化工原理课程设计报告书(DOC35页).doc

.化工原理课程设计设计（论文）题目： 板式精馏塔的设计 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：2018年1月7日. .目 录1设计任务书41.1设计任务41.2工艺操作条件41.3设计内容要求42精馏塔设计52.1塔设备设计思路52.2乙醇水溶液的分析52.2.1乙醇水溶液的性质52.2.2乙醇水溶液气液平衡数据的获取52.3工艺操作条件的确定72.3.1压力的确定72.3.2进料热状态的确定72.3.3回流比的确定82.3.4塔盘类型与选择92.3.5塔釜加热、塔顶冷凝方式122.3.6工艺流程图123精馏塔的工艺计算133.1物料衡算133.2操作线的计算133.3精馏塔工艺条件及有关物性数据143.3.1Aspen plus简捷计算法143.3.2AspenPlus严格计算法143.4塔径计算163.5溢流装置计算173.6塔板布置及浮阀数目与排列203.7塔板流体力学校验213.7.1气相通过浮阀塔板的压强降213.7.2液泛213.7.3雾沫夹带223.8塔板负荷性能图233.8.1雾沫夹带线233.8.2液泛线243.8.3液相负荷上限线243.8.4漏液线253.8.5液相负荷下限线253.9水力学校核264计算结果汇总305Aspen软件验算315.1达到目标要求回流比的计算315.2最佳进料位置的计算315.3塔径验算326参考文献341 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）生产能力：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）精馏塔顶压强：自选； （2）进料热状态：自选；（3）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）设计方案的确定及流程说明（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CAD软件绘制并用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按照本科毕业设计（论文）书写格式。（7）选做：Aspen软件验算，精馏塔附属设备的设计。. .2 精馏塔设计2.1 塔设备设计思路1)塔高的计算，包括塔的主体高度、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给定塔板设计条件准备事项确定塔径溢流区的设计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 乙醇水溶液的分析2.2.1 乙醇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，其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。乙醇水物系是具有很大正偏差溶液的典型例子。乙醇水溶液是极性溶液，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）可知如下图：图 21用Aspen Plus8.4软件采用Wilson方程分析乙醇水溶液的气液平衡关系：其中乙醇是易挥发组分，过程如下图：图 22解：乙醇的摩尔质量=46，水的摩尔质量=18由已知条件得：进料组成 （摩尔分数，下同）塔顶产品组成 残釜液组成 由以上条件，作Txy图，结果如下：图 23由上图可知：常压下，进料乙醇的摩尔分数为0.324时，溶液的泡点温度为81.2，露点温度为90.5。2.3 工艺操作条件的确定2.3.1 压力的确定蒸馏可在常压、加压和减压下进行，通常，对常压下沸点在室温至150左右的混合液，可以采用常压蒸馏。一般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于乙醇水体系，在常压下是液态，且乙醇水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为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。因此，本设计选择常压操作条件。2.3.2 进料热状态的确定进料有5种状态，分别为过冷进料（q>1）；泡点进料（q=l）；气液混合进料（0<q<l)；饱和蒸汽进料 （q=0）：过热蒸汽进料 （q<0）。泡点进料时操作较易控制，且不受季节气温的影响。此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相等，设计和制造比较方便。因此，采用泡点进料。2.3.3 回流比的确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。Ø 最小回流比的确定(1) 作图法（用于两组分精馏计算）由乙醇水溶液的xy气液平衡图及q线方程联立可求得Rmin。(2) 解析法（用于多组分精馏计算）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下图为：常压下，乙醇水溶液的xy（气液平衡相图）、各点具体数据图图 24图 25精馏段操作线斜率泡点进料时，q线斜率为无穷大，乙醇的液相摩尔分数XF=Xq=0.324，由上图对应可知yq=0.596故最小回流比Ø 回流比的确定根据R=(l.12)Rmin ，确定实际回流比。求得最小回流比=0.673（基于摩尔），实际回流比取最小回流比的1.2倍得实际回流比2.3.4 塔盘类型与选择Ø 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。