化工原理课程设计乙醇—水分离过程板式精馏塔设计.doc
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1、 武汉工程大学材料学院课程设计说明书 论文题目:乙醇水分离过程板式精馏塔设计学 号: 0902020330 学生姓名: 郑立 专业班级: 09高材03 指导教师: 覃老师 总评成绩: 2012年6月28日武汉工程大学材料院课程设计任务书专业 09高材 班级 3班 学生姓名 郑立 发题时间: 2012 年 6 月 18 日一、 课程设计题目乙醇-水溶液连续精馏塔设计二、 课程设计的内容1 设计方案的确定2 带控制点的工艺流程图的确定3 操作条件的选择(包括操作压强、进料状态、回流比等)4 塔的工艺计算(1) 全塔物料衡算(2) 最佳回流比的确定(3) 理论板及实际板的确定(4) 塔径的计算(5)
2、 降液管及溢流堰尺寸的确定(6) 浮阀数及排列方式(筛板孔径及排列方式)的确定(7) 塔板流动性能的校核(8) 塔板负荷性能图的绘制(9) 塔板设计结果汇总表5 辅助设备工艺计算(1)换热器的面积计算及选型(2)各种接管管径的计算及选型(3)泵的扬程计算及选型6塔设备的结构设计:(包括塔盘、裙座、进出口料管)三、 课程设计的要求1、 撰写课程设计说明书一份2、 工艺流程图一张3、 设备总装图一张四、 课程设计所需的主要技术参数原料: 乙醇-水溶液原料温度: 30处理量: 2万吨/年原料组成(乙醇的质量分数):50%产品要求:塔顶产品中乙醇的质量分数:92%;塔顶产品中乙醇的回收率:99%生产时
3、间: 300天(7200 h)冷却水进口温度:30加热介质: 0.6MPa饱和水蒸汽五、 课程设计的进度安排1、 查找资料,初步确定设计方案及设计内容,1-2天2、 根据设计要求进行设计,确定设计说明书初稿,2-3天3、 撰写设计说明书,总装图,答辩,4-5天六、 课程设计考核方式与评分方法指导教师根据学生的平时表现、设计说明书、绘图质量及答辩情况评定成绩,采用百分制。其中: 平时表现 20%设计说明书 40%绘图质量 20%答辩 20%指导教师:覃远航 学科部负责人: 2012年6月18日目录摘要I第一章 概述11.1精馏操作对塔设备的要求11.2板式塔类型2第二章 设计方案的确定32.1操
4、作条件的确定32.2确定设计方案的原则4第三章塔的工艺尺寸得计算63.1精馏塔的物料衡算63.2塔板数的确定7 3.2.1理论板层数N的求取7 3.2.2最小回流比及操作回流比计算.8 3.2.3图解法求理论塔板数.8 3.3 精馏塔有关物性数据的计算9 3.3.1 操作温度计算.10 3.3.2液体平均黏度计算10 3.3.3 平均摩尔质量计算10 3.3.4 平均密度计算11 3.3.5 液体平均表面张力计算12 3.4 精馏塔的塔体工艺尺寸设计13 3.4.1塔径的计算13 3.4.2精馏塔有效高度的计算15 3.5 塔板主要工艺尺寸的计算15 3.5.1 溢流装置计算15 3.5.2
5、塔板布置17 3.6 筛板的流体力学验算18 3.6.1气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)19 3.6.2干板阻力19 3.6.3由表面张力导致的阻力19 3.6.4漏液验算19 3.6.5液泛验算19 3.6.6雾沫夹带验算193.7操作性能负荷图20 3.7.1雾沫夹带上限线20 3.7.2液泛线 .21 3.7.3液体负荷上限线.21 3.7.4漏液线.21 3.7.5液相负荷下限线.21第四章 塔附属设计234.1 冷凝器的选择.234.2各种接管管径的计算及选型.24 4.2.1进料管.24 4.2.2釜液出料管.24 4.2.3回流液管.25 4.2.4塔顶上升蒸汽管.254.3
6、泵的扬程计算及选型.264.4塔设备的结构设计.27 4.4.1法兰.27 4.4.2筒体.27 4.4.3封头.27 4.4.4裙座.27 4.4.5人孔.284.5 塔总体高度设计28 4.5.1 塔的顶部空间高度28 4.5.2 塔的底部空间高度28 4.5.3 塔体高度284.6热能的利用.28设计小结29附录30参考文献31摘要在化工生产中,气体吸收过程是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异,在气液两相接触时发生传质,实现气液混合物的分离。在化学工业中,经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离,其目的是:回收或捕获混合物中的有用物质,以制造产品。除去工艺气体中的有
7、害成分使气体净化,以便进一步加工处理,除去工业中排放到空气中的有害气体,以免污染大气。 实际过程往往兼有净化和回收的双重目的。 实际混合气体的分离,总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。根据不同性质上的差异,可以开发出不同的分离方法,吸收操作仅为其中之一,它利用混合物中各组分在液体中的溶解度不同或化学性质差异,在气液两相接触时发生传质,实现气液混合物的分离。一般说来完整的吸收过程包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中,原气的净化,气体产品的精制,治理有害气体,保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为其中的主要设备之一,越来越受到青睐。二氧化硫填料吸收塔以水为溶剂,经济
8、合理,净化度高,污染小。除此之外,由于二氧化硫和水反应生成硫酸,具有很大的作用。第一章 概述化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节,是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识,完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法,并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练,在设计过程中还应培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。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
9、、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。山东业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。1.1精馏操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质,而作为气(汽)
