化工原理课程设计乙醇水精馏塔设计

1、化工原理 课程设计题 目：乙醇水精二筛板塔设计设计时间：2021、12、20-2021、1、6化工原理课程设计任务书化工 1一、设计题目 板式精储塔的设计二、设计任务：乙醇-水二元混合液连续操作常压 筛板精储塔的设计三、工艺条件生产负荷按每年7200小时计算：6、7、8、9、10、11、12万吨/年进料热状况：自选回流比：自选加热蒸汽：低压蒸汽单板压降： 0.7Kpa工艺参数组成浓度乙醇 mol%塔顶78加料板28塔底0.04四、设计内容1 .确定精储装置流程,绘出流程示意图.2 .工艺参数确实定根底数据的查取及估算,工艺过程的物料衡算及热量衡算,理论塔板数,塔板效率, 实际塔板数等.3 .主

2、要设备的工艺尺寸计算板间距,塔径,塔高,溢流装置,塔盘布置等.4 .流体力学计算流体力学验算,操作负荷性能图及操作弹性.5 .主要附属设备设计计算及选型塔顶全凝器设计计算：热负荷,载热体用量,选型及流体力学计算.料液泵设计计算：流程计算及选型.管径计算.五、设计结果总汇六、主要符号说明七、参考文献八、图纸要求1、工艺流程图一张A2图纸2、主要设备工艺条件图A2图纸目录前言31概述31.1 设计目的31.2 塔设备简介 32设计说明书42.1 流程简介42.2 工艺参数选择43 工艺计算53.1 物料衡算53.2 理论塔板数的计算 53.2.1 查找各体系的汽液相平衡数据 5如表3-1 53.2

3、.2 q线方程93.2.3 平衡线63.2.4 回流比63.2.5 操作线方程63.2.6 理论板数的计算 73.3 实际塔板数的计算773.3.2实际板数 NE 84塔的结构计算84.1 混合组分的平均物性参数的计算 994.1.2平均密度的计算94.2 塔高的计算104.3 塔径的计算104.3.1 初步计算塔径114.3.2 塔径的圆整 114.4 塔板结构参数确实定 1111124.4.1 筛孔数及排列并计算开孔率124.4.2 筛口气速和筛孔数的计算 125精微塔的流体力学性能验算 135.1分别核算精储段、提留段是否能通过流体力学验算 131313141.1.4 液体在降液管内停留

4、时间的校核 141.1.5 漏液限校核145.2 分别作精微段、提留段负荷性能图 155.3 塔结构数据汇总 166 塔的总体结构167辅助设备的选择177.1 塔顶冷凝器的选择 177.2 塔底再沸器的选择 187.3 管道设计与选择197.4 泵的选型197.5 辅助设备总汇19前言化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由假设干组分组成的混合物,其中大局部 是均相混合物.生产中为满足要求需将混合物别离成较纯的物质.精储是别离液体混合 物含可液化的气体混合物最常用的一种单元操作,在化工、炼油、石油化工等工业 中得到广泛应用.精储过程在能量剂的驱动下有时加质量剂 ,使气、液两相屡次直 接接触和

5、别离,利用液相混合物中各组分挥发度的不同,使易挥发组分由液相向气相转 移,难挥发组分由气相向液相转移,实现原料混合液中各组分的别离.该过程是同时进 行传质、传热的过程.乙醇在工业、医药、民用等方面,都有很广泛的应用,是很重要的一种原料.在很 多方面,要求乙醇有不同的纯度,有时要求纯度很高,甚至是无水乙醇,这是很有困难 的,由于乙醇极具挥发性,也极具溶解性,所以,想要得到高纯度的乙醇很困难.要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度,要用连续精微的方法,由于乙醇和水的挥发 度相差不大.精储是多数别离过程,即同时进行屡次局部汽化和局部冷凝的过程,因此 可使混合液得到几乎完全的别离.化工厂中精储操作是在直

