化工原理含化工设备机械基础课程设计板式精馏塔设计.doc
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1、板式精馏塔优化设计化工原理(含化工设备机械基础)课程设计板式精馏塔设计专业班级:化工工艺06-3班本组成员:指导老师:设计时间:2009年4月27日 至 2009年5月15日目 录1、摘要22、设计任务书33、前 言44、回流比优化64、塔板的工艺设计85、塔板的流体力学计算186、塔附件设计257、塔总体高度的设计278、附属设备设计279、精馏塔主体设备机械设计2810、参考文献3611、附录39摘要:本设计采用筛板塔精馏分离乙醇-水溶液,利用VB语言优化回流比,并算出理论塔板数为40,最优回流比2.66。对塔的工艺尺寸进行计算得出塔径为0.8米,塔总高42米。对塔的流体力学进行验证后,符
2、合筛板塔的操作性能。经过对塔设备的强度计算,12mm满足设计要求。本次设计内容对提高化工原理课程设计的能力有明显作用。关键词: 筛板塔、 乙醇、 最小回流比、 经济衡算精馏塔优化设计任务书1、 设计任务:年处理2.8万吨乙醇-水溶液系统2、 设计条件:l 料液含乙醇13wt%;l 馏出液含乙醇不少于94wt%;l 残液含乙醇不大于0.05wt%。3、 操作条件:l 泡点进料,回流比由经济衡算优化;l 塔釜加热方式及蒸汽压力:间接,0.2Mpa(表压);l 塔顶全凝器冷却水进口温度20,出口温度50;l 常压操作,年工作日300天,每天工作24小时;l 塔板形式:筛板塔;l 安装地点:合肥。4、
3、 主要设计内容:l 工艺流程的确定;l 塔和塔板的工艺尺寸计算;l 塔板的流体力学验算及复合性能图;l 主体设备的机械设计;l 辅助设备的计算设备的机械设计。前言精馏是通过汽液两相的直接接触,利用组分挥发度的不同,使易挥发组分由液相向气相传递,难挥发组分由气相向液相传递,来达到分离液相混合物的一种常用操作。蒸馏操作在化工,石油化工,轻工等工业生产中占有重要的地位。为此,掌握气液相平衡关系,熟悉各种塔型的操作特性,对选择,设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续过程。间歇蒸馏时一种不稳定操作,主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合;连续蒸馏为稳态的连续
4、过程,是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分简单蒸馏,平衡蒸馏,精馏和特殊精馏等。简单蒸馏是一种单级蒸馏操作,常以间歇方式进行。平衡蒸馏又称闪蒸,也是一种单级蒸馏操作,常以连续方式进行。简单蒸馏平衡蒸馏一般用于较易分离的体系或分离要求不高的体系。对于较难分离的体系可采用精馏,用普通精馏不能分离体系则可采用特殊精馏。特殊精馏是在物系中加入第三组分,改变被分离组分的活度系数,增大组分间的相对挥发度,达到有效分离的目的。特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般来说,当总压强增大时,平衡时气相浓度接近,对分离不利,但对在常压下为气态的混
5、合物,可采用加压精馏;沸点高又是热敏性的混合液,可采用减压精馏。精馏过程所用的设备及其相互联系,总称为精馏装置,其核心是精馏塔。常用的精馏塔又是板式塔和填料塔两大类,统称塔设备。和其它传质过程一样,精馏对塔设备的要求大致包括:(1) 生产能力大:即单位塔截面可通过较大的气、液相流率,不会长生液泛等不正常流动。(2) 效率高:汽、液相在塔内流动时保持充分的接触,具有较高的塔板效率或较大的传质速率。(3) 流动阻力小:流体通过塔设备的阻力降小,可以节省动力费用,在减压操作时易于达到所要求的真空度。(4) 有一定的操作弹性:当汽液相流率有一定波动时,两相均能维持正常的流动,且不会使效率产生较大的变化
6、。(5) 结构简单,造价低,安装检修方便。(6) 能满足物性的工艺特性,如腐蚀性,热敏性,起泡性等特殊要求。分离乙醇水溶液用的是板式精馏塔,板式塔大致可分为两类,一类是有降液管的塔板,如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直板、舌形、S形、多降液管塔板等;另一类是无降液管塔板,如穿流式筛板、穿流式波纹板等。工业应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。基于本次设计中我们采用的是筛板塔,下面主要介绍筛板塔。 筛板塔: 筛板是在塔板上有均布的筛孔,操作时,液体横向流过塔板,靠溢流堰,使板上能维持一定厚度的液层,上升气流通过筛孔分散成细小的流股,在板上液层鼓泡而出,气液间密切接触而进行传质。在正常
