2万吨_年乙醇连续精馏塔课程设计(可编辑)

1、机电工程学院化工原理课程设计说明书课题名称 :2 万吨/ 年乙醇连续精馏塔设计专业班级 :09 级过控 02 班学生学号 :学生姓名 :学生成绩 :指导教师 :时间:2012 年 6月 18日-2012 年6月 29日 武汉工程大学机电工程学院教学管理 09 过控 2 班 化工原理课程设计任务书 课程设计题目乙醇-水溶液连续精馏塔设计 课程设计的内容设计方案的确定 带控制点的工艺流程图的确定 操作条件的选择 （ 包括操作压强、进料状态、回流比等 ） 塔的工艺计算全塔物料衡算 最佳回流比的确定 理论板及实际板的确定 塔径的计算降液管及溢流堰尺寸的确定浮阀数及排列方式 ( 筛板孔径及排列方式 )

2、的确定塔板流动性能的校核塔板负荷性能图的绘制塔板设计结果汇总表辅助设备工艺计算(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 )课程设计的要求撰写课程设计说明书一份工艺流程图一张设备总装图一张 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 C处理量: 1.5 万吨/ 年,1.75 万吨/ 年,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 ：90%,92%,94%;塔顶产品中乙醇的回收率 ：99%生产时间 ： 300 天 (7200

3、 h)冷却水进口温度：30 C加热介质 : 0.6MPa 饱和水蒸汽 课程设计的进度安排 查找资料, 初步确定设计方案及设计内容 ,1-2 天 根据设计要求进行设计 , 确定设计说明书初稿 ,2-3 天 撰写设计说明书 , 总装图,答辩,4-5 天 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 学科部负责人 ： 年月日组次F/万吨/年 xD/wt. % 备注1 1.5901-42 1.5925-83 1.5949-124 1.759013-165

4、1.75 92 17-206 1.75 94 21-247 2 90 25-288 2 92 29-329 2 94 33-36摘要:设计一座甲醇 -水连续精馏塔 ,根据物性特征 ,产品产量和工程、经济合理 性来确定塔型和操作条件 ; 通过对原料 , 产品的要求和物性参数的确定以及对塔 体主尺寸的计算 ,工艺设计和附属设备选型的设计 ,完成对苯 -甲苯精馏工艺流程 和主体设备的设计。关键词: 塔型, 塔体, 设备,流程Abstract:I need to design an ethanol - water continuous distillation.According to the cha

5、racteristics of properties, product production and engineering, economic rationality to determine the type of the tower and operational conditions .Thinking about the requirements of raw materials and product and the determination of physical parameters, I can calculate of the size of the column , d

6、esign the process and select the ancillary equipment , then complete the ethanol - water distillation process and the design of the main equipmentKey words: type, size, ancillary equipment, process目录一、概述 71.1 设计背景 71.2 设计条件 81.3 设计要求 81.4 设计说明书的主要内容 8二、计算过程 91. 塔型选择 92. 操作条件的确定 92.1操作压力92.2进料状态102.3

7、加热方式102.4热能利用103.1 相对挥发度 113.2回流比R的确定 133.3 物料平衡 153.4 理论塔板层数的确定 154. 基本物性数据计算 164.1 精馏段164.2 提馏段184.3 全塔的流量 195. 塔径的计算 206.1 确定塔板的流型 226.2 塔板尺寸 226.3 弓形降液管 236.3.1 堰上液流高度 23246.3.2 堰高 246.3.3 溢流管底与塔盘间距离 h06.4 浮阀数目及排列 256.4.1 浮阀数目 256.4.2 排列 256.4.3 校核 267. 塔高的计算 268. 流体力学验算 278.1 气体通过浮阀塔板的压力降单板压降 2