6、立圆形的精储塔内进行的, 塔内装有假设干层塔板或充填一定高度的填料.为实现精储别离操作,除精储塔外,还必 须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液. 可知,单有精储塔还不能完成精储操作, 还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器,有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备, 才能实现整个操作.1概述1.1 设计目的蒸储是别离均相混合物的单元操作,精储是最常用的蒸储方式,是组成化工生产过 程的主要单元操作.精储是典型的化工操作设备之一.进行此次课程设计的目的是为了 培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的水平,做到能独立进行化工初步设计；掌 握化工设计的根本程序和方法；学会查阅技术资料、选用公式和数据；

7、用简洁文字和图 表表达设计结果；用CAD制图以及计算机辅助计算等水平方面得到一次根本练习,为 以后从事设计工作打下坚实的根底.1.2 塔设备简介塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一,他可以使气或汽或液 液两相紧密接触,到达相际传质及传热的目的.在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产水平和消耗定额,以及三废处理和 环境保护等各方面都有重大影响.塔设备中常见的单元操作有：精储、吸收、解吸和萃取等.止匕外,工业气体的冷却 和回收、气体的湿法净制和枯燥,以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等.最常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类.作为主要用于

8、传质过程的塔设备,首先 必须使气(汽)液两相能充分接触,以获得高的传质效率.止匕外,为满足工业生产的需 要,塔设备还必须满足以下要求：1、生产水平大；2、操作稳定,弹性大；3、流体流 动阻力小；4、结构简单、材料耗用量少,制造和安装容易；5、耐腐蚀和不易阻塞,操作方便,调节和检修容易.在本设计中我使用筛板塔,筛板塔的突出优点是结构简单造价低.合理的设计和适 当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性, 而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当限制 漏液.筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一,五十年代之后通过大量的工业实践逐步 改进了设计方法和结构,近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备.为减少对 传

9、质的不利影响,可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度 使塔板上气流分布均匀.筛板塔多用不锈钢板或合金制成,使用碳钢的比率较少.它的主要优点是：结构简单,易于加工,造价为泡罩塔的60左右,为浮阀塔的80% 左右；在相同条件下,生产水平比泡罩塔大20%40%;塔板效率较高,比泡罩塔高15% 左右,但稍低于浮阀塔；气体压力降较小,每板降比泡罩塔约低 30%左右.缺点是：小 孔筛板易堵塞,不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小(约2 3).2设计说明书2.1 流程简介图1-1精储过程流程图2.2 工艺参数选择(1)处理水平：5000T/y,年开工7200小时 进

10、料浓度：Xf=0.15 (mol%)进料温度：tf=18 C(4)塔顶冷凝水采用12c深井水,塔釜间接蒸汽加热(5)压力： 常压操作单板压降0 0.7 kPa(6)要求：xd=86 mol %xw= 1mol %3工艺计算3.1 物料衡算进料浓度为Xf=0.15 (mol%),贝U MF=46*0.15+18*0.85=22.2Kg/KmolF=5000T/y=5000000/(MF*7200)=31.28Kmol/h由 F=D+WFXf=DXd+WXw得：D=5.152 Kmol/hW=26.128 Kmol/h3.2 理论塔板数的计算3.2.1 查找各体系的汽液相平衡数据 如表3-1表3-

11、1乙醇-水汽液平衡组成温度液相组成气相组成温度液相组成气相组成温度液相组成气相组成Cx/%y/%Cx/%y/%Cx/%y/%1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.039.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.9765.6484.116.6150.8979.751.9865.993.2.2 q线方程 18c进料：查物性数据：

