[工学]化工原理课程设计 精馏塔.doc
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1、化工原理课程设计任务书1.设计题目:分离乙醇正丙醇二元物系的浮阀式精馏塔2.原始数据及条件:进 料:乙醇含量45%(质量分数,下同),其余为正丙醇分离要求:塔顶乙醇含量93%;塔底乙醇含量0.01%生产能力:年处理乙醇-正丙醇混合液25000吨,年开工7200小时操作条件:间接蒸汽加热;塔顶压强1.03atm(绝压);泡点进料; R=5 3.设计任务:完成该精馏塔的各工艺设计,包括设备设计及辅助设备选型。画出带控制点的工艺流程图、塔板版面布置图、精馏塔设计条件图。写出该精馏塔的设计说明书,包括设计结果汇总和设计评价。概述本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图,是较完整的精馏设
2、计过程。精馏设计包括设计方案的选取,主要设备的工艺设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的核算,以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。本次设计结果为:理论板数为20块,塔效率为42.2%,精馏段实际板数为40块,提馏段实际板数为5块,实际板数45块。进料位置为第17块板,在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为0.8米,设置了四个人孔,塔高22.19米,通过浮阀板的流体力学验算,证明各指标数据均符合标准。关键词:二元精馏、浮阀精馏塔、物料衡算、流体力学验算。 目录第一章 绪论5第二章 塔板的工艺设计7一、精馏塔全塔物料衡算7二、 乙醇和水
3、的物性参数计算71.温度72.密度8三、理论塔板的计算11四、塔径的初步计算12五、溢流装置14六、塔板分布、浮阀数目与排列15第三章塔板的流体力学计算16一、气相通过浮阀塔板的压降16二、淹塔17三、物沫夹带18四、塔板负荷性能图191.物沫夹带线192.液泛线193.液相负荷上限204.漏液线205.液相负荷下限20第四章 塔附件的设计21一、接管21二、筒体与封头23三、除沫器23四、裙座24五、人孔24第五章塔总体高度的设计24一、塔的顶部空间高度24二、塔总体高度24第六章 附属设备的计算248.1 热量衡算248.1.1 0的塔顶气体上升的焓Qv248.1.2回流液的焓QR258.
4、1.3塔顶馏出液的焓QD258.1.4冷凝器消耗的焓QC258.1.5进料口的焓QF258.1.6塔釜残液的焓QW268.1.7再沸器QB268.2 冷凝器的设计268.3冷凝器的核算278.4泵的选择27浮阀塔工艺设计计算结果列表28主要符号说明29参考文献31I第一章 绪论精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同,采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域,并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔,而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计
5、是浮阀塔。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别,是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流,为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流,使在相同理论板的条件下,为精馏实现高纯度的分离时,始终能保证一定的传质推动力。所以,只要理论板足够多,回流足够大时,在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品,而在塔底获得高纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法本次课程设计是分离乙醇水二元物系。在此我选用连续精馏浮阀塔。具有以下特点: (1) 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加2040,而接近于筛板塔。 (2) 操作弹性大,一般约为59,比筛板、泡罩、舌形塔板的操
6、作弹性要大得多。 (3) 塔板效率高,比泡罩塔高15左右。 (4) 压强小,在常压塔中每块板的压强降一般为400660N/m2。 (5) 液面梯度小。 (6) 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。(7) 结构简单,安装容易,制造费为泡罩塔板的6080,为筛板塔的120130。本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图,是较完整的精馏设计过程。精馏设计包括设计方案的选取,主要设备的工艺设计计算物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算,可以得出精馏塔的各种设计如
7、塔的工艺流程、生产操作条件、物性参数及接管尺寸是合理的,以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。工科大学生应具有较高的综合能力,解决实际生产问题的能力,课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会,我们应充分利用这样的时机认真去对待每一项任务,为将来打下一个稳固的基础。而先进的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是我们所应坚持的设计方向和追求的目标。第二章 塔板的工艺设计一、 精馏塔全塔物料衡算F:进料量(Kmol/s) xF:原料组成D:塔顶产品流量(Kmol/s)xD:塔顶组成W:塔底残液流量(Kmol/s)xW:塔底组成原料乙醇组成: xF= =51.63%塔顶组成: xD=94
8、.54%塔底组成: xW=0.013%进料量: F=25000吨/年=0.01827kmol/s物料衡算式: F=D+WD F xF=D xD+W xW联立代入求解:D=0.0071 kmol/s W=0.0112 kmol/s二、 常压下乙醇正丙醇气液平衡组成(摩尔)与温度的关系温度T/液相组成%气相组成%97.600.000.0093.8512.624.092.6618.831.891.6021.034.988.3235.855.086.2546.165.084.9854.671.184.1360.076.083.0666.379.980.5088.491.478.381001001温度利
