46000吨年乙醇-水蒸馏装置设计-课程设计

.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：45℃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含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0二：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，提高生产效率，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，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压。其中塔顶压力为塔底压力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，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料。2.3加热方式精馏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热能利用精馏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。有关的工艺计算由于精馏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水的摩尔质量=18原料液的摩尔组成：同理可求得：=0.8182=0.0031原料液的平均摩尔质量：同理，=40.190;=18.08745℃下，原料液中由此可查得原料液，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、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液馏出液釜残液38920.8(摩尔分数)0.19340.81820.0031摩尔质量23.41540.19018.087沸点温度/℃83.8378.6299.383.1最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，==0.1934，过点做直线x=0.1934交平衡线于点，由点可读得=0.520，因此：可取操作回流比R=1.378Rmin=1.378×0.907=1.2503.2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：由全塔的物料衡算方程可写出：(蒸汽)(泡点)3.3全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：可以查得，所以取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃。则：平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：3.4热能利用以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量可记为：其中在进出预热器的平均温度以及的情况下可以查得比热，所以，釜残液放出的热量若将釜残液温度降至那么平均温度其比热为，因此，可知，，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馏段操作线方程：提馏段操作线方程：线方程：在相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出块(含塔釜)其中，精馏段5块，提馏段8块。3.6全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：由相平衡方程式可得根据乙醇~水体系的相平衡数据可以查得：(塔顶第一块板)(加料板)(塔釜)因此可以求得：全塔的相对平均挥发度：全塔的平均温度：在温度下查得因为所以，全塔液体的平均粘度：全塔效率3.7实际塔板数块(含塔釜)其中，精馏段的塔板数为：块4.精馏塔主题尺寸的计算4.1精馏段与提馏段的体积流量4.1.1精馏段整理精馏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：液相平均温度：表3精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/℃83.8378.62在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，精馏段的液相负荷同理可计算出精馏段的汽相负荷。精馏段的负荷列于表4。表4精馏段的汽液相负荷名称汽相液相平均摩尔质量/31.2536.13平均密度/8141.251体积流量/2.43(0.000625)3804(1.056)4.1.2提馏段整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表6。表5提馏段的已知数据位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/℃99.3883.83表6提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/20.225.6平均密度/9110.816体积流量/8.09(0.00225)4132(1.15)4.2塔径的计算由于精馏段和提馏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：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度：汽塔的液相平均密度：塔径可以由下面的公式给出：由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。取塔板间距，板上液层高度，那么：分离空间：功能参数：从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：全塔平均温度，在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为，所以，液体的临界温度：设计要求条件下乙醇~水溶液的表面张力平均塔温下乙醇~水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：，所以：根据塔径系列尺寸圆整为此时，精馏段的上升蒸汽速度为：提馏段的上升蒸汽速度为：4.3塔高的计算塔的高度可以由下式计算：已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为：个取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高度：5.塔板结构尺寸的确定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，破沫区宽度，查得弓形溢流管宽度弓形降液管面积验算：液体在精馏段降液管内的停留时间液体在精馏段降液管内的停留时间5.2弓形降液管5.2.1堰高采用平直堰，堰高取，则5.2.2降液管底隙高度h0若取精馏段取，提馏段取为，那么液体通过降液管底隙时的流速为精馏段：提馏段：的一般经验数值为5.2.3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F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。5.3.1浮阀数目浮阀数目气体通过阀孔时的速度取动能因数，那么，因此个5.3.2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，那么相邻两排间的阀孔中心距为：取时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取，其中因此，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为个5.3.3校核气体通过阀孔时的实际速度：实际动能因数：(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)6.1.1干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：因为所以6.1.2板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数，那么：6.1.3由表面张力引起的阻力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：6.2漏液验算动能因数，相应的气相最小负荷为：其中所以可见不会产生过量漏液。6.3液泛验算溢流管内的清液层高度其中，所以，为防止液泛，通常，取校正系数，则有：可见，，即不会产生液泛。6.4雾沫夹带验算泛点率=查得物性系数，泛点负荷系数所以，泛点率=可见，雾沫夹带在允许的范围之内。7.操作性能负荷图7.1雾沫夹带上限线取泛点率为80%代入泛点率计算式，有：整理可得雾沫夹带上限方程为：7.2液泛线液泛线方程为其中，代入上式化简后可得：7.3液体负荷上限线取，那么7.4漏液线取动能因数，以限定气体的最小负荷：7.5液相负荷下限线取代入的计算式：整理可得：7.6操作性能负荷图由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。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：所以，塔的操作弹性为有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7表7浮阀塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注塔径1.0板间距0.4塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速1.476溢流堰长度0.705溢流堰高度0.05板上液层高度0.01降液管底隙高度0.025浮阀数个89等腰三角形叉排阀孔气速10.38阀孔动能因数5临界阀孔气速10.32孔心距0.075同一横排的孔心距排间距0.065相临二横排的中心线距离单板压降564.7液体在降液管内的停留时间41.8精馏段12.6提馏段降液管内的清液高度0.1297泛点率，%63.4气相负荷上限1.65雾沫夹带控制气相负荷下限0.57漏夜控制开孔率，%13.5操作弹性2.898.各接管尺寸的确定8.1进料管进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.2釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.3回流液管回流液体积流量利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.4塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量：取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.5水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量：取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：3.结论3.1评述及感想本次化工原理课程设计历时一周，是上大学以来第一次独立的工业化设计。从老师那了解到化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。通过本次课程设计的训练，让我对化工原理这门课有了更加感性和理性的认识，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。我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，给了我许多道理，给了我很多思考，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。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。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。最后对在我们设计过程中一直给予帮助与指导的王新运老师表示感谢！3.2参考文献[1].陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理（上册），第三版，北京化学工业出版社，2006年[2].陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理（下册），第三版，北京化学工业出版社，2006年[3].匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计，第二版，北京，化学工业出版社，2007年[4].陈常贯，柴诚敬，姚玉英，化工原理（下册），天津，天津大学出版社，2002年[5].唐伦成，化工原理课程设计简明教程，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2005年[6].图伟萍，陈佩珍，程达芳，化工过程及设备设计，北京，化学工业出版社，2003年[7].化工工艺设计手册[8].刘光启，马连湘，刘杰主编，化学化工物性数据手册（无机卷），北京，化学工业出版社，2002年[9].华东理工大学化工原理教研室编.化工过程设备及设计.广州：华南理工大学出版社.1996.02[10].天津大学化工原理教研室编.化工原理(下).天津：天津大学出版社.1999.04基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应