化工原理课程设计-乙醇-水筛板式精馏塔及其主要附属设备的设计.doc

成绩东南大学成贤学院课 程 设 计 报 告题 目 乙醇-水筛板式精馏塔及其主要附属设备的设计 课 程 名 称 化工原理课程设计 专 业 化学工程与工艺 班 级 09 化工（1）班 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 指 导 教 师 设计起止时间：2011 年 8月22日至2011年9月9日 目录一 概述.41.1 设计依据.41.2 技术任务.41.3 设计内容.41.4 工艺条件.5二 塔板的工艺设计.62.1 精馏塔的物料衡算.6 2.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率.6 2.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.6 2.1.3物料衡算.62.2 塔板数的确定.62.2.1 最小回流比及操作回流比的确定.62.2.2 相对挥发度.7 2.23 精馏段的理论板层数.82.2.4 求全塔理论板层数.92.3 精馏塔内各物性参数计算.92.3.1 温度.92.3.2 黏度.112.3.3 密度.112.3.4 气液体积流量.132.3.5 混合液体表面张力.142.4 实际塔板数.162.4.1 精馏段.162.4.2 提馏段.172.4.3 全塔效率.172.5 塔径的计算.17 2.5.1 精馏段.17 2.5.2 提馏段.182.6 塔有效高度的计算.192.7 溢流装置.19 2.7.1 堰长 .19 2.7.2 方形降液管的宽度和横截面.19 2.7.3 降液管底隙高度.202.8 塔板布置.20 2.8.1 塔板分布.20 2.8.2 开孔区面积.20 2.8.3 筛板的筛孔和开孔率.21三 塔板的流体力学计算.213.1 气相通过塔板的压降.21 3.1.1 精馏段.21 3.1.2 提馏段.223.2 液泛.22 3.2.1 精馏段.22 3.2.2 提馏段.223.3 雾沫夹带.23 3.3.1 精馏段.23 3.3.2 提馏段.23 3.4 漏液点.23 3.4.1 精馏段.23 3.4.2 提留段 .243.5 塔板负荷性能图.24 3.5.1 液相负荷下限线.24 3.5.2 液相负荷上限线.24 3.5.3 漏液线.25 3.5.4 雾沫夹带线.263.5.5 液泛线.273.5.6 操作弹性.28四 附属设备设计.30 4.1 冷凝器.30 4.2 再沸器.32五 塔体结构设计.32 5.1 塔顶空间.32 5.2 塔底空间.33 5.3 塔高.33六 总结.33七 参考文献34八 附件.34一、概述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 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。1.2 技术任务完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附属设备的设计和选用，绘制带控制点工艺流程图，塔板结构简图，编制设计说明书。1.3 设计内容 1. 工艺设计 （1）选择工艺流程和工艺条件 a加料方式 b. 加料状态 c. 塔顶蒸汽冷凝方式 d. 塔釜加热方式 e. 塔顶塔底产品的出料状态 塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。 （2）精馏工艺计算： a.物料衡算确定各物料流量和组成。 b.经济核算确定适宜的回流比 根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原则，尽量使用计算机进行 最优化计算，确定适宜回流比。 c.精馏塔实际塔板数 用近似后的适宜回流比在计算机上通过逐板计算得到全塔理论塔板数以及 精馏段和提馏段各自的理论塔板数。然后根据全塔效率et，求得全塔、精馏段、提馏段的实际塔板数，确定加料板位置。 2. 精馏塔设备设计 (1)选择塔型和板型 采用板式塔，板型为筛板(浮阀)塔。 (2)塔板结构设计和流体力学计算 (3)绘制塔板负荷性能图 画出精馏段或提馏段某块的负荷性能图。 (4)有关具体机械结构和塔体附件的选定 *接管规格： 根据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准管道。 *全塔高度： 包括上、下封头，裙座高度。 1.4 工艺条件生产能力：3000吨/年（料液）年工作日：300天原料组成：50%乙醇，50%水（质量分率，下同）产品组成：馏出液 90%乙醇，釜液5%乙醇操作压力：塔顶压强为常压单板压降：进料温度：泡点 进料状况：泡点加热方式：直接蒸汽加热 回流比： 自选 二、 塔板的工艺设计2.1 精馏塔的物料衡算2.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 2.1.3物料衡算 进料流量 得到2.2 塔板数的确定2.2.1 最小回流比及操作回流比的确定 由chemcad图中的x-y 当泡点进料时，q=1， 则 取，则 2.2.2 相对挥发度常压下乙醇和水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系温度/。