8、78.2 干板阻力 278.4 由表面张力引起的阻力 278.5 漏液验算 278.6 液泛验算 288.7 雾沫夹带验算 289.操作性能负荷图299.1雾沫夹带上限线299.2液泛线 299.3液体负荷上限线299.4漏液线 309.5液相负荷下限线309.6操作性能负荷图3010. 有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表 7 3111. 各接管尺寸的确定 3211.1 进料管 3211.2 釜残液出料管 3311.3 回流液管 3311.4 塔顶上升蒸汽管 3311.5 水蒸汽进口管 34三、辅助设备的计算及选型 3412.1 冷凝器热负荷 3412.3 原料预热器 3512.4 泵的选

9、择 3612.5 法兰的选用 36一、概述1.1 设计背景塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究 , 已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中 , 塔设备的性能对于整个装置的产 品产量、质量、生产能力和消耗定额 ,以及三废处理和环境保护等各个方面 , 都有 非常重大的影响。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温 度下, 各组分的饱和蒸汽压不同这一性质 , 使液相中的轻组分转移到汽相中 , 汽相 中的重组分转移到液相中 , 从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直 接关系到石油化工企业的经济效益。为了加强工业技术的竞争力 ,长期以来 ,各国都在

10、加大塔的研究力度。如 今在我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、 浮阀塔、 筛板塔和舌型塔等。 填料种类 出拉西、环鲍尔环外 , 阶梯环以及波纹填料、 金属丝网填料等规整填料也常采用。 更加强了对筛板塔的研究 , 提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。同时我国还进 口一些新型塔设备 , 这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工 作, 加速了我国塔技术的开发。国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步 , 是因为已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构 ,而是主要取决与物系的性质 , 如:挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下 , 保持适 当的操作弹性和压力

11、降 , 并尽量提高塔盘的效率。 ”在新型填料方面则在努力的研 究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。经过我国这些年的努力 , 在塔研究方面与国外先进技术的差距正在不断 的减小目前, 精馏塔的设计方法以严格计算为主 ,也有一些简化的模型 , 但是严 格计算法对于连续精馏塔是最常采用的 , 我们此次所做的计算也采用严格计算 法。1.2 设计条件原料: 乙醇-水溶液原料温度：30 C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%生产时间 ： 300 天 (7200 h)冷却水进口温度:30 C加

12、热介质 ： 0.6MPa 饱和水蒸汽单板压降 : 小于或等于 0.7kpa生产方式 : 连续操作 , 泡点回流全塔效率 :Et50%1.3 设计要求1. 撰写课程设计说明书一份2. 带控制点的工艺流程图一张3. 塔装备的总装图一张设计说明书的主要内容设计方案的确定带控制点的工艺流程图的确定操作条件的选择 （ 包括操作压强、进料状态、回流比等 ） 塔的工艺计算全塔物料衡算最佳回流比的确定理论板及实际板的确定塔径的计算降液管及溢流堰尺寸的确定浮阀数及排列方式 （ 筛板孔径及排列方式 ） 的确定 塔板流动性能的校核塔板负荷性能图的绘制塔板设计结果汇总表辅助设备工艺计算(1) 换热器的面积计算及选型(

13、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 )二、计算过程1. 塔型选择根据生产任务 ,若按年工作日 300天, 每天开动设备 24小时计算 ,由于产 品粘度较小 , 流量较大 , 为减少造价 , 降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响 提高生产效率 , 选用浮阀塔。2. 操作条件的确定2.1 操作压力压力为 (Pa)2.2 进料状态虽然进料方式有多种 , 但是饱和液体进料时进料温度不受季节、 气温变化 和前段工序波动的影响 , 塔的操作比较容易控制 ; 此外,饱和液体进料时精馏段和 提馏段的塔径相同 , 无论是设计计算还是

