化工原理课程设计乙醇~水精馏筛板塔设计.doc

化工原理课程设计报告92160吨/年乙醇水精馏筛板塔设计年级07级四班专业化学工程与工艺设计者姓名岳喜垒设计单位化学化工学院07级四班完成日期2010年 07月22 日目 录一、概述41. 设计依据42. 技术来源43. 设计任务及要求4二：计算过程51. 塔型选择52. 操作条件的确定62.1 操作压力62.2 进料状态62.3 加热方式62.4 热能利用63. 有关的工艺计算63.1 最小回流比及操作回流比的确定73.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算83.3 全凝器冷凝介质的消耗量83.4 热能利用83.5 理论塔板层数的确定93.6 全塔效率的估算103.7 实际塔板数114. 精馏塔主题尺寸的计算114.1 精馏段与提馏段的体积流量114.1.1 精馏段114.1.2 提留段124.2 塔径的计算134.3 塔高的计算145. 塔板结构尺寸的确定155.2 塔板尺寸155.2 塔板布置166. 筛板的流体力学验算176.1塔板压降176.2液面落差186.3液沫夹带196.4漏液验算196.5液泛验算207. 塔板负荷性能图207.1 漏液线207.2 液沫夹带线217.3 液体负荷下限线227.4液体负荷上限线227.5液泛线227.6 操作性能负荷图237.7 筛板塔的工艺设计计算结果258. 各接管尺寸的确定268.1 进料管268.2 釜残液出料管278.3 回流液管278.4 塔顶上升蒸汽管278.5 水蒸汽进口管28参考资料：29小结：29一、概述化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。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。山东也已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏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，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，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。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。2. 技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。3. 设计任务及要求原料： 原料乙醇含量：质量分率=（30+0.5*28）%=44%原料乙醇处理量：质量流量=（10+0.1*28）=12.8t/h原料液温度：45设计要求：塔顶的乙醇含量0.80(摩尔分率) 塔底的乙醇含量0.05(摩尔分率)设计条件： 常压精馏 塔顶全凝 塔底直接加热 泡点进料 泡点回流 单板压降0.7kpa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，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。它的主要优点是：结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60左右，为浮阀塔的80%左右；在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%40%；塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右；气体压力降较小，每板降比泡罩塔约低30%左右。缺点是：小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约23）。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。3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 水的摩尔质量 原料液的摩尔组成： 原料液的平均摩尔质量： 同理可求得：45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(摩尔分数)0.23520.800.05摩尔质量24.585640.419.4沸点温度/82.4178.2091.503.1 最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，过点做直线交平衡线于点，由点可读得，因此： 又过点作平衡线的切线，切点为，读得其坐标为，因此：所以，可取操作回流比3.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算进料量为： 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13.5块，提馏段1.5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/82.478.20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液相汽相平均摩尔质量/32.136.8平均密度/7991.269体积流量/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/91.582.4表6 提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/22.029.89平均密度/8891.0113体积流量/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： 取安全系数为0.7，则空塔气速为：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4个，在进料板上侧有1个人孔，精馏段3个，提馏段1个。 取人孔两板之间的间距，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：有效高度5. 塔板结构尺寸的确定5.1 塔板尺寸由于塔径D=1600mm，所以采用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。1.