12、易挥发组分比热 ci= 2.453 kJ/kgK难挥发组分比热 C2= 4.184 kJ/kgK易挥发组分汽化潜热= 902 kJ/kgK难挥发组分汽化潜热2= 2458 kJ/kgK进料温度ti= 18 C,进料组成对应的泡点温度t2= 83 C那么平均r =zf ri*M轻组分+(1- zf) r2*M重组分=0.15*902*46+0.85*2458*18=43831.2 KJ/Kmol平均Cp= Zf C1*M轻组分+(1- Zf) C2*M重组分=0.15*2.453*46+85*4.184*18=80.941KJ/KmolK得4= (cp*/t+r) /r=80.941*(83-1

13、8)+43831.2/43831.2=1.119贝U q 线方程：y = -qx-x=9.396x-1.259 q -1 q -13.2.3平衡线3.2.4回流比由 0.259=XD/(Rmin + 1)得最小回流比Rmin = 2.32又 R= (1.1-1.8) Rmin取回流比R=43.2.5操作线方程精储段操作线方程为：R . 1yn1 =XnxDR 1 R 1=0.8Xn+0.2XDL qF W提储段操作线方程为y m 1 xm 一 xWL qF -WL qF -W=1.887xm-0.008873.2.6理论板数的计算用作图法(如图 3-1),总塔板数=20+ (0.0241-0.

14、01) /(0.0241-0.0036)=20.69块第19块板与q线相交,为进料板.精储段理论板数=18,第19块为进料板提储段= 2.69总理论板数Nt= 20.693.3实际塔板数的计算3.3.1 全塔效率ET塔顶xd=0.86查表得平衡温度t=78.21 C塔底xw=0.01查表得平衡温度t=97.63 C平均粘度的计算：塔顶塔底平均温度t=87.92C,查得乙醇粘度g0.39mPa/s,图3-2 O conne反联图水的粘度域=0.3242mPa/s 贝U Pav= 1xF+ 伊(1-xf) =0.39*0.15+0.3242*0.85=0.334查得平均温度下的平衡组分：x=0.0

15、937, y=0.0433,又：y= ox/1+( o-1)x得：0=7.388由 a av=2.47,查O conne反联图(图3-2)得全塔效率Et=38%3.3.2 实际板数NeNe=Nt/Et=20.69/38%=54.4 块表3-1塔内气液流率汇总气相流率(kmol/h)液相流率(kmol/h)精储段25.7620.608提储段29.4855.64塔的结构计算板式塔主要尺寸的设计计算,包括塔高、塔径的设计计算,板上液流形式的选择、 溢流装置的设计,塔板布置、气体通道的设计等工艺计算.板式塔为逐级接触式的气液传质设备,沿塔方向,每层板的组成、温度、压力都不 同.设计时,分别计算精储段、

16、提储段平均条件下的参数作为设计依据,以此确定塔的尺寸,然后再作适当调整,但应尽量保持塔径相同,以便于加工制造4.1 混合组分的平均物性参数的计算4.1.1 平均分子量的计算(1)塔顶的平均分子量(xi为与yi=XD平衡 的液相组成)M VDM = Xd X M 轻组分+ (1 Xd) X M 重组分M LDM = X1 X M轻组分+ ( 1 X1 ) X M重组分(2)进料板的平均分子量进料板对应的组成Xn和ynM vfm = yn x M轻组分+ (1 yn) XM重组分M LFM = X n X M 轻组分 + (1-Xn) XM 重组分(3)塔底的平均分子量(yw为与xw平衡的气相组成

17、)M vwm = ywX M轻组分+ (1 yw) x M重组分M LWM= Xw x M轻组分+ (1 Xw) x M重组分(4)精储段、提储段的平均分子量精微段平均分子量提储段平均分子量4.1.2 平均密度的计算(1)液相平均密度查物性数据：易挥发组分密度P1 = 790 Kg/m3难挥发组分密度俘=998.595 Kg/ m3塔顶易挥发组分质量百分比a1 = 94.11%进料易挥发组分质量百分比a2= 24.598%塔底易挥发组分质量百分比a3= 2.516%塔顶液相密度：pld = 1/a" m(1-a1) / 同=800.008Kg/ m3进料液相密度：PLF= 1/a2/