Ø 各种塔盘性能比较工业上需分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，板式塔主要塔板的优缺点如表所示，各种塔盘比较如表所示：表 21塔盘类型结构优点缺点主要应用范围泡罩塔圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高板间距大压力降比较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较大用于具有特定要求的场合浮阀塔条形浮阀简单操作弹性较好；塔板效率较高；处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀有简单的和稍复杂的T型浮阀简单穿流型筛板（溢流式）简单正常负荷下的效率高；费用最低；压力降小稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易堵物料；容易发生液体泄漏适于处理量变动少且不析出固体物的系统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能力大；压力降小；费用便宜适用于粗蒸馏各塔盘比较表 22指标溢流型穿流型F形浮阀十字架形浮阀条形浮阀筛板舌形板浮动喷射塔板圆形泡罩条形泡罩S形泡罩栅板筛孔板波纹板液体和气体负荷高444444213444低555233333233弹性（稳定操作）555334434112压力降233324000433雾沫夹带量334343112444分离效率554433434444单位设备体积处理量444444213444制造费用334443213553材料消耗444454223554安装和拆修434443113553维修333333213554污垢物料对操作影响232123100244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。综合比较可得：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，结合本项目实际情况，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，若所需冷却温度较低，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 ，蒸馏釜的加热方式多采用间接蒸汽加热，但在塔底产物基本是水，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 263 精馏塔的工艺计算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，要根据实际情况定。解： 乙醇的摩尔质量=46，水的摩尔质量=18由已知条件得：生产能力38000吨/年=38000/8000=4.75吨/小时进料组成 （摩尔分数，下同）塔顶产品组成 残釜液组成 原料液的平均摩尔质量 MF=0.324×46+0.676×18=27.07原料液流量 F=4.75×1000/27.07=175.47 kmol/h得塔顶易挥发组分的摩尔回收率=塔釜难挥发组分的摩尔回收率=3.2 操作线的计算Ø 精馏段方程Ø 提馏段方程3.3 精馏塔工艺条件及有关物性数据3.3.1 Aspen plus简捷计算法计算结果如下图所示图 31可知，精馏塔实际理论塔板数为NT=35。塔板总效率由于存在中间进料，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分离效率，从而保证每块塔板都都能满足分离要求。3.3.2 AspenPlus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 32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馏塔物性数据表 31塔板数气体流量Vs（m3/h）液体流量Ls（m3/h）气体密度v（kg/m3）液体密度L（kg/m3）液相表面张力（mN/m）第1块塔板3410.756.362891.39903749.93326.6363第33块塔板3389.347.413591.13552817.66848.23583.4 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、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取:表 32塔板间距的选择塔径DT/m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.42.4-4.0板间距HT/mm200-300250-350300-450350-600400-600初选板间距HT=0.32m，板上液层高度hL，对常压塔一般取为0.050.1m（通常取0.050.08）；对减压塔，可低至0.0250.03m。取板上液层高度hL=0.06m，故：HT-hL=0.26m，气液两相流动参数为：图 33由史密斯关联图可查得：C20=0.054修正C为：在0.6-0.8范围内取安全系数为0.8，则：；按设计标准，将塔径圆整为1.2m，则塔截面积 ：则实际空塔气速为。符合板间距与塔径经验关系，所选板间距合理。因此确定设计过程中精馏段塔径为1.2m。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Error! Reference source not found.所示：表 33塔径（mm）流体流量（m3/h）单溢流双溢流U形流1000<45<71400<70<92000<9090-160<113000<110110-250<114000<110110-250<11应用场合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=1.2m，且液体流量较小。