14、实际加工制造这样的精馏塔都比较容易 为此,本次设计中采取饱和液体进料 (q1) 。2.3 加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内 有足够的热量供应 ;由于甲醇水体系中,甲醇是轻组分 ,水由塔底排出,且水的比 热较大,故可采用直接水蒸气加热 ,这时只需在塔底安装一个鼓泡管 , 于是可省去 一个再沸器 , 并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热 , 无论是设备费用还是操作 费用都可以降低。2.4 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。 因此热效率较低 , 通常 进入再沸器的能量只有 5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大 量热量,但是由于其位能

15、较低 ,不可能直接用作为塔底的热源。为此 , 我们拟采用 塔釜残液对原料液进行加热。3. 物料的工艺计算由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准 , 需先把设计要求中的质量分数 转化为摩尔分数。原料液的摩尔组成 :甲醇的摩尔质量为 :32 kg/kmol水的摩尔质量为 : 18kg/kmol以年工作日为 300天,每天开车 24 小时计,进料量为 :进料液的平均摩尔数根据公式可求出由全塔的物料衡算方程可写出 :求得表 1. 原料液、馏出液与釜残液的流量名称 原料液 馏出液 釜残液质量分数 0.50 0.95 0.03摩尔分数 0.36 0.91 0.02流量 120.56 46.06 74.503.

16、1 相对挥发度 可根据平衡线图 （ 图 1）查得塔顶、塔底温度1? 汽相 2? 液相图 1 甲醇- 水溶液的 t-y-x 图或用计算法求得 :安托因方程 :A B C甲醇 7.19736 1574.99 238.86水 7.074061657.46 227.02 进料处 :,查图1得:t 77 C,利用安托因方程,计算得出,求得 3.94 塔顶:查图得t65.5 C ,同理求得,此时的相对挥发度 塔底:查图得:t97.9 C ,同理求得,此时的相对挥发度 全塔的相对挥发度3.2回流比R的确定由于是泡点进料 (q1),相平衡方程当, 求出夹紧点 , 因此:操作回流比最少理论板数的确定 : 利用芬

17、斯克方程由于设备的综合费用与NR+侑直接的关系，因此绘制NR+1R0就可以求 当R值时NR+1最小的为实际R令,由不同B得到R值利用吉利兰图求出N值,进而能得到NR+1图 2 吉利兰图分别取 B 1.1 1.2、1.3、1.4、1.45、1.5、1.55、1.6、2,将查上图或计算出相应的值 ,见下表:B 1.1 1.3 1.5 1.7 1.8 1.9 2.0R0.7920.9361.081.2241.2941.3681.440.040.1120.1730.2270.2500.2740.2950.630.530.470.430.410.390.38N15.220.5010.329.539.17

18、8.848.68NR+127.2722.7921.4721.1921.0320.9321.18验算: 若时, 可以用下公式 :若 则可 查图 2。选取总成本最小时的 R 值。计算结果表取 1.9 时总成本最小。此时最适回流比为 :R1.3683.3 物料平衡精馏段操作方程 :精馏段液体的摩尔流量 :气体的摩尔流量 :提馏段操作方程 :液体的摩尔流量 :气体的摩尔流量 :q 线方程 :3.4 理论塔板层数的确定精馏段操作线方程 :提馏段操作线方程 :线方程:相平衡方程 :利用逐板法计算理论塔板层数进料板从上计算中可以得出理论塔板层数块 （ 含塔釜） 其中,第 3块为进料板。由条件知全塔效率则可计

19、算出实际塔板层数 （含塔釜 ）4. 基本物性数据计算4.1 精馏段 整理精馏段的已知数据列于表 3 见下页, 由表中数据可知 :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/温度 /C 81 69.5密度 /kg/ 0.851.087874.34 763.77液相平均摩尔质量 :液相平均密度为精馏段的液相负荷汽相平均摩尔质量汽相平均密度为精馏段的汽相负荷 精馏段的负荷列于表 4。 表 4 精馏段的汽液相负荷 名称 液相 汽相平均摩尔质量 / 26.89 28.729平均密度 / 819.0551.017体积流量 / 2.069 3081.104.2 提馏段整理提馏