18、 pi+(1-a2) / 例=937.69Kg/ m3塔底液相密度：plw= 1/a3/ p+(1-a3) / 同=922.005Kg/ m3精储段的平均液相密度：p.M = ( pld+ pLF)/2=868.849Kg/ m3提储段的平均液相密度：plm = (if+ pLw)/2=964.85Kg/ m3(2)汽相平均密度根据塔顶组成查平衡数据计算塔顶温度Td=78.21 C根据进料板组成查平衡数据计算进料板温度Tf=85.85C根据塔底组成查平衡数据计算塔底温度Tw = 97.63C精微段：Tm= (Tf+Td) /2=82.03C3rm = PMv/RTM=1.456Kg/ m3提储

19、段：Tm= (Tf+Tw) /2=91.74C'''. .3pVM = PM v/RT M=1.16K4g/ m表4-1塔内气液流率汇总气相流率m3/h液相流率m3/h精储段750.6240.7475提储段882.491.10554.2 塔高的计算板式塔的有效高度是指安装塔板局部的高度,按下式计算: 式中 Z塔的有效高度,m；Et 全塔总板效率；Nt 塔内所需的理论板层数；Ht塔板间距,m.Ht的初选选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、别离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素.表4-2塔板间距与塔径的关系塔径/D, m0.3 0.50.5 0.80.8 1.61.6 2.4

20、2.4 4.0板间距/Ht, mm200300250350300450350600400600化工生产中常用板间距为：200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800mm.在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要.此设计中我取 HT=300mm4.3 塔径的计算计算塔径的方法有两类：一类是根据适宜的空塔气速,求出塔截面积,即可求出塔径.另一类计算方法那么是先确定适宜的孔流气速,算出一个孔阀孔或筛孔允许通过 的气量,定出每块塔板所需孔数,再根据孔的排列及塔板各区域的相互比例,最后算出 塔的横截面积和塔径.本次数据采用第一种方法.4.3.1 初步计算塔

21、径 精储段：图中V ,L分别为塔内气、液两相体积流量,m3/s；p v, p l分别为塔内气、液相的密度,kg/m3图4-1史密斯关联图L()A 1/2 )=0.02624由：Vd,查图4-1得,C20=0.06又有精微段平均温度Tm=82.03,查得乙醇和水的外表张力分别为：oi=0.0168N/m, a2=0.06257N/m,从而算出混合液体的外表张力6=0.04N/m0 2C =C20()=0.069- umax =C L=1.8266m/s,又 u = (0.6 0.8)Umax0.02:V取 u=1.2m/s,贝 1 D/ =JV=0.470m 0.785U提储段：与精储段同样的方

22、法算得塔的直径为 0.4165m4.3.2 塔径的圆整综合精储段与提留段,圆整后的塔径取 500mm4.4 塔板结构参数确实定4.4.1 溢流装置的设计溢流装置包括降液管、溢流堰、授液盘等几个局部,是液体的通道,其结构和尺寸对塔 的性能有着重要影响.A降液管截面积AfB溢流堰包括堰高hw、堰长lw及howC受液盘和底隙h0图4-2溢流装置图4-3塔盘布置4.4.2 塔盘布置如图 4-4A受液区或降液区Af=0.01396m2B入口安定区和出口安定区 Ws= 50 mmC边缘区Wc=30 mmD有效传质区：塔板上布置有筛孔的区域,称有效传质区,面积为Aa结合我的设计任务,由于流量较小,我选用 U

