化工原理课程设计50000吨年乙醇—水精馏装置设计

1、50000吨/年乙醇水精馏装置设计 设计人： 系 别：专 业： 班 级：指导教师:完成时间: 第一章 前言21.1 精馏塔简介21.2筛板塔和浮阀塔的优缺点2第二章 设计方案的确定42.1任务书42.1.3塔板类型：浮阀塔4第三章 精馏塔连续精馏的计算7第四章 精馏塔塔体工艺尺寸计算124.1.2 提馏段134.3 塔高的计算15第五章 塔板主要工艺尺寸的计算175.1 塔板尺寸175.2 塔板主要工艺尺寸的计算175.2.3 进口堰高和受液盘185.3 浮阀数目及排列185.3.1 浮阀数目185.3.2 排列185.3.3 校核19第六章 塔板的流体力学验算206.1 气体通过浮阀塔板的压

2、力降(单板压降)206.1.1 干板阻力206.1.2 板上充气液层阻力206.1.3 由表面张力引起的阻力206.2 漏液验算206.3 液泛验算216.4 雾沫夹带验算22第七章 塔板负荷性能图237.1 雾沫夹带上限线237.2 液泛线237.3 液体负荷上限线247.4 漏液线247.5 液相负荷下限线247.6 操作性能负荷图24第八章 精馏塔接管尺寸计算278.1 进料管278.2 釜残液出料管278.3 回流液管278.4 塔顶上升蒸汽管288.5 水蒸汽进口管28第九章 精馏塔工艺流程图29附录301、塔板零件图302、浮阀塔结构图31课程设计心得32参考文献：33第一章 前言

3、1.1 精馏塔简介在炼油、化工等工业中，精馏操作是分离液体混合物的最常见的手段，其操作原理是利用液体混合物中各组分挥发度的不同，在气液两相触处时，易挥发组分向气相传递，难挥发组分向液相传递，是混合物达到一定程度的分离。用以实现精馏操作的气液传质设备即径流塔，其基本功能是提供气液两相充分的接触机会，使物质和热量的传递充分有效的进行；在气液两相接触之后，还使气液两相能及时分开，尽量减少相互夹带。常用的精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内装有若干层塔板，液体依靠重力自上而下流过每层塔板；气体则依靠压强差的推动，自上而下穿过各层塔板上的液层而流向塔顶，气液两相在塔内进行逐级接触。填料塔内则装有各种

4、形式的填料，气液两相沿塔做连续逆流接触，其传质和传质的场所为填料的润湿表面。1.2筛板塔和浮阀塔的优缺点板式塔，用于气液传质过程中。筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm，塔板上设置溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层。筛板塔的优点： 结构简单、造价低廉、气体压降低、板上液面落差也较小、生产能力及板效率较泡罩塔高。主要缺点是： 操作弹性较小、筛孔小时容易堵塞。浮阀塔在塔板上开有若干大孔，每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片。主要有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。 浮阀塔优点： 1.生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%

5、40%，与筛板塔接近。 2.操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常而允许的负荷波动范围比筛板塔、泡罩塔都大。 3.塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4.气体压降及液面落差小，因气体流过浮阀塔时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5.塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%80%，但是比筛板塔高20%30%主要缺点是：不易处理易结焦或黏度大的系统。浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，因此本设计采用浮阀塔。第二章 设计方案的确定2.1任务书2.1.1工艺要求原料：乙醇水溶液，年产量5万吨 乙醇含

6、量：35%（质量分数），原料液温度：45设计要求：塔顶的乙醇含量不小于90%（质量分数） 塔底的乙醇含量不大于0.5%（质量分数）2.1.2操作条件1.塔顶压力：常压2.进料热状况选择:冷液进料（q=1.078）3.回流比4.乙醇和水的平衡数据表1 乙醇水溶液体系的平衡数据乙醇水系统txy数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.