20、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 /C 96.477密度 /kg/0.85874.34液相平均摩尔质量液相平均密度 :提馏段的液相负荷汽相平均摩尔质量汽相平均密度为提馏段的汽相负荷表 6 提馏段的汽液相负荷名称 液相 汽相平均摩尔质量 / 20.66 22.478平均密度 / 912.6750.761, 为便于制造 ,体积流量 / 4.155 3221.654.3 全塔的流量 由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可

21、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 :5. 塔径的计算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。初步设定板间距板上清夜层高度取 0.06m功能参数 :从史密斯关联图查得 :, 由于, 需先求平均表面张力 :全塔的平均温度 :在此温度下 , 平均摩尔分数为查化工原理书 379 页液体表面张力共线图并计算出液体表面张力史密斯关联图是按液体表面张力的物系绘制的 , 若所处物系的表面张力为其他值 ,则需按式校正查出的负荷系数 , 即:取安全系数为 0.7则取适宜的空塔气速塔径的确定 :气相流量塔径根据塔径系

22、列尺寸圆整为6.1确定塔板的流型 由于塔径大于800mm所以采用单溢流型分块式塔板。6.2 塔板尺寸选取,而 0.7所以 0.63m即然后根据上表弓形降液管的宽度与面积即可查出J从而计算出 :塔板总面积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液体在提馏段降液管内的停留时间6.3 弓形降液管6.3.1 堰上液流高度本设计采用平堰,则堰上液头高应在（660mm之间）对于平堰 , 则堰上液头高可用佛兰西斯公式计算 :对于式中液流收缩系数 E 可用下表差得 .03则计算当平堰上液头高时 , 采用平堰。6.3.2 堰高采用平直堰，一般应使塔板上得清夜层高度 50100mm而清夜

23、层高度，因此有:取, 则6.3.3 溢流管底与塔盘间距离 h0由 取 0.07则 0.0017/(0.720.07)0.03373m0.02m 取 30mm 故降液管底隙高度设计合理选用凹形受夜盘 , 深度 55mm6.4 浮阀数目及排列采用 F1 型重阀 , 重量为 33g, 孔径为 39mm。6.4.1 浮阀数目阀孔数n取决于操作时的阀孔气速，而由阀孔动能因数决定。浮阀数目气体通过阀孔时的速度一般 811,对于不同工艺条件 ,也可以适当调整。取动能因数,那么,因此个 取 n636.4.2 排列阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列 按等腰三角形排列 : 取三角形底边固定为 75mm开

24、孔鼓泡区面积 :则计算可得到贝U t0.755/1150.07582.050取t70mm,画图知通道板上可排阀孔 63个。6.4.3 校核气体通过阀孔时的实际速度 :实际动能因数 :在 911 之间开孔率:开孔率在 10%14之间 , 满足要求。 7. 塔高的计算塔的高度可以由下式计算 :已知实际塔板数为块 , 板间距由于料液较清洁 , 无需经常清洗 , 可取每隔7 块板设一个人孔 , 贝人孔的数目为 :个取人孔两板之间的间距 , 贝塔顶空间 , 塔底空间 , 进料板空间高度 , 那么 ,全塔高度 :8. 流体力学验算8.1 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8.

25、2 干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为 :因为所以 8.3 板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数 , 那么:8.4 由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:0.7kpa8.5 漏液验算动能因数 , 相应的气相最小负荷为 :其中所以可见不会产生过量漏液。8.6 液泛验算溢流管内的清液层高度其中,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。8.7 雾沫夹带验算泛点率查得物性系数 , 泛点负荷系数所以,泛点率泛点率 71.7%取两值中较大值 71.7%80% 可见, 雾沫夹带在允许的范围之内9. 操作

