宽,mm120受液盘深,mm60堰型平堰塔板形式圆形浮阀校核结果塔板编号#-#溢流强度,m3/mh停留时间,s降液管液泛,%阀孔动能因子,(m/s)(kg/m3)单位塔板压降,Pa降液管内线速度,m/s降液管底隙速度,m/s浮阀校核_：(实际板号：#)12345生干1百卮、/大J务A顼目咨称7o斗苗耳n-安宜名彻、湾89口/yl说时4小田.的工-垢-2021/1/2r,E丑早T依州广TT兴挪)#1叶异磔用口T闿了匕恢Ir土工右门口,/工中仁人#rJV-=附十G甲卡riTV.平泡14塔根编号-C理论)八F几/占日日#一#6工i=r恢J匕八因推什阳

25、1刀我叽叨,乙度“余,T1衲d气相二质里流重工口自“2kg/hLG质量流量rrpkg/r一一23,kg/m38死beAL工山缶启一.kg/体枳流量m3/h9体机流里m3/T4不白反cp1不白反cp5-dyn/cm-UI“一?.la.1-/-LBBUI!li!JMBLB41I6体系因子/1名占用字/1十力SJJ/1/4去后4士去历笑 A的I7, ,岁 V1-m6-#-2an,m- 1r 11mai#/m,n,3m28溢-/-14开子积rrBT,)今/十叵9IX上 7/I1区开什宓0/5TTJL千%r,三 T1JHLVUiA八1-两侧一 “-中央1降液wS积叱“一-%-mbrH, ,一 T_Cns

26、-s9-r-M2-% -3,降液管顶部宽度一 一 m2*._rh , , 丁一CtCBn:H;-M4等折品&曷-m3 5-降浓邰宽度一mT rT H ,_一ITBnH;-M6受液盘深度m- -干受液盘咙;度,讨., ,:n-e ?r BveaBaTTWBBaB8版T口厂m-. 9降浓隙M“m-.IEm MrmE i m:WTTM1降 液 管 朋 部 时积.一=m2一一.1降液管4氐首.1M积一mw.r/.,Ln上用休TFl3U%m午5U%朱T户1b一一Bm/s=一M一一2空塔旨因子“一m/s(kg/m3吐一A3.4301.iA-.-a-ao-a-&aA-i-A-a-ia-t44haibadAA

27、ta-I3因子m/s-=-=5一41ft 一一m/s一4二nT 土不一 3一1疝 二HJ1B.bSd*44=iiHaa4占htih a*r4.itEa5心动能时于m/s(kg/m3尸6,漏点气速一m/s一a4=4不一 3.一-&baHBJBa.口d*44=iiHaa-*l-H1H il =L4ItEBa|B7漏点动能闪子m/s(kg/m3尸8,相Mfflr量kg,一液/1003H;aHa1Mii=Maii HrSBrB-一09溢流强度-mA3/1流动参数一“-/liBBild：,“akaaa1L1,a.M Bratl*1rss1板土液百度-m11腰土液层百度-故一面梯度 一一m一U =(JR LH aJ4i. a.KBaill：il-Ha.!iM1机上液层忸力-,一m柱SB-BBnanaaaKB 1甲板ffiW一 -m液 柱一1急板压降, 一 m柱一! _NilBJB i BJB -n-V/.LTTk-i1L K JU q K m十12降海隹肉液体高感,中11义.吕rJ1IX1牛fRj7乂s22.降油管肉相】 点商-.m/s-m/s“蟀满答南幽二市府2-演&