乙醇—水精馏浮阀塔设计化工原理课程设计.doc
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1、化工原理课程设计任务书化学化工学院 材料化学专业班级 化11本(6) 姓名 陈清 学号 11233526设计题目:乙醇水精馏浮阀塔设计课程设计的目的与意义:(1) 初步掌握化工单元操作设计的基本方法和程序;(2) 训练我们的基本技能,如计算、绘图、运用设计资料(手册、标准和规范)、使用经验数据,进行经验估算和处理数据等;(3) 提高运用工程语言(简洁的文字、清晰的图表、正确的计算)表达设计思想能力。培养我们理论联系实际的正确设计思想,训练综合运用已学过的理论和实际经验。课程设计的内容: 设计一个常压浮阀精馏塔,分离含乙醇0.48(以下皆为质量分率)的乙醇水混合液,进料温度为35,要求获得0.9
2、5的塔顶产品和0.03的塔釜产品,年生产量为3000t,再沸器用2atm的水蒸汽作为加热介质,塔顶全凝器采用冷水为冷凝介质。通过翻阅大量的资料进行工艺计算、物性数据处理、塔体塔板尺寸计算、流体力学计算、画负荷性能图等对浮阀塔展开了全方面的设计。工艺操作条件: 精馏塔的塔顶压力 4kPa 进料状态 泡点进料 回流比 R=1.6Rmin 加热蒸汽压力 101.33kPa 单板压降 不大于0.70kPa 设备型式 浮阀塔(F1型)课题设计任务:(1) 完成主题设备的工艺设计与计算;(2) 有关附属设备的设计和选型;(3) 绘制带控制点的工艺流程简图和主体设备的工艺条件图;(4) 编写设计说明书。主要
3、参考书:1王国胜.化工原理课程设计.大连:大连理工大学出版社,2006.82申迎华、郝晓刚.化工原理课程设计.北京:化学工业出版社,2009.53贾绍义,柴诚敬等.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002.84付家新、王为国、肖稳发.化工原理课程设计(典型化工单元操作设备设计).北京:化学工业出版社,2010.105任晓光.化工原理课程设计指导.北京:化学工业出版社,2009.16濮存恬.精细化工过程及设备.北京:化学工业出版社,19967夏清、陈常贵.化工原理(上册).天津:天津大学出版社,2005.18夏清、陈常贵.化工原理(下册).天津:天津大学出版社,2005.1 指导教师 王
4、 俊职 务(称) 2013年 11 月 25 日 目录摘要2第一章 概述31.1 塔设备的类型41.2 板式塔与填料塔的比较及选型41.2.1 板式塔与填料塔的比较41.2.2塔设备的选型6第二章 设计任务62.1 设计摘要62.2 设计任务和条件7第三章 设计方案简介板式塔的设计73.1 设计方案的确定73.1.1 装置流程的确定73.1.2操作压力的选择83.1.3进料状况的选择93.1.4加热方式的选择93.1.5回流比的选择93.2 塔板的类型与选择93.2.1塔板的类型93.2.2 塔板的选择11第四章 浮阀塔精馏工艺设计124.1工艺计算124.1.1全塔物料衡算124.1.2 R
5、min的确定134.1.3 塔板数的确定154.2 精馏塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算204.2.1 操作压力204.2.2 操作温度204.2.3 平均摩尔质量204.2.4平均密度215.2.5液体平均表面张力的计算234.3精馏塔的塔体工艺尺寸计算254.3.1塔径的计算254.3.2精馏塔有效高度的计算284.3.3塔高的计算284.4塔板主要工艺尺寸的计算304.4.1溢流装置的设计304.4.2塔板布置及浮阀数目与排列334.5塔板流体力学验算354.5.1气相通过浮阀塔板的压降354.5.2淹塔374.5.3雾沫夹带384.6塔板负荷性能图(精馏段)404.6.1雾沫夹带线
6、404.6.2液泛线414.6.3液相负荷上限线414.6.4漏液线424.6.5液相负荷下限线424.6塔板负荷性能图(提馏段)434.6.1雾沫夹带线434.6.2液泛线444.6.3液相负荷上限线454.6.4漏液线454.6.5液相负荷下限线45参考文献48课程设计心得48摘要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1。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
7、,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。在本设计中我们使用浮阀塔,浮阀塔是一种板式塔,用于气液传质过程中。浮阀的阀片可以浮动,随着气体负荷的变化而调节其开启度,因此,浮阀塔的操作弹性大,特别是在低负荷时,仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好,雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故),塔板效率较高,生产能力较大2。塔结构简单,制造费用便宜,并能适应常用的物料状况,是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀塔的突出优点是