26、性能负荷图9.1 雾沫夹带上限线取泛点率为 80%代入泛点率计算式 , 有:整理可得雾沫夹带上限方程为 :9.2 液泛线 液泛线方程为 其中, 代入上式化简后可得 :9.3 液体负荷上限线取, 那么9.4 漏液线取动能因数 , 以限定气体的最小负荷 :9.5 液相负荷下限线取代入的计算式 :整理可得 :9.6 操作性能负荷图 由以上各线的方程式 , 可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷 , 可知操作点 P0.00146,1.103 在正常的操作范围内。连接0P作出操作线，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10. 有关

27、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 0.9板间距 0.3塔板型式 单溢流弓形降液管 分块式塔板空塔气速 1.397溢流堰长度0.63溢流堰高度0.0515板上液层高度0.060降液管底隙高度 0.030浮阀数个 63 等腰三角形叉排阀孔气速 11.637阀孔动能因数10.972临界阀孔气速11.20孔心距 0.075同一横排的孔心距排间距 0.07相临二横排的中心线距离单板压降 577液体在降液管内的停留时间精馏段提馏段降液管内的清液高度 0.146984泛点率 ,% 71.7气相负荷上限1.20 雾沫夹带控制气相负荷下限 0.39 漏夜

28、控制开孔率 ,% 12.47操作弹性 3.087311. 各接管尺寸的确定11.1 进料管进料体积流量进料管内适宜流速一般取 1.52.5 取适宜的输送速度 , 故经圆整选取热轧无缝钢管 GB8163-87,规格：实际管内流速 :11.2 釜残液出料管釜残液的体积流量 ：塔釜出料管内适宜流速一般取 0.51.0 取适宜的输送速度 ,则经圆整选取热轧无缝钢管 GB 8163-87,规格：实际管内流速 ：11.3 回流液管回流液体积流量 利用液体的重力进行回流适宜流速一般取 0.20.5, 取适宜的回流速度那么 经圆整选取热轧无缝钢管 GB8163-87,规格：实际管内流速 :11.4 塔顶上升蒸

29、汽管塔顶上升蒸汽的体积流量 ： 塔顶蒸汽的适宜流速为 ： 常压操作时取 1220, 取适宜速度 , 那么经圆整选取热轧无缝钢管 GB8163-87,规格:实际管内流速 ：11.5 水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量 :蒸汽的适宜流速为 :常压操作时取 1 220,取适宜速度 ,那么经圆整选取热轧无缝钢管 GB8163-87,规格:实际管内流速 : 三、辅助设备的计算及选型12.1 冷凝器热负荷按泡点回流设计，即饱和蒸汽冷凝且饱和回流，采用25C的水作为冷却剂 , 逆流操作 , 则 QWr1r1VMVDr1查液体的汽化潜热图,可知塔顶温度77E下，乙醇汽化潜热 :rA1050KJ/kg水的汽化潜

30、热 :rB2400KJ/kg r1 刀 rixi1050 x 0.91 x 32+(1-0.91) x 2400X 1834464KJ/Kmol故 Q109.07X 34464/36001044.16KJ/S又由于QKA tm则因为 K2800J/s?m2?K 所以12.2 再沸器热负荷采用饱和水蒸气间接加热 ,逆流操作 , 则 QWh2r2查得塔釜温度97.9 C下乙醇汽化潜热 rA1100KJ/kg水的汽化潜热 :rB2260KJ/kgr2 刀 rixi1100 X 0.02 X 32+(1-0.02) X 2260X 1840570.4KJ/Kmol故 Q(L -W)Mflr109.07 X 40570.4/36001229.17KJ/S又由于QKAtm因为 K2800J/s?m2?K所以12.3 原料预热器原料加热：采用压强为0.9MPa的水蒸汽加热，温度为175C。原料温度从 25C升高到77E。流体形式采用逆流加热贝U原料流量 ：原料的比热容 ： 进料的质量分数 ：混合液的比热容为原料吸热量为 :选择传热系数 K2800w/m2?K则传热