故选择单溢流。Ø 溢流堰长lw根据单溢流取lw为（0.6-0.8）D，取堰长lw为0.6D，则：Ø 出口堰hw堰高则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，影响传质效果，设计时应使堰上液层高度how大于6mm，若小于此值需采用齿形堰。但how也不宜过大，否则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，则堰上液层高度计算公式如下：，式中Lh塔内液体流量，m³/h；E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 34，由查图可得E=1.03，因此，可得：。Ø 弓形降液管宽度Wd和面积Af查化工原理下册图弓形降液管和截面积关系可得：，图 35降液管宽度及截面积则：，。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，使溢流液体中夹带的气泡能来得及分离。为此液体在降液管内的停留时间不应小于3-5s，对于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q，故降液管尺寸合适。Ø 降液管底隙高度ho在0.07-0.25m/s之间取液体通过降液管底隙的流速，则：Ø 受液盘采用凹形受液盘，不设进堰口，深度为60mm。3.6 塔板布置及浮阀数目与排列因D³800mm，故塔板采用分块式。塔板分为4块。边缘区宽度：；安定区宽度：；鼓泡区面积：；取阀动能因子F0=10，则阀孔气速为：；每层塔板上的阀孔数：；按N=90重新核算孔速及阀孔动能因数：开孔总面积：；取阀孔中心距为t=75mm，则相邻两排阀孔中心线的距离为：；塔板开孔率：。3.7 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：；1) 干板助力：；因，故按下式计算干板阻力，则：液柱；2) 板上充气液层阻力：本设备分离乙醇和水混合物，即液相为碳氢化合物，可取充气系数，则；3) 液体表面张力所造成的阻力：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则单板压降。3.7.2 液泛为了防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层高度：，其中。1) 与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度：；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，则：；3) 板上液层高度：已知hL=0.06m，则：；取，已知，则：综合上述可见：，符合防止液泛的要求。3.7.3 雾沫夹带按以下两式计算泛点率，则公式1：；公式2：；板上液体流径长度：；板上液流面积：；图 36图 37查图得物性系数，又查图得泛点负荷系数，将以上数值代入公式1得再按公式2计算泛点率，得根据以上两式计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足的要求。3.8 塔板负荷性能图3.8.1 雾沫夹带线根据公式可得：；取泛点率为80%，则；整理得·······································（1）由式(A)知雾沫夹带线为直线，则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：；忽略，则：因物系一定，塔板结构尺寸一定，则、及等均为定值，而u0与Vs又有如下关系，即，式中阀孔数N与孔径d0亦为定值，因此可将上式简化为Vs与Ls的关系式如下：，则···························（2）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：；以作为液体在降液管中停留时间的下限，则：·······················（3）3.8.4 漏液线对于F1型重阀，依计算，则，又知，则：以F0=5作为规定气体最小负荷的标准，则：（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=0.0125m作为液相负荷下限条件，则：，取E=1.03，故：····················（5）综合上述，由专业软件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 383.9 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 34结构数据塔板编号(实际)#塔板层数1塔内径，m1.2板间距，mm320液流程数1d/t,%5.2开孔率,%10.33堰长，mm720堰高，mm5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/mh8.84停留时间，s10.66降液管液泛，%34.72阀孔动能因子，(m/s)(kg/m3)0.59.59单位塔板压降，Pa343.35降液管内线速度,m/s0.03降液管底隙速度,m/s0.16浮阀校核_：（实际板号：）基本信息1项目名称7校核人2装置名称8日期2018/1/23塔的名称9说明4塔板编号(实际)#10计算选用的理论版#5塔板层数111塔板编号(理论)#6塔板形式圆形浮阀12分段说明工艺设计条件液相气相1质量流量kg/h4771.747质量流量kg/h4771.742密度kg/m3749.938密度kg/m31.403体积流量m3/h6.369体积流量m3/h3410.754粘度cp0.4210