23、型塔板,如图4-4:图4-4 U形流型参数选择,取：hb=30mm,hw=50mm,lw=200mm.在 CAD 软件中求得：AT=0.19625m2,AF=0.01396m2, Aa=0.1185m2那么 Af/At=0.07,在0.06,0.12的范围内.=6.84mm>6mm,符合要求.4.4.3 筛孔数及排列并计算开孔率取孔径d0=6mm,开孔率取0.1,带入上述公式,得出孔距t=18mm, t/d0=3,在2.5,5范围内,符合根本要求.qVVSU04.4.4 筛口气速和筛孔数的计算Ao精储段和提储段的筛口气速和筛孔数分别用上述公式计算,得出：精储段 uo=17.6m/s, n

24、=419.2 个提储段 uo=20.7m/s, n=419.2 个所以筛孔数取420个5精微塔的流体力学性能验算5.1 分别核算精储段、提留段是否能通过流体力学验算5.1.1 液沫夹带校核qmLqvLev =：=；-17 qmv 17 qwFv ,查图 5-1,图5-1液沫夹带关联图-()A 1/2 =0.02624由V内,得巾=0.11将数据带入上述公式,得出精储段ev=0.0734kg液/kg ©1kg液/kg同样的方法,可得出精储段 ev=0.0909kg液/kg ©1kg液/kg那么液沫夹带校核通过.5.2.2塔板阻力校核精微段的踏板阻力校核：干板阻力由 d0=6m

25、m,查图 5-2图5-2塔板孔流系数得,孔流系数C0=0.652,&P f ,o1 8 U0h.= -= 丁 大带入公式Lg g L ' 0),得d=0.0473 m液柱液层阻力A'a=(1-2A d/A T)=0.16833m22Fa=Vs/A'a( pv)2=1.495根据Fa,查图5-3图5-3充气系数图得,P =0.59,那么 hL= B (hw+how)=0.59*(0.05+0.00684)=0.03354m液柱液体外表张力所造成阻力非常之小,此项可以忽略不计.故气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高度为：hp =0.0473+0.03354=0.0

26、8084m 液柱 p=0.08084*868.849*9.8=0.688Kp(<0.7K 巳,符合设计要求)题储段的踏板阻力校核方法同上,最后得出hp =0.0645Kp(<0.7K Pa,符合设计要求综上所述,塔板阻力校核通过.5.2.3 溢流液泛条件的校核精储段：液面落差A一般较小,可不计.液体通过降液管阻力 hd,包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd20hd=hdi+hd2=0.0153(Ls/l whb)2+0=0.000183mHd=hw+how+A +(R-P2)/ pLg+hd=0.139m对于一般物系,值可取0.5,对于不易起泡物系,值约为0.60.7,对于易起泡物

27、 系,可取值0.30.4.乙醇-水属于不易起泡物系,取0.5.贝U Hd/?=0.278m<HT+hW题储段方法同上得,Hd/?=0.263m<HT+hW综上所述,溢流液泛条件的校核通过.5.2.4 液体在降液管内停留时间的校核精储段 t=AdHT/Ls=0.01396*0.3/0.00020764=20.1s>5s题储段 t=AdHT/Ls=0.01396*0.3/0.00030700=13.6s>5s那么液体在降液管内停留时间的校核通过.5.2.5 漏液限校核精储段=0.0073m=6.006m/sk=U0/u'0=17.6/6=2.93>2提储段用同

28、样的方法得,k=U0/u'0=20.7/7.0775=2.92>2综上所述,漏液限校核通过.5.2分别作精储段、提留段负荷性能图(1)负荷性能图的其它几条曲线的依据分别是雾沫夹带线泛点率=1.36LsZlKCfA100%据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线.按泛点率80%计算.精储段整理得：0.1194=0.4097Vs+5.984Ls提储段整理得：0.1194=0.3476VS+5.984Ls液泛线根据 Ht hw = hp+hL+hd = hc+hi+h 二+hL+hd确定液泛线,由于h.很小,故忽略式中的ha精储段：代入数据得：2.4996*10-7Vh2+57.893Lh2