堰长lW：堰长=(0.60.8)D取堰长=0.66D=0.66×1.6=1.056m2.堰高采用平直堰，堰高；液流收缩系数E 取E=1精馏段：提馏段：取板上清液层高度，所以：精馏段：提馏段：3.弓形降液管高度Wd及降液管面积Af由 查弓形降液管截面尺寸参数比例图得： ；则验算液体在降液管中停留时间，则精馏段：提馏段：故降液管设计合理。4降液管底隙高度h0 取降液管底隙流速精馏段： 提馏段：故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度5.2塔板布置1.塔板的分块因为，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为3块。2.边缘区宽度确定 取，。3.开孔区面积的计算开孔区面积用式计算 故 4.筛孔计算及其排列 所处理的物系无腐蚀性，可选用=3mm碳钢板，取筛孔直。筛孔按正三角排列，取中心距筛孔数目为开孔率为精馏段气体通过筛孔的气速为提馏段气体通过筛孔的气速为6筛板的流体力学验算6. 1.塔板压降（1）干板阻力的计算由式进行计算由，查干筛孔的流量系数得故液柱（2）气体通过液层阻力计算气体通过液层的阻力由计算精馏段：查充气系数关联图得故提馏段：，所以液柱（3）液体表面张力的阻力的计算精馏段：液柱提馏段：液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算精馏段：液柱（设计允许值）提馏段：液柱（设计允许值）6.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本塔的塔径和流量均不是很大，故可以忽略液面落差的影响。6.3液沫夹带液沫夹带可以由公式：进行计算，其中代表液沫夹带量，kg液体/kg气体；一般规定kg液体/kg代表塔板上的鼓泡层高度，m；设计经验。；精馏段：kg液/kg气<0.1 kg液/kg气提馏段：kg液/kg气<0.1 kg液/kg气所以本设计液沫夹带量在允许范围内。6.4漏液验算对于筛板塔，漏液点气速可由计算，故精馏段： 稳定系数：故无明显漏液。提馏段： 稳定系数：故无明显漏液。6.5 液泛验算为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应。水乙醇属于一般物系，取故=0.6精馏段：提馏段：溢流管内的清液层高度板上不设进口堰，精馏段：提馏段：可见，即不会产生液泛。7. 塔板负荷性能图7.1 漏液线由得：精馏段：整理得：提馏段：整理得：根据精馏提馏段方程可得漏液线（1）7.2 液沫夹带线以kg液/kg气为限，求关系：由精馏段：整理得：提馏段：整理得：根据精馏提馏段方程可得液沫夹带线（2）7.3 液体负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度得据此可得与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（3）7.4液体负荷上限线以作为液体在降液管内停留时间的下限，由据此可得与气体流量无关的垂直液相负荷上限线（4）7.5 液泛线令由 联立得：忽略，将与，与，与的关系带入上式整理得：其中，将相关数据代入式中：精馏段：代入上式化简后可得：提馏段： 代入上式化简后可得：根据精馏提馏段方程可得液泛线（5）7.6 操作性能负荷图由以上各线可以画出精馏段筛板负荷性能图，如下图由图可以看出，该筛板的操作线上限为泡沫夹带线，下限为漏液线。从图中数据可以得出： 故操作弹性为 由以上各线可以画出精馏段筛板负荷性能图，如下图由图可以看出，该筛板的操作线上限为泡沫夹带线，下限为漏液线。从图中数据可以得出： 故操作弹性为 7.7 筛板塔的工艺设计计算结果有关该筛板塔的工艺设计计算结果汇总于表9表9筛板塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注全塔平均温度84全塔平均压力112.7气相流量2.219精馏段2.262提馏段液相流量0.001844精馏段0.004714提馏段塔的有效高度13.3实际塔板数32塔径1.6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精馏段1.104提馏段1.125溢流堰长度1.056溢流堰高度精馏段0.051提馏段0.042板上液层高度0.06降液管底隙高度精馏段0.012提馏段0.030筛板孔数个5330等腰三角形叉排筛孔气速精馏段14.7提馏段14.98孔心距0.018同一横排的孔心距安定区宽度0.065边缘区宽度0.035筛孔直径0.006开孔率，%10.1开孔区面积1.495稳定系数K1.6精馏段1.5提馏段单板压降精馏段509提馏段569液体在降液管内的停留时间35精馏段13.4提馏段降液管内的清液高度0.1284精馏段0.1287提馏段精馏段气相负荷上限1.34泡沫夹带控制气相负荷下限2.82液相负荷下限线控制操作弹性2.1提馏段气相负荷上限1.52液相负荷上限线控制气相负荷下限2.82漏液线控制操作弹性1.868. 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：参考资料：1化工设备机械基础 汤善甫 朱思明主编. 华东理工大学出版社 2化工原理(上、下). 陈敏恒等 编. 化学工业出版社. 3化工原理(上、下). 谭天恩等 编. 化学工业出版社.4化工原理实验 丁海燕 主编 中国海洋大学出版社5物理化学实验 张洪林等 主编 中国海洋大学出版社6化工原理课程设计 贾绍义 柴诚敬 主编 天津大学出版社7化工制图 第二版 赵惠清 蔡纪宁 主编 化学工业出版社8化工热力学 第二版 朱自强 徐汛 合编 化学工业出版社9物理化学. 第五版 傅献彩等 编 高等教育出版社10量热技术和热物性测定 陈则韶 葛新 编 11机械制图 第五版 何明新 钱可强 主编 高等教育出版社 小结：本次化工原理课程设计历时近两周，在设计过程中学会运用流体力学，传质传热等多方面的知识，简单的学会计算机绘图、计算机处理简单数据以及处理图片。在设计过程中所用到数据经过查阅大量文献才得以找到，虽遇到不少其他困难，但是一次将课本的知识综合应用解决问题的实践。虽然本次已设计出筛板精馏塔，但是与实际生产还是有较大差距，所以就要求我们要广泛学习积累经验。在设计过程中也发现一些平日学习生活中需要注意的问题，比如查找数据，这次课程设正值暑假，图书管和资料室无法查找数据，在网上查找的数据和实际有一定的偏差，导致数据不准确。因此，平时应多学习在资料上查找数据的知识，以便以后学习时用到。