9、用表中数据由内差可求得tF tD tW tF := tF=85.42 tD := tD=79.81 tW := tW=97.21 精馏段平均温度:=82.615 提留段平均温度:=91.3152.密度已知:混合液密度: 混合气密度:塔顶温度: tD=79.81气相组成yD: yD=89.36%进料温度: tF=73.00气相组成yF: yF=72.58%塔底组成: tW=99.99气相组成yw: yw=0.11%(1)精馏段液相组成x1:气相组成y1:所以 (2)提留段液相组成x2:气相组成y2:所以由不同温度下乙醇和丙醇的密度,内差法求tF tD tW下的乙醇和水的密度温度T,7080901
10、00110,KG/M3754.2742.3730.1717.4704.3,KG/M3759.6748.7737.5726.1714.2tF=70.85 tD=78.28 tW=99.97 所以3混合液体表面张力 由内差法求得在tF tD tW下的乙醇和水的表面张力 乙醇表面张力 CF=18.02mN/m CD=17.30mN/m CW=15.20mN/m 水表面张力 wF=64.34mN/m wD=62.89mN/m wW=58.81mN/m塔顶表面张力 D=22.61mN/m原料表面张力 F=47.06mN/m塔底表面张力 w=58.80mN/m(1)精馏段的平均表面张力 1=(22.61+
11、47.06)/2=34.84mN/m(2)提馏段的平均表面张力:2=(58.80+47.06)/2=52.93mN/m4混合物的粘度 =74.57 查表,得水=0.382mpas, 醇=0.493mpas =85.41 查表,得水=0.334mpas, 醇=0.429mpas(1)精馏段粘度:1=醇x1+水(1-x1)=0.493*0.5418+0.382*(1-0.5418)=0.4421 mpas(1) 提留段粘度: 2=醇x2+水(1-x2)=0.429*0.1328+0.334*(1-0.1328)=0.3466 mpas5.相对挥发度由 xF=26.54% yF=77.1% 得由 x
12、D=81.82% yD=83.79% 得由 xW=0.012% yw=0.11% 得(1)精馏段的平均相对挥发度提留段的平均相对挥发度6.气液相体积流量计算(1)精馏段 质量流量: 体积流量: (2)提留段 质量流量: 体积流量: 塔板的计算三、理论塔板数的计算绘出乙醇水的气液平衡组成,即X-Y曲线图,作进料线,与平衡线的交点坐标为xq=0.2654 yq=0.54最小回流比为取操作回流比R=1.7Rmin=1.722精馏段 L=RD=1.722*0.0054=0.0093kmol/s V=(R+1)D=2.722*0.0054=0.0147kmol/s提留段 因本设计为饱和液体进料,所以q=
13、1 则精馏段操作线方程为y=0.63X+30.06 提馏段操作线方程为采用图解法求得理论板层数NT=20,加料板为第17块理论板(1) 精馏段 已知a=5.23 L1=0.4421 mpas所以(2) 提留段 已知a=9.25 L2=0.3466 mpas所以全塔所需实际塔板数:全塔效率:四、塔径的初步计算 1.精馏段 由u=(安全系数)*Umax,安全系数=0.60.8,Umax= 横坐标数值: 取板间距:Ht=0.40m , hL=0.06m .则Ht- hL=0.34m查图可知C20=0.071 ,取安全系数为0.7 ,则空塔气速按标准塔径圆整后为=0.8m塔截面积为实际空塔气速为2.提
14、留段 横坐标数值: 取板间距:Ht=0.40m , hL=0.06m .则Ht- hL=0.34m 查图可知C20=0.072 , 按标准塔径圆整后为=0.8m塔截面积为实际空塔气速为五、溢流装置1.堰长 取=0.65D=0.52m3.2.2溢流堰高度 选择平直堰 堰上层高度(1)精馏段 (2)提留段 2.方形降液管宽度和截面积由 查得, 则验算降液管内停留时间 精馏段: 提留段:停留时间5s,故降液管可使用3.降液管底隙高度(1)精馏段 取降液管底隙的流速=0.08m/s 则=(2)提留段 取=0.08m/s 则=故降液管设计合理选用凹形受液盘:深度六、塔板分布、浮阀数目与排列1.塔板分布
15、本设计塔径D=0.8m 采用整块式塔板2.浮阀数目与排列 (1)精馏段 取阀孔动能因子F0=12. 则孔速 每层塔板上浮阀数目为 取边缘区宽度 破沫区宽度 计算塔板上的鼓泡区面积,即 其中 所以 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排,取同一个横排的孔心距t=75mm 则排间距: 按t=75mm ,以等腰三角形叉排方式作图,排得阀数39个 按N=39 重新核算孔速及阀孔动能因子 阀孔动能因子变化不大,仍在913范围内 塔板开孔率= (2)提留段 取阀孔动能因子F0=12. 则孔速 每层塔板上浮阀数目为 按t=75mm ,估算排间距取t=90mm ,以等腰三角形叉排方式作图,排得阀数39个 按N=23
16、重新核算孔速及阀孔动能因子 阀孔动能因子变化不大,仍在913范围内 塔板开孔率= 第三章 塔板的流体力学计算一、气相通过浮阀塔板的压降气体通过塔板时,需克服塔板本身的干板阻力、板上充气液层的阻力及液体表面张力造成的阻力,这些阻力即形成了塔板的压降。气体通过塔板的压降Pp可由 和计算式中 hc与气体通过塔板的干板压降相当的液柱高度,m液柱; hl与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度,m液柱; h与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度,m液柱。 1. 精馏段(1)干板阻力 因u01u0c1 故(2)板上充气液层阻力取 则(3)液体表面张力所造成的阻力此阻力很小,可忽略不计。因此与气体流经塔板的压
17、降相当的液柱高度为 2.提留段(1)干板阻力 因u02u0c2 故(2)板上充气液层阻力取 则(3)液体表面张力所造成的阻力此阻力很小,可忽略不计。因此与气体流经塔板的压降相当的液柱高度为 二、淹塔为了防止淹塔现象的发生,要求控制降液管中清液高度1.精馏段(1)单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 (2)液体通过液体降液管的压头损失 (3)板上液层高度 则取,已选定 则可见所以符合防止淹塔的要求。 2.提留段 (1)单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 (2)液体通过液体降液管的压头损失 板上液层高度 则取,已选定 则可见所以符合防止淹塔的要求。 三、物沫夹带1.精馏段 板上液体流经长度:板上
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