c液相中乙醇的含量x%气相乙醇的含量y%1000095.51.917897.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.881.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.43 由上述表格计算 同理可得 则 2.2.3 精馏段的理论板层数 由解的为精馏段的相对挥发度 得 运用吉利兰图 求精馏段理论板层数 由吉利兰图查的 则 ，所以加料板为从塔顶往下的第四块理论板。2.2.4 求全塔理论板层数 由芬斯克方程知 且，由吉利兰图查的解得 ，则全塔理论板层数层。2.3 精馏塔内各物性参数计算2.3.1 温度 查图得 当时，则 ，则 ，则 精馏段的平均温度： 提馏段的平均温度： 当时， 时，2.3.2 黏度不同温度下溶液黏度 t()水（mpa.s）乙醇（mpa.s）84.630.33720.432478.280.36420.469891.750.31250.3954（1）精馏段 所以精馏段黏度 （2）提馏段 提馏段黏度2.3.3 密度 已知：混合液密度：（为质量分率，为平均相对分子质量） 混合气密度：（1） 精馏段 液相组成 ： 气相组成 ： 所以 （2） 提馏段 液相组成 ： 气相组成 ： 所以 不同温度下乙醇和水的密度温度/7080859095乙745735730724720水997.8971.8968.6965.3961.85 求得在与下的乙醇和水的密度 精馏段：气相密度： 提馏段： 气相密度：2.3.4 气液体积流量 （1）精馏段： 已知： 质量流量： 体积流量： （2）提馏段： 已知： 质量流量： 体积流量： 2.3.5 混合液体表面张力 公式： 式中下角标，w、s、o分别代表水、有机物及表面部分，指主体部分的分子数，指主体部分的分子体积，为纯水、有机物的表面张力，对乙醇。 不同温度下乙醇和水的表面张力温度/708090100乙醇表面张力/10-3n/m21817.1516.215.2水表面张力/10-3n/m264.362.660.758.8 （1）精馏段 联立方程组： 代入求得： （2）提馏段 联立方程组： 代入求得： 2.4 实际塔板数2.4.1 精馏段 精馏段的塔效率由于饱和液体进料， 从chemcad图x-y图中得知，当时， 因为 解得 精馏段所需实际塔板数 2.4.2 提馏段 全塔的相对挥发度 因为 所以 提留段的相对挥发度 提馏段所需实际塔板数 2.4.3 全塔效率 全塔实际所需塔板数块 全塔效率2.5 塔径的计算2.5.1 精馏段 由，式中c可由史密斯关联图查出：横坐标数值：取板间距：， 则查史密斯关联图可知圆整：横截面积： 空塔气速：2.5.2 提馏段 横坐标数值：取板间距：， 则查史密斯关联图可知 圆整： 横截面积： 空塔气速： 采用单溢流型塔板2.6 塔有效高度的计算 2.7 溢流装置2.7.1 堰长 取 出口堰高：本设计采用齿形堰，堰上液高度按下式计算 ，取（1） 精馏段 （2） 提馏段 2.7.2 方形降液管的宽度和横截面 验算降液管内停留时间： 精馏段： 提馏段： 停留时间。故降液管可使用。2.7.3 降液管底隙高度（1）精馏段 （2）提馏段因为、不小于20 mm，故满足要求。2.8 塔板布置2.8.1 塔板分布 本设计塔径，采用整块式板塔。2.8.2 开孔区面积 式中 已知弓形降液管宽度 取：无效区宽度 破沫区宽度 2.8.3 筛板的筛孔和开孔率 筛孔孔径取 板厚取 孔中心距 开孔率 在5%15%之间，所以取值较恰当。 筛孔数 3、 塔板的流体力学验算 塔板流体力学验算目的是为了检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔板能否正常操作。3.1气体通过塔板的压强降:,m液柱 3.1.1 精馏段（1）干板阻力 （2）板上充气液层阻力取（3）液体表面张力所造成的阻力、 3.1.2 提留段（1） 干板阻力 （2）板上充气液层阻力取（3） 液体表面张力所造成的阻力 3.2 液泛 为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰。 因此 3.2.1精馏段 取 则 3.2.2提留段 取 则 3.3 雾沫夹带 为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克气体夹带到上一层塔板的液体量不超过0.1kg，即控制雾沫夹带量0.1kg(液)/kg(气)。 3.3.1精馏段 3.3.2提留段 由上计算可知雾沫夹带能满足3.4 漏液点 3.4.1 精馏段为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数3.4.2 提留段为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 3.5 塔板负荷性能图3.5.1液相符合下限线 对于齿形堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3.5.2 液相负荷上限线 以作为液体在降液管中停留时间的下限 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线3.5.3 漏液线 由 （1）精馏段 整理得 