7、6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.412.1.3塔板类型：浮阀塔2.1.4设计任务 1、精馏塔的物料衡算 2、塔板数的确定

8、 3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 4、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5、塔板主要工艺尺寸的计算 6、塔板的流体力学验算 7、塔板负荷性能图 8、精馏塔接管尺寸计算 9、绘制生产工艺流程图 10、对设计过程的评述和有关问题的讨论2.2操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。若物料有特殊要求则根据物料特性采用加压或减压操作，一般物料则采用常压操作，因乙醇和水对压力无特殊要求，则采用常压操作。其中塔顶压力为塔底压力2.3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。进料状态分冷液、饱和液、气液

9、混合物、饱和气、过热气五种状态。但一般在实际操作中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。对一定的分离任务和要求，冷夜进料较泡点进料所需的理论板层数少，会降低塔的设备费用，针对本次的设计，我们选择冷液进料（q=1.078）。2.4加热方式由于塔釜中液体不能由蒸气直接加热，故采取间接加热。又考虑到立式再沸器对液体加热均匀等优点，因此选择再沸器立式加热。2.5冷却剂的选择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

10、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。本次设计取定常温水作冷却剂，冷却水出口温度为35，并且此温度满足设计要求。第三章 精馏塔连续精馏的计算3.1最小回流比及操作回流比的确定原料液的摩尔组成：同理可求得：原料液的平均摩尔质量： 同理可求得：45下，原料液中由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见下表。 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液馏出液釜残液35900.5(摩尔分数)0.17400.77900.002摩

11、尔质量22.8739.8118.1沸点温度/83.9478.3599.53 原料液的汽化热：=44259.14kj/查表得：进料组成=0.1740是溶液的泡点温度83.94 所以平均温度 有附表查得在64.47时水的比热容为4.26 kj/(kg.)乙醇的比热容为3.17 kj/(kg.) 故原料液的平均比热容为=88.71 kj/(kg.)所以:q=由此可知，q线方程y=操作线和q线的交点即为（，），由作图法可知交点坐标为（0.185,0.520）如图所示：=0.773 可取操作回流比r=3.2塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算md,xdw,xwf,xf,q以年工作日为300天，每天开

12、车24小时计，进料量为： 由全塔的物料衡算方程可知： 得：d=67.22kmol/h w=236.43kmol/h由提留段得物料衡算方程可知： 得：=394.55 kmol/h =158.12 kmol/h3.3 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：可以查得，所以取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25和35则平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：3.4再沸器的加热蒸汽的消耗量 再沸器的热负荷为： 因为釜残液几乎为纯水，故其焓可以按纯水计算： 3.5 理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：y=代入数据得：y=0.50x+0.3895提留段操作线方程：y= 代入数据得：y=2.50x-1

13、.459 如图所示：按上图求的理论版层数为11块（不包括再沸器） 其中，精馏段9块，提馏段2块，自塔顶往下第10层为进料板。3.6全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：由相平衡方程式可得根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得： (塔顶第一块板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：全塔的相对平均挥发度：全塔的平均温度：在温度下查得因为所以，全塔液体的平均粘度：全塔效率3.7实际塔板数其中，精馏段的塔板数为：9/0.44=21块 则提馏段的塔板数为25-21=4块第四章 精馏塔塔体工艺尺寸计算4.1 精馏段与提馏段的体积流量4.1.1 精馏段 整理精馏段的已知数据列于表3(见下页)，由表中

14、数据可知：液相平均摩尔质量：液相平均温度： 表3 精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)质量分数摩尔分数摩尔质量 /=22.87=38.75温度/83,9478.35在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，精馏段的液相负荷 同理可计算出精馏段的汽相负荷。精馏段的负荷列于表4。表4 精馏段的汽液相负荷名称汽相液相平均摩尔质量/30.8136.02平均密度/810.91.22体积流量/2.5539694.1.2 提馏段整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表6。表5 提馏段的已知数据位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/9

15、9.5383.94 表6 提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/20.4125.48平均密度/760.80.86体积流量/9.983983.24.2 塔径的计算由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液相平均密度： 塔径可以由下面的公式给出： 由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间： 功能参数：从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：全塔平均温度，在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为，所以，液体的临界温度：设

16、计要求条件下乙醇水溶液的表面张力平均塔温下乙醇水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：， 所以：根据塔径系列尺寸圆整为此时，精馏段的上升蒸汽速度为： 提馏段的上升蒸汽速度为：4.3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算：z=hp+(n-2-s)ht+sht+hf+hw 已知实际塔板数为n=25块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔5块板设一个人孔，则人孔的数目为： 个取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高度：z=1.2+(25-2-4)0.4=2.4+0.5+2.5=14.2第五章 塔板主要工艺尺寸的计算5.1 塔板尺寸由于塔径大于800mm，所以采用单溢