7、操作气速下,通过筛孔上升的气流,应能阻止液体经筛孔向下泄漏。 筛板塔的优点是结构简单,制造维修方便,造价低,相同条件下生产能力高于浮阀塔,塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄,小孔径筛板易堵塞,不适宜处理粘性大的、易结焦的和带固体粒子的物料。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性,对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板,故近年我国对筛板的应用日益增多。回流比优化一 精馏塔优化设计的目标函数以精馏塔系统的年总费用为目标函数,可以表示为: 式中: J精馏塔系统的总费用,元/a; 精馏塔塔体的造价及维修费用,元/a;冷凝器的造价及操作费用,元/a;再沸器的造价及操作费用,元/a。1. 的数学模型
8、1). 塔板费用的计算: 式中美元对人民币的汇率6.5人民币美元 塔板类型因子,由于所选为筛板塔,0.85 估计实际塔板数20,故板数因子2). 塔径的计算式中P=101.3kpa空塔气速 式中: =1.2m, =2m,=7.9kg/2. 的数学模型,kcal/(m2h)3 .的数学模型 煤价: 元/吨4.优化得与回流比的关系图如下塔板的工艺设计一 精馏塔全塔物料衡算F:原料液流量() :原料组成(摩尔分数,下同)D:塔顶产品流量() :塔顶组成W:塔底残液流量() :塔底组成原料乙醇组成:塔顶组成:塔底组成:进料量: 物料衡算式为: 联立求解:D=12.7225, W=186.01 1.温度
9、 利用表中数据由拉格朗日插值可求得 =89.6=78.2 =99.85精馏段平均问题: 提馏段平均问题: 2.密度已知:混合液密度:(为质量分率,为相对分子质量)混合气体密度:(1)精馏段: =83.9液相组成:气相组成:所以: (2)提馏段:=94.7液相组成:气相组成: 所以: 不同温度下乙醇和水的密度:温度/乙水温度/乙水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在和下乙醇和水的密度=83.9: 同理:=94.7:,在精馏段: 液相密度:气相密度:在提馏段: 液相密度:气相密度:3.混合液体的表面张力1).精馏段:乙醇表面
10、张力: 水表面张力: 联立方程组:2).提馏段:乙醇表面张力:水表面张力:联立方程组:4.混合物的粘度,查表得: ,查表得: 精馏段粘度: 提留段粘度:5.气液体积流量计算根据x-y图作图得,切线截距为:b=0.2696(相平衡数据见附录)由程序优化得实际回流比R=2.66(1) 精馏段:L=RD=2.7312.7225=34.732 V=(R+1)D=(2.73+1)12.7225=47.455 已知:则质量流量:体积流量:(2)提镏段:饱和液体进料:q=1已知:质量流量:体积流量:三.理论塔板的计算由程序可得在R为最优的情况下总理论塔板数N=40精馏段理论塔板数N1=34提馏段理论塔板数N
11、2=6板效率可用奥康奈尔公式:(1)精馏段:由=83.9时:所以精馏段实际塔板数为: 可取73(2)提馏段:由=94.7时:所以精馏段实际塔板数为: 可取13总实际塔板数:总塔板效率四塔径的初步设计1.精馏段u=7.61/=7.61/=0.756m/s塔径:横截面积:五溢流装置1堰长取m出口堰高:本设计采用平直堰,堰上液高度,按下式计算:1).精馏段2).提馏段2.弓形降液管的宽度和横截面查图得: 则:=0.0740.03=0.037,=0.130.8=0.104m验算降液管内停留时间:精馏段:提馏段:停留时间:5s,故降液管可用.3.降液管底隙高度1).精馏段: 2).提馏段:因为不小于20
12、mm,故满足要求.六塔板布置1开孔区开孔面积:2筛孔的计算及其排列筛孔直径:筛板厚度:孔中心距:筛孔的排列与孔数(正三角形排列)开孔率:气体通过筛孔的速度为: 工艺设计计算数据汇总:精馏段精馏段数据提馏段提馏段数据塔板数73塔板数13液体流量0.0002445液体流量0.0014743气体流量0.3794气体流量0.7768塔板间距/ mm400塔板间距/ mm400堰长/ mm520堰长/ mm520堰高 /mm66堰高 /mm61底隙高度/ mm60底隙高度/ mm55塔截面积/0.5026塔截面积/0.5026降液管面积/0.037降液管面积/0.037开孔面积/0.3033开孔面积/0