在操作范围内，任取几个，以上是计算出值，计算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.05200.05420.05530.05610.0568 由上表数据据可作出精馏段的漏液线（2）提留段 整理得 在操作范围内，任取几个，以上是计算出值，计算结果列于下表 0.000020.000140.000260.000380.00050.060350.063390.064910.066020.06693 由上表数据据可作出提留段的漏液线3.5.4 雾沫夹带线 以为限，求关系如下： （1） 精馏段 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.13760.12670.12100.11680.1134 由上表数据据可作出精留段的雾沫夹带线（2） 提留段 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.16680.15400.14730.14230.1382 由上表数据据可作出提留段的雾沫夹带线3.5.5 液泛线 令 由 联立得 将与，与，与的关系式代入上式，并整理的 式中 （1） 精馏段 故 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.17690.16910.16480.16150.1586 由上表数据据可作出精留段的液泛线（2） 提馏段 故 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.22820.21840.21300.20870.2051 由上表数据据可作提留段的液泛线3.5.6 操作弹性 在负荷性能图上，作出操作线。有图可看出，该筛板的操作上线为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。有图查的精馏段负荷性能图 精馏段的 故精馏段的操作弹性为 提留段负荷性能图查图得提留段的 故提留段的操作弹性为 筛板塔设计计算结果项目符号单位计算所数据备注精馏段提馏段平均温度80.45889.956平均压强102.7106.9气相流量0.09470.0973液相流量0.23160.4716实际塔板数30有效段高度8.7塔径0.4空塔气速0.75400.7747板间距0.3塔板类型单溢流弓形降液管整块式塔板堰长0.264堰高0.0420.04齿形堰板上液层高度0.05堰上液层高度0.0080.01液体在降液管内停留时42.4720.75降液管底隙高度0.0360.034弓形降液管宽度0.0496安定区宽度0.03边缘区宽度0.02开孔区面积0.0797筛孔直径0.004等边三角形叉排筛孔数目499孔中心距0.0136开孔率7.85塔板压降446.553434.124稳定系数1.77671.5434降液管内液层高度0.10670.0978雾沫夹带量0.03470.0223气相负荷上限5.53610-4雾沫夹带控制气相负荷下限1.202810-5漏液控制操作弹性2.3902.4354、 附属设备设计(不包括冷凝器、再沸器的选型)4.1 冷凝器 精馏段上升蒸汽量： 对饱和液体进料时 气化热数据温度/6080100乙醇的汽化热40.5338.6136.51水的汽化热42.41641.52940.599 塔顶温度： 塔顶全凝器的热负荷： 可得： 取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别25和45则平均温度下的比热 ，于是冷凝水用量可求 有机物蒸汽冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为本设计取 出料温度： 78.412（饱和气） 78.412（饱和液）冷却水温度： 25 45逆流操作： 传热面积： 4.2 再沸器再沸器的热负荷为：因为釜残液几乎为纯水，故其焓可按纯水计算，即 选用120饱和水蒸气加热，传热系数 料液温度 97.5542 100 热流体温度 120（水蒸气）120（水）逆流操作： 换热面积： 5、 塔体结构设计5.1 塔顶空间 为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，设计中通常取塔顶间距为 （1.52.0）ht 5.2 塔底空间 塔底空间具最好能在塔底有1015min的储蓄。以保证料液不排完，本设计采 用10min储量。 对不易起沫液体，装料系数可达80% 5.3 塔高 六、总结课程设计是对以往学过的知识加以检验，能够培养理论联系实际的能力，尤其是这次精馏塔设计更加深入了对化工生产过程的理解和认识，使我们所学的知识不局限于书本，并锻炼了我的逻辑思维能力。设计过程中培养了我的自学能力，设计中的许多知识都需要查阅资料和文献，并要求加以归纳、整理和总结。通过自学及老师的指导和同学的帮助，不仅巩固了所学的化工原理知识,更极大地拓宽了我的知识面，让我更加认识到实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计及工作无疑将起到重要的作用.这次化工原理的课程设计，从最开始的草稿，到后来的电子稿，我经过了一遍又一遍的修改，每次修改都伴随着我很大的努力，当然也伴随着我很大的进步，更使我明白理论离实践的距离真的很远。最开始是由于自己的粗心大意导致了气液体积流量出现了错误，从而是的后面出现了一