17、流型分块式塔板。取无效边缘区宽度，破沫区宽度，查得弓形溢流管宽度弓形降液管面积 验算： 液体在精馏段降液管内的停留时间5s 液体在精馏段降液管内的停留时间5s5.2 塔板主要工艺尺寸的计算5.2.1 堰高采用平直堰，堰高取，则5.2.2 降液管底隙高度h0 若取精馏段取，提馏段取为，那么液体通过降液管底隙时的流速为精馏段：提馏段： 的一般经验数值为5.2.3 进口堰高和受液盘本设计不设置进口堰高和受液盘5.3 浮阀数目及排列采用f1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。5.3.1 浮阀数目浮阀数目气体通过阀孔时的速度取动能因数，那么，因此个5.3.2 排列由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉

18、排。若同一横排的阀孔中心距，那么相邻两排间的阀孔中心距为： 取时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取画出阀孔的排布图如图1所示，其中图中，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为个5.3.3 校核气体通过阀孔时的实际速度：实际动能因数：(在912之间)开孔率：开孔率在10%14之间，满足要求。第六章 塔板的流体力学验算6.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)6.1.1 干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：精馏段：因为 所以提馏段：=因为 所以6.1.2 板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数，那么：6.1.3 由

19、表面张力引起的阻力由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以：精馏段：提馏段：6.2 漏液验算动能因数，相应的气相最小负荷为：精馏段：其中所以可见不会产生过量漏液。提馏段：其中所以可见不会产生过量漏液。6.3 液泛验算溢流管内的清液层高度精馏段：其中，所以，为防止液泛，通常，取校正系数，则有：可见，即不会产生液泛。提馏段：其中，所以，为防止液泛，通常，取校正系数，则有：可见，即不会产生液泛。6.4 雾沫夹带验算泛点率=精馏段：查得物性系数，泛点负荷系数 所以，泛点率=可见，雾沫夹带在允许的范围之内提馏段：查得物性系数，泛点负荷系数所以，泛点率=可见，雾沫夹带在允许的范围

20、之内第七章 塔板负荷性能图7.1 雾沫夹带上限线塔径d=1000mm 弓形降液管宽度wd=150mm 由h7=0.4m 及板上液流量面积取泛点率为80%代入泛点率计算式，有：0.8=整理可得雾沫夹带上限方程为：1.3182-26.15/(0.0110.008331.031.107.2 液泛线代入上式化简后可得：0.005560.004120.002780.001401.832.022.152.257.3 液体负荷上限线取，那么7.4 漏液线取动能因数，以限定气体的最小负荷：7.5 液相负荷下限线取 查图得 液流收缩系数e为1.03整理可 得7.6 操作性能负荷图由以上各线的方程式，可画出图塔的

21、操作性能负荷图。00.511.522.530.00000.00500.01000.0150ls(立方米/秒)vs（立方米/秒）漏液线液泛线液相负荷下限线液相负荷上线雾沫夹带线a（把这页版调调）根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点 (0.00146，1.103)在正常的操作范围内。做出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：所以，塔的操作弹性为有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7。表7 浮阀塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注塔径1.0板间距0.4塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速1.476溢流堰长度0.705溢流堰高度0.05板上液层高度0.0

22、1降液管底隙高度0.025浮阀数个86等腰三角形叉排阀孔气速10.38阀孔动能因数5临界阀孔气速10.32孔心距0.075同一横排的孔心距排间距0.065相临二横排的中心线距离单板压降564.7液体在降液管内的停留时间41.8精馏段12.6提馏段降液管内的清液高度0.1297泛点率，%63.8气相负荷上限1.65雾沫夹带控制气相负荷下限1.10漏夜控制开孔率，%13.5操作弹性1.5第八章 精馏塔接管尺寸计算8.1 进料管进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64)，规格：实际管内流速：8.2 釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则 经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64)，规格：实际管内流速：8.3 回流液管回流液体积流量 利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64)，规格：实际管内流速：8.4 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64)，规格：实际管内流速：8.5 水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量： 取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64)，规格：实际管内流速：第九章 精馏塔工艺流程图附录1、塔板零件图2、浮阀塔结构图课程设计心得 本次化工原理课程设计历时三周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设