8、结构简单造价低,合理的设计能满足要求的操作弹性,浮阀塔是最广泛应用于工业生产的设备之一。第一章 概述精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作,精馏一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法。精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离,关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相,从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比,称为回流比,它是精馏操作的一个重要控制参数,它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。精馏过程的核心在于回流,而回流必须消耗大量能量。降低能耗是精馏过程发展的
9、重大课题。除了选择经济上合理的回流比外,主要的节能措施有:热泵精馏。将塔顶蒸气绝热压缩(见热力学过程)升温后,重新作为再沸器的热源(见热泵蒸发);多效精馏。精馏装置由压力依次降低的若干个精馏塔组成,前一精馏塔塔顶蒸气用作后一精馏塔再沸器的加热蒸气(见多效蒸发);采用高效精馏塔,可用较小的回流比;采用高效换热器,可降低传热温度差,这样就可以减少有效能损失。采用电子计算机对过程进行有效控制,减小操作裕度,确保过程在最低能耗下进行。 1.1 塔设备的类型 塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式,可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一
10、定数量的塔板,气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层,进行传质与传热。在正常操作下,气相为分散相,液相为连续相,气相组成呈阶梯变化,属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层,液体自塔顶沿填料表面下流,气体逆流向上(有时也采用并流向下)流动,气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操作状况下,气相为连续相,液相为分散相,气相组成呈连续变化,属微分接触逆流操作过程。1.2 板式塔与填料塔的比较及选型1.2.1 板式塔与填料塔的比较工业上评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面:生产能力;分离效率;塔压降;操作弹性;结构、制造及造价等。现就板式塔与填料塔的性能比较如下:(1) 生产能力板式塔与填
11、料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现的,塔板的开孔率一般占塔截面积的7%10%;而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液体接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上,而填料层的空隙率则超过90%,一般液泛点较高,故单位塔截面积上填料塔的生产能力一般均高于板式塔。(2) 分离效率一般情况下,填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为28级。而常用的板式塔,每米理论板最多不超过2级。研究表明,在压力小于0.3MPa时,填料塔的分离效率明显优于板式塔,在高压下,板式塔的分离效率略优于填料塔。(3) 塔压降填料塔由于空隙率高,故其压降
12、远远小于板式塔。一般情况下,板式塔每个理论级的压降为0.41.1kPa,填料塔为0.010.27kPa。通常,板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用,节约能耗,对于精馏过程,还可使塔釜温度降低,有利于热敏性物系的分离。(4) 操作弹性一般来说,填料本身对气液负荷变化的适应性很大,故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计,特别是液体分布器的设计,因而可根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制,一般操作弹性较小。(5) 结构、制造及造价等一般来说,填料塔的结构较板式塔简单,故制造、维修也较为方便,但填料塔的造价通常高于板式塔。应予
13、指出,填料塔的持液量小于板式塔。持液量大,可使塔的操作平稳,不易引起产品的迅速变化,故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和出料,而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。对于比表面积较大的高性能填料,填料层容易堵塞,故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。1.2.2塔设备的选型工业上,塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中,蒸馏过程多选用板式塔,而吸收过程多选用填料塔。近年来,随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件的出现,上述传统已逐渐打破。在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例,尤其是填料塔在精馏过程中的应用已非常普遍。对于一个具体
