化工原理课程设计

50000吨/年乙醇一水精馏装置设计设计人：系另U：专业:班级:指导教师：完成时间:第一章前言41.1精馏塔简介41.2筛板塔和浮阀塔的优缺点4第二章设计方案的确定52.1任务书52.1.3塔板类型：浮阀塔5第三章精馏塔连续精馏的计算8第四章精馏塔塔体工艺尺寸计算134.1.2提馏段144.3塔高的计算16第五章塔板主要工艺尺寸的计算185.1塔板尺寸185.2塔板主要工艺尺寸的计算185.2.3进口堰高和受液盘195.3浮阀数目及排列195.3.1浮阀数目19排列19校核20第六章塔板的流体力学验算216.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）hp216.1.1干板阻力hc216.1.2板上充气液层阻力0216.1.3由表面张力引起的阻力h；_216.2漏液验算216.3液泛验算226.4雾沫夹带验算23第七章塔板负荷性能图247.1雾沫夹带上限线247.2液泛线247.3液体负荷上限线257.4漏液线257.5液相负荷下限线257.6操作性能负荷图25第八章精馏塔接管尺寸计算288.1进料管288.2釜残液出料管288.3回流液管288.4塔顶上升蒸汽管298.5水蒸汽进口管29第九章精馏塔工艺流程图30附录311、塔板零件图312、浮阀塔结构图32课程设计心得33参考文献：33第一章前言1.1精馏塔简介在炼油、化工等工业中，精馏操作是分离液体混合物的最常见的手段，其操作原理是利用液体混合物中各组分挥发度的不同，在气液两相触处时，易挥发组分向气相传递，难挥发组分向液相传递，是混合物达到一定程度的分离。用以实现精馏操作的气液传质设备即径流塔，其基本功能是提供气液两相充分的接触机会，使物质和热量的传递充分有效的进行；在气液两相接触之后，还使气液两相能及时分开，尽量减少相互夹带。常用的精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内装有若干层塔板，液体依靠重力自上而下流过每层塔板；气体则依靠压强差的推动，自上而下穿过各层塔板上的液层而流向塔顶，气液两相在塔内进行逐级接触。填料塔内则装有各种形式的填料，气液两相沿塔做连续逆流接触，其传质和传质的场所为填料的润湿表面。1.2筛板塔和浮阀塔的优缺点板式塔，用于气液传质过程中。筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm，塔板上设置溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层。筛板塔的优点：结构简单、造价低廉、气体压降低、板上液面落差也较小、生产能力及板效率较泡罩塔高。主要缺点是：操作弹性较小、筛孔小时容易堵塞。浮阀塔在塔板上开有若干大孔，每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片。主要有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀塔优点：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%40%，与筛板塔接近。2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常而允许的负荷波动范围比筛板塔、泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4气体压降及液面落差小，因气体流过浮阀塔时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%80%，但是比筛板塔高20%30%主要缺点是：不易处理易结焦或黏度大的系统。浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，因此本设计采用浮阀塔。第二章设计方案的确定2.1任务书2.1.1工艺要求原料：乙醇水溶液，年产量5万吨乙醇含量：35%（质量分数），原料液温度：45C设计要求：塔顶的乙醇含量不小于90%（质量分数）塔底的乙醇含量不大于0.5%（质量分数）2.1.2操作条件1塔顶压力：常压2进料热状况选择：冷液进料（q=1.078）3回流比4乙醇和水的平衡数据表1乙醇水溶液体系的平衡数据乙醇一水系统txy数据沸点t/c乙醇摩尔数/%沸点t/c乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.6:42.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.5:61.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.75:72.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.2P85.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.412.1.3塔板类型：浮阀塔2.1.4设计任务1、精馏塔的物料衡算2、塔板数的确定3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4、精馏塔的塔体工艺尺寸计算5、塔板主要工艺尺寸的计算6、塔板的流体力学验算7、塔板负荷性能图8、精馏塔接管尺寸计算9、绘制生产工艺流程图10、对设计过程的评述和有关问题的讨论2.2操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。