粘度cp0.015表面张力dyn/cm26.6311安全因子/0.826体系因子/0.9012充气因子/0.60塔板结构参数1塔径m1.206孔数#97.852板间距m0.32007开孔密度#/m2123.133塔截面积m21.13108溢流程数/14开孔区面积m20.79479堰的形式/平堰5开孔率%10.33溢流区尺寸两侧中心1降液管面积比%5.202堰径比%60.003降液管顶部宽度m0.12004弯折距离m0.02005降液管底部宽度m0.10006受液盘深度m0.06007受液盘宽度m0.12008堰高m0.00479降液管底隙m0.016410降液管顶部面积m20.058911降液管底部面积m20.045012顶部堰长m0.720013底部堰长m0.663414进口堰高度m15进口堰宽度m圆形浮阀参数1浮阀孔径m0.03952单阀重量kg0.03363748工艺计算结果正常操作130%操作50%操作1空塔气速m/s0.83771.08900.41892空塔动能因子m/s(kg/m3)0.50.99091.28810.49543空塔容量因子m/s0.03620.04710.01814孔速m/s8.109510.54244.05485孔动能因子m/s(kg/m3)0.59.592012.46964.79606漏点气速m/s4.22724.22724.22727漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00005.00005.00008相对泄露量kg液/100kg液-9溢流强度m3/(h.m)8.837311.48864.418710流动参数/0.04320.04320.043211板上液层高度m0.01690.01920.012412堰上液层高度m0.01210.01450.007613液面梯度m-14板上液层阻力m液柱0.00840.00960.006215干板压降m液柱0.03830.05670.033916总板压降m液柱0.04670.06640.040117雾沫夹带kg液/kg气-18降液管液泛%34.717147.414627.460919降液管内液体高度m0.06760.09240.053520降液管停留时间s10.65678.197421.313321降液管内线速度m/s0.03000.03900.015022降液管底隙速度m/s0.16250.21120.081223降液管底隙阻力m液柱0.00400.00680.001024稳定系数/1.91842.49390.959225降液管最小停留时间s3.00003.00003.0000负荷性能图参数1操作点横坐标m3/h6.362操作点纵坐标103m3/h3.413操作上限百分比-130.00%4操作下限百分比-50.00%55%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00610%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.5X液相体积流量m3/hY气相体积流量103*m3/h0-操作线1-液相下限线2-液相上限线3-漏液线4-雾沫夹带线5-液泛线4 计算结果汇总浮阀塔精馏塔的工艺计算结果表 41项目数值及说明备注塔径D/m1.2塔间距HT/m0.32塔板形式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速u/ms-10.838溢流堰长lw/m0.72溢流堰高hw/m0.00475板上液层高度hL/m0.06降液管底隙高度ho/m0.0164浮阀数N/个90等腰三角形叉排阀孔气速uo/ms-18.11阀孔动能因数F09.59临界阀孔气速uoc/ms-18.738孔心距t/m0.075指同一横排的孔心距排孔距t/m0.1120指相邻两横排的中心线距离单板压降PP/Pa502.25液体在降液管内的停留时间/s11.87降液管内清液层高度Hd /m0.1317泛点率%0.486气相负荷上限(VS)max/m3S-11253雾沫夹带控制气相负荷下限(VS)max/m3S-10.4786漏夜控制操作弹性2.6185 Aspen软件验算 5.1 达到目标要求回流比的计算由于当塔顶易挥发组分的摩尔回收率>90%时，软件模拟难以达到要求，会导致结果出现错误，不收敛。所以将塔顶易挥发组分的摩尔回收率设定为90%，计算结果如下：图 515.2 最佳进料位置的计算运用AspenPlus的灵敏度分析方法，在满足要求的情况下，使回流比或热负荷越小越好。所以，调节变量：进料板数（灵敏度分析项目），采集变量：根据分离要求计算出的实际回流比。结果如下图所示：图 52从图中可以看出，在满足分离要求的情况下，最佳进料板数为第33块塔板，实际回流比为1.07253.5.3 塔径验算计算从第2块塔板到第34块塔板，结果如下：图 53图 54从结果可看出，用Aspen计算的塔径=1.02187m，与手算结果1.07m相差不多，结果较为可靠。6 参考文献1 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M. 北京 ：化学工业出版社，2001, 102-130 32 陈敏恒等. 化工原理下册第三版. 北京：化学工业出版社出版，20113 夏清, 陈常贵. 化工原理下册. 天津：天津大学出版社，20074 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，20055 贾绍义, 柴敬诚. 化工原理课程设计. 天津：天津大学出版社，20026 何潮洪, 冯霄. 化工原理. 北京：科学出版社，20017 熊杰明，李江保，化工流程模拟Aspen 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