29、/3+0.03278Lh2=0.1提储段：代入数据得：1.8000*10-7Vh2+57.893Lh2/3+0.03278Lh2=0.1液相负荷上限线 全塔LS,max在降液管中停留时间5s时求出漏液线液相负荷下限线以堰上液层高度how=0.006m计.分别作出精储段和提储段的踏板负荷性能图,如图5-4,图5-5图5-4精微段踏板负荷性能图图5-5提微段踏板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出:1 .在任务规定的气液负荷下的操作点 p (设计点)处在适宜的操作区内的适中位置2 .塔板的气相负荷上限完全由液沫夹带限制,操作下限由漏液限制.3 .按固定的液气比,由图查出塔板的气相负荷上限VsMAx=

30、0.31(0.4)m3/s气相负荷下限 VsMiN=0.125(0.15)m3/s所以,精微段操作弹性=0.31/0.125=2.48.提留段操作弹性=0.4/0.15=2.67.4 .3塔结构数据汇总表5-1塔结构数据汇总工程符号单位计算数备注精福段提福段塔径Dm0.50.5板间距Htm0.30.3塔板类型U形流型降液管空塔气速um/s1.061.25堰长m0.20.2堰局m0.0500.050板上液层局度m0.070.07降液管底隙高m0.0300.030堰上方液头高度hOWm0.006840.00684阀空气速m/s17.620.7降液管面积mm20.013960.01396塔盘面积mm

31、20.196250.19625孔心距tm0.0180.018孔径m0.0060.006孔为正三角形式排 列单板压降Pa688645降液管内清液曾高度Hdm0.1390.1316塔的总体结构板式塔的塔体总高度(不包括裙座)由下式决定:h = HdYM-2§父耳 +SmH +H 十同上式中:Hd塔顶空间,0.5m；Hb塔底空间,0.5m；H t塔板间距,0.3m；Ht开有手孔白塔板间距,0.4m；Hf进料段高度,0.6m；Np实际塔板数,54;S-一人孔数目,6个.总体高度为 H=0.5+(54-2-6)*0.3+6*0.4+0.6+0.8=18.1m6.2塔板结构塔板类型按结构特点可分

32、为整块式或分块式两种. 一般,塔径 从300900mm时采用整块式塔板；当塔径在 800mm以上时,人 已能在塔内进行拆装操作,无须将塔板整块装入.本设计中塔径为 500mm,所以采用整块式塔板.7辅助设备的选择表7-1换热器结果列表换热器名称介质温度,c进出塔顶冷凝器壳程乙醇-水混合气体78.21C78.21C循环冷凝水1240塔底冉沸器乙醇-水溶液83 C87 c壳程蒸汽168 c168 c7.1塔顶冷凝器的选择查第四章传热表4-8:取总传热系数K=_800_W/m2C塔顶温度TD=78.21 C,查得：易挥发组分汽化潜热r=600kJ/kg；难挥发组分汽化潜热r2=2312.2kJ/kg

33、rD=r1 x y1+r2x (1-y 1)=600*0.86+2312.2*0.14=839.7kJ/kgQ=(R+1)DrD得：Q=(4+1)* (5.152*42.08/3600) *839.7=252.84kJ/s传热面积：A= Q =252.84*1000/(800*50.93)=6.2m2K ,选型：那么该换热器的公称面积为 7m2,型号G273I257.其参数如表7-2:7.2塔底再沸器的选择查第四章传热表4-8:取总传热系数K = 3000 W/m2 C塔底温度Tw=97.63七,查得：易挥发组分比热ci = 3JkJ/kgK难挥发组分比热C2=4.25 kJ/kgK易挥发组分汽化潜热ri=680kJ/kg难挥发组分汽化潜热ri=2264.5kJ/kg n平均 Cp 一Cpi xii =1=4.25*0.99+3.8*0.01=4.2455kJ/kgKrw=r1*Xw+r2*(1-Xw)=680*0.01+2264.5*0.99=2248.66kJ/kgQ=V' *w+ V'Cp