若物料有特殊要求则根据物料特性采用加压或减压操作，一般物料则采用常压操作，因乙醇和水对压力无特殊要求，则采用常压操作。其中塔顶压力为1.01325105Pa塔底压力1.01325105N(265530)Pa2.3进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。进料状态分冷液、饱和液、气液混合物、饱和气、过热气五种状态。但一般在实际操作中都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。对一定的分离任务和要求，冷夜进料较泡点进料所需的理论板层数少，会降低塔的设备费用，针对本次的设计，我们选择冷液进料(q=1.078)。2.4加热方式由于塔釜中液体不能由蒸气直接加热，故采取间接加热。又考虑到立式再沸器对液体加热均匀等优点，因此选择再沸器立式加热。2.5冷却剂的选择冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50C，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。本次设计取定常温水作冷却剂，冷却水出口温度为35C，并且此温度满足设计要求。第三章精馏塔连续精馏的计算3.1最小回流比及操作回流比的确定原料液的摩尔组成：XfnCH3CH2OHnch3ch2oh'nH2O35/4635/4665/18=0.1740同理可求得：xD=0.779,xW=0.002原料液的平均摩尔质量:Mf=XfMch3ch20H，(1-Xf)MH2o=0.174；46(1-0.174)；18=22.87kg/km同理可求得：Md=39.81kg/kmol,Mkv=18.1g/kmol45C下，原料液中h2o=971.1kg/m3,:?ch3ch2o735kg/m3由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见下表。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xf/%35900.5x(摩尔分数)0.17400.77900.002摩尔质量kg/kmol22.8739.8118.1沸点温度/C83.9478.3599.53原料液的汽化热：y=0.174046885.7(1-0.1740)1825=44259.14kJ/kmol查表得：进料组成xf=0.1740是溶液的泡点温度83.94C所以平均温度tm83.94452=64.47C有附表查得在64.47C时水的比热容为4.26kJ/(kg.C)乙醇的比热容为3.17kJ/(kg.c)故原料液的平均比热容为Cp=0.1740463.17(10.1740)184.26=88.71kJ/(kg.C)所以:q=Cp'trmrm88.71(83.94-45)44259.1444259.14-1.078由此可知，q线方程y=-x-必1.078x-0.174013.82x-2.23q1q11.07811.0781操作线和q线的交点即为(Xq，y),由作图法可知交点坐标为(0.185,0.520)如图所示:Xd一yq0.7790-0.520Rmin=0.773yq-Xq0.520-0.185可取操作回流比R=R"-1.29/Rmin3.2塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算以年工作日为300天，每天开车24小时计，进料量为:500001033002422.87=303.65kmol/h由全塔的物料衡算方程可知:Fxf=DxdWxw得：D=67.22kmol/hW=236.43kmol/h由提留段得物料衡算方程可知：LWVLqRDqF得：L/=394.55kmol/hV，=158.12kmol/h3.3全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：Qc=(R1)D(Ivd_Ild)可以查得IVD=1266kJ/kg,IlD=253.9J/kg，所以Qc=(11)67.22(1266-253.9)=1.36105KJ/h取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25C和35C则平均温度下的比热Cpc=4.174kJ"g(o，于是冷凝水用量可求:WcQcCpC2t51.36104.174(3525)=3258.26Kg/h3.4再沸器的加热蒸汽的消耗量/再沸器的热负荷为：QBV(ITlw)因为釜残液几乎为纯水，故其焓可以按纯水计算:/4IVW一Ilw=B=250018=4.510KJ/Kmol所以Q-158.124.5107.115Q6KJ/Kmol在常温下水的汽化热为2500KJ/Kg所以加热蒸汽的消耗量：wh=2二2846Kg/h3.5理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：y=丄xxR+1R+1XD代入数据得：y=0.50x+0.3895提留段操作线方程：y=XwL/-WLW代入数据得：y=2.50x-1.459如图所示:按上图求的理论版层数为11块(不包括再沸器)其中，精馏段9块，提馏段2块，自塔顶往下第10层为进料板。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yx可得=y(x-1)1+(a-1)xx(y-1)根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得：%=Xd=0.779为=0.741(塔顶第一块板)yf=0.508X