13、.3033孔数n1787孔数n1787开孔率0.074开孔率0.074孔心距t /m0.014孔心距t /m0.014边缘区宽/m0.05边缘区宽/m0.05排列方式正三角形排列排列方式正三角形排列流动形式单流型流动形式单流型空塔气速u0.756空塔气速u0.756堰上液头高度/m0.00403堰上液头高度/m0.00894塔板阻力/m0.0295塔板阻力/m0.0200降液管液体停留时间/s60.53降液管液体停留时间/s11.84降液管内清液层高度/m0.1499降液管内清液层高度/m0.1499漏液点气数10.66漏液点气数11.99稳定系数K1.58稳定系数K1.50 塔板的流体力学验
14、算一.塔板压降以相当于液柱高度表示: 式中:与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度;与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度;与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度。1.精馏段:1).干板阻力: 15%,可用 依,查413,得=0.79 2).气体通过液层的阻力由图4-14查取板上液层充气系数=0.68 3). 2.提馏段:1). 2). 由图4-14查取板上液层充气系数=0.71 3). 二.雾沫夹带量采用hunt的经验式.1).精馏段: 2).提馏段: 三.漏液点气速 1).精馏段: 筛板的稳定性系数:2).提馏段:筛板的稳定性系数在设计负荷下不会产生过量漏液.四.液泛验算(条件:) 1).
15、精馏段: 取故 ,在设计负荷下不会发生液泛.2).提馏段: 故 ,在设计负荷下不会发生液泛.根据以上塔板的各项流体力学验算,可认为精馏塔塔径及各工艺尺寸是合适的.五.塔板负荷性能图1.雾沫夹带线(1) 1).精馏段: 取雾沫夹带极限,已知 整得:2).提馏段:取雾沫夹带极限,已知2.液泛线(2)1).精馏段:故 故 则整理得:2).提馏段:= 则3.夜相负荷上限线(3) 取液体在降液管中停留时间为5s. 4.漏液线(气相负荷下限线)(4)1).精馏段:将代入得2).提馏段:将得5.液相负荷下限线(5)取平堰,堰上液层高度作为液相负荷下限条件,精提段相同:所得精馏段复合性能图如下:提馏段复合性能
16、图如下:塔附件设计一接管1.进料管(直管进料)进料管的结构类型很多,有直管进料管,弯管进料管,T进料管.本设计采用直管进料管.管径计算如下:,取查标准(进料管尺寸)取2回流管采用直管直流管,取mm(查表得)取3.塔釜出料管取直管进料,查出料管规格标准取4.塔顶蒸汽出料管直管出气,取出口气速u=20m/s,则查蒸汽出料管规格标准取5.塔釜进气管采用直管,取查进气管规格标准取:二筒体与封头1.筒体 式中: :Q235A在100时的许用应力,从表14-5查得为113 ; :塔体焊缝为双面对焊接,局部无损检测,由表14-5查得=0.85; :腐蚀裕量,根据已知工艺条件,=4mm。考虑到此塔较高,风载荷
17、较大,而塔的内径不太大,故应适当增加厚度,为了便于焊接,取封头与筒体等厚,即.2.封头采用椭圆形封头,总深度:225mm.三除沫器 本设计采用丝网除沫器,其具有比表面积大、重量轻、空隙大及使用方便等优点。设计气速选取:选取不锈钢除沫器:类型:标准型,规格:40-100.材料:不锈钢丝网()丝网尺寸:圆丝四裙座本设计采用圆筒形,由于裙座内径800mm,故裙座壁厚取16mm.基础环内径:基础环外径:圆整:,考虑到腐蚀裕量、再沸器,裙座高度取:2.7m.五吊柱本设计中塔高度大,因此设吊柱.可选用吊柱500kg.S=800mm,型号:HG 5-1373-80-14六人孔 人孔是安装或检修人员进出塔的唯
18、一通道,人孔的设置应便于进入任何一层塔板。 取人孔DN=400mm.塔总体高度的设计一塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离,取除沫器到第一块的距离为600mm,塔顶部空间高度为1200mm.二塔的底部空间高度塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离,三塔立体高度,:进料板间距700mm10块板开一个400mm的人孔,开人孔处板间距为600mm.附属设备设计一冷凝器的选择有机物蒸汽冷凝器设计总体传热系数一般范围为501500kcal/()本设计取K=700 kcal/()=2926kJ/()出料液温度:78.2(饱和气)78.2(饱和液)冷却水
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