14、的分离过程,设计中选择何种塔型,应根据生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性等要求,并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。例如,(1)对于热敏性物系的分离,要求塔压降尽可能低,选用填料塔较为适宜;(2)对于有侧线进料和出料的工艺过程,选用板式塔较为适宜;(3)对于有悬浮物或容易聚合物系的分离,为防止堵塞,宜选用板式塔;(4)对于液体喷淋密度极小的工艺过程,若采用填料塔,填料层得不到充分润湿使其分离效率明显下降,故宜选用板式塔;(5)对于易发泡物系的分离,因填料层具有破碎泡沫的作用,宜选用填料塔。 第二章 设计任务2.1 设计摘要 今采用一F1型浮阀塔进行乙醇-水二元物系的精馏分离,要求乙醇的生产
15、能力为3000t/年,塔顶馏出液中乙醇浓度不低于95%,残液中乙醇含量小于3%。原料液中含乙醇为48%,其余为水(以上均为质量分数)。且精馏塔顶压力为4KPa(表压),单板压降0.7KPa。 本设计任务为分离乙醇和水的混合物。对于二元混合物的分离,应采用常压下的连续精馏装置。本设计采用泡点进料,将原料液通过预热器(再沸器)加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属不分离物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的1.6倍。塔釜采用直接蒸汽加热,釜底产品经冷却后送至储罐。2.2 设计任务和条件 (1) 原
16、料液含乙醇48(质量分数,下同),其余为水。 (2)产品乙醇含量不低于95。 (3)残液中乙醇含量小于3。 (4)生产能力为年产3000t的乙醇产品。 (5)操作条件 精馏塔的塔顶压力 4kPa(表压) 进料状态 泡点进料 回流比 R=1.6Rmin 加热蒸汽压力 101.33kPa(表压) 单板压降 不大于0.70kPa(表压) (6) 设备型式为浮阀塔(F1型)。 (7)厂址位于盐城地区。 (8)设备工作日为330天/年,24h连续运行。 (9)盐城地区夏天水温为1618。 (10)盐城当地大气压为101.4kPa。第三章 设计方案简介板式塔的设计3.1 设计方案的确定3.1.1 装置流程
17、的确定 蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器,蒸馏釜(再沸器)、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式的不同,分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大,产品质量稳定等优点,工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点,适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。 蒸馏通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离,热量自塔釜输入,由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中,热能利用率很低,为此,在确定装置流程时应考虑余热的利用。譬如,用原料作为塔顶产品(或釜液产品)冷却器的冷却介质,既可将原料预热,又可节约冷却介质。 另外,为保持塔的操作
18、稳定性,流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料,以免受泵操作波动的影响。 塔顶冷凝装置可采用全冷凝器、分凝器两种不同的设置。工业上采用全冷凝器为主,以便于准确地控制回流比。塔顶分凝器对上升蒸气有一定的增浓作用,若后继装置使用气态物料,则宜用分凝器。 总之,确定流程时要较全面、合理地兼顾设备、操作费用、操作控制及安全诸因素。3.1.2操作压力的选择 蒸馏过程按操作压力不同,分为常压蒸馏、减压蒸馏和加压蒸馏。一般地,除热敏性物系外,凡通过常压蒸馏能够实现分离要求,并能用江河水或循环水将镏出物冷凝下来的物系,都应采用常压蒸馏;对热敏性物系或者混合物泡点过高的物系,则宜采用减压蒸馏;对常压下镏
19、出物冷凝温度过低的物系,需提高塔压或者采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂;而常压下呈气态的物系必须采用加压蒸馏。例如苯乙烯常压沸点为145.2,而将其加热到102以上就会发生聚合,故苯乙烯应采用减压蒸馏;脱丙烷塔操作压力提高到1765kPa时,冷凝温度约为50,便可用江河水或者循环水进行冷却,则运转费用减少;石油气常压呈气态,必须采用加压蒸馏。3.1.3进料状况的选择 蒸馏操作有五种进料热状况,进料热状况不同,影响塔内各层塔板的气、液相负荷。工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体(泡点)进料,通常用釜残液预热原料。若工艺要求减少塔釜的加热量,以避免釜温过高,料液产生聚合或结焦,则应采用气态进料。
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