10、、液两相传质所用的塔设备,首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触,以达到较高的传质效率。但是,为了满足工业生产和需要,塔设备还得具备下列各种基本要求: (1)气(汽)、液处理量大,即生产能力大时,仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 (2)操作稳定,弹性大,即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时,仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (3)流体流动的阻力小,即流体流经塔设备的压力降小,这将大大节省动力消耗,从而降低操作费用。对于减压精馏操作,过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度,最终破坏物系的操作。 (4) 结构
11、简单,材料耗用量小,制造和安装容易。 (5)耐腐蚀和不易堵塞,方便操作、调节和检修。 (6) 塔内的滞留量要小。实际上,任何塔设备都难以满足上述所有要求,况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点,设计时应根据物系性质和具体要求,抓住主要矛盾,进行选型。1.2板式塔类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔,也可采用填料塔。 板式塔为逐级接触型气液传质设备,其种类繁多,根据塔板上气液接触元件的不同,可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。 第二章 设计方案的确定 本设计任务为乙醇水混合物。对于二元混合物的
12、分离,应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝,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至储罐。该物系属易分离物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。2.1操作条件的确定操作条件对操作有着重要的影响,若条件不当则会导致生产效果不理想,例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等都岁生产有着重要的影响。下面结合课程设计的需要,对某些问题作些阐述。2.1.1操作温度 操作温度主要计算进料口温度、塔顶温度、塔釜温度,从
13、而得到精馏段温度和提馏段温度。2.1.2 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。在实际的生产中进料状态有多种,但一般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。此外,在泡点进料时,精馏段与提馏段的塔径相同,为设计和制造上提供了方便。2.1.3加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热,设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水,而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液),便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是:可以利用压力较低的蒸汽加热;在釜内只须安装鼓泡管,不须安置庞大的
14、传热面。这样,可节省一些操作费用和设备费用。然而,直接蒸汽加热,由于蒸汽的不断通入,对塔底溶液起了稀释作用,在塔底易挥发物损失量相同的情况下,塔底残液中易挥发组分的浓度应较低,因而塔板数稍有增加。但对有些物系(如酒精与水的二元混合液),当残液的浓度稀薄时,溶液的相对挥发度很大,容易分离,故所增加的塔板数并不多,此时采用直接蒸汽加热是合适的。值得提及的是,采用直接蒸汽加热时,加热蒸汽的压力要高于釜中的压力,以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于酒精水溶液,一般采用0.40.7KPa(表压)。2.1.4冷却装置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
15、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50,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。2.2确定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下,尽量采用科学技术上的最新成就,使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求,符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此,必须具体考虑如下几点:2.2.1满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备,首先必须保证产品达到任务规定的要求,而且质量要稳定,这
16、就要求各流体流量和压头稳定,入塔料液的温度和状态稳定,从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性,各处流量应能在一定范围内进行调节,必要时传热量也可进行调整。因此,在必要的位置上要装置调节阀门,在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时,也应考虑到生产上的可能波动。再其次,要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计,流量计等)及其装置的位置,以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常,从而帮助找出不正常的原因,以便采取相应措施。2.2.2满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗,减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热,就能节约很多生蒸汽和冷却
17、水,也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低,一方面影响到冷却水用量,另方面也影响到所需传热面积的大小,即对操作费和设备费都有影响。同样,回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 2.2.3保证安全生产例如酒精属易燃物料,不能让其蒸汽弥漫车间,也不能使用容易发生火花的设备。又如,塔是指定在常压下操作的,塔内压力过大或塔骤冷而产生真空,都会使塔受到破坏,因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中,对第一个原则应作较多的考虑,对第二个原则只作定性的考虑,而对第三个原则只要求作一般的考虑。第三章 塔的工艺尺寸得计算3.1精馏塔的物料衡算乙醇的摩尔质量 水的摩尔质
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