化工原理课程设计任务书zong修复的

1、化工原理课程设计课题万吨/年乙醛生产中精馏塔的设计院系化工学院专业化学工程与工艺组长廖永亮 10091820工096组员高源10093360 工096陶威10091757工094施少雄 10091722 工093王梦雪 10091715工093指导教师：赵红亮2012年 06月前言l 工业背景及工艺流程乙醛是无色、有刺激性气味的液体，密度比水小，沸点，易挥发、易燃烧且能和水、乙醇、乙醚、氯仿等互溶，因其分子中具有羰基，反应能力很强，容易发生氧化，缩合，环化，聚合及许多类型加成反应。乙醛也是一种重要的烃类衍生物在合成工业有机化工产品上也是一种重要的中间体。其本身几乎没有直接的用途，完全取决于市场

2、对它的下游产品的需求及下游产品对生产路线的选择，主要用于醋酸、醋酐、醋酸乙烯等重要的基本有机化工产品，也用于制备丁醇、异丁醇、季戊四醇等产品。这些产品广泛应用于纺织、医药、塑料、化纤、染料、香料和食品等工业。 国内乙醛生产方法有乙烯氧化法、乙醇氧化法和乙炔氧化法三种技术路线。工业上生产乙醛的原料最初采用乙炔，以后又先后发展了乙醇和乙烯路线。乙炔水化法成本高，因其催化剂汞盐的污染难以处理等致命缺点，现以基本被淘汰。乙醇氧化或脱氢法制乙醛虽有技术成熟，不需要特殊设备，投资省，上马快等优点，但成本高于乙烯直接氧化法。乙烯直接氧化法制乙醛。由于其原料乙烯来源丰富而价廉，加之反应条件温和，选择性好，收率

3、高，工艺流程简单及“三废”处理容易等突出优点，深受世界各国重视，发展非常迅速，现以成为许多国家生产乙醛的主要方法。l 精馏方案的确定：精馏塔流程的确定;塔型的选择;操作压力的选定;进料状态选定;加热方式等所选方案必须：（1）满足工艺要求；（2）操作平稳、易于调节；（3）经济合理；（4）生产安全。包括：流程的确定;塔型的选择;操作压力的选定;进料状态选定;加热方式等操作压力选择l 精馏可在常压、加压或减压下进行。l 沸点低、常压下为气态的物料必须选用加压精馏；热敏性、高沸点物料常用减压精馏。进料状态的选择l 一般将料液预热到泡点或接近泡点后送入塔内。这样可使：l (1)塔的操作比较容易控制；l

4、(2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近，塔径相似，设计制造比较方便。加热方式：l （1）间接蒸汽加热l （2）直接蒸汽加热l 适用场合：待分离物系为某轻组分和水的混合物。l 优点：可省去再沸器；并可利用压力较低的蒸汽进行加热。操作费用和设备费用均可降低。符号一览表符号名称符号名称F原料液的流量D塔顶产品的流量W塔底产品的流量xD塔顶产品摩尔分数xW塔底产品摩尔分数R回流比Rmin最小回流比Ls塔内液相流率Vs塔内气相流率L塔内液相平均密度v塔内气相平均密度表面张力NT理论塔板数L进料混合物粘度ET全塔效率N上精馏段实际塔板数N下提馏段实际塔板数N实际塔板数B塔底相对挥发度D塔顶相对挥发度F进料板

5、处相对挥发度平均相对挥发度FLV气液相流动参数HT板间距C20气相负荷因子un设计气速uf液泛气速LW堰长An气体流通面积AT塔横截面积Af降液管面积hW堰高D塔径h0降液管与下层塔板的距离Ws安定区宽度Wc边缘宽度Wd堰宽Aa开孔区面积d0阀孔直径AO筛孔总面积开孔率板厚度C0孔流系数hd干板压降how堰上清液层高度ua气体速度Fa气体动能因子液层充气系数hL液层阻力hf板压降eV雾沫夹带量Hd降液管内的清液层高度Hfd降液管内的泡沫层高度uow漏液点的孔速k稳定系数雾沫夹带分率Vh气体流量Lh液体流量E修正系数停留时间H顶塔顶空间H底塔底空间H人孔人孔高度N人孔人孔个数N加料加料板位置H加

6、料进料段高度H裙座裙座高度dp塔顶蒸汽管接管直径dR回流管接管直径df进料管接管直径dw塔釜出料管接管直径Q热负荷T1热流体进口温度T2热流体出口温度t1冷流体进口温度t2冷流体出口温度K传热系数tm对数平均传热温差NT管子数NP管程数tB再沸器温度tD冷凝器温度保温层导热系数S散热面积Q损损失的热量K总传热系数保温层厚度T空气对流传热系数第一章精馏塔的工艺设计1.1基本数据.1生产任务处理量：4600kmol/h各组分含量：（含乙醛） wt%(或mol%)（含水）wt%(或mol%)1.1.2 分离要求连续精馏操作压力：MPa（）塔顶产品组成： (含乙醛) wt%(或mol%)塔底残液组成：

7、 (含乙醛) wt%(或mol%)1.1.3设计条件和设计项目设计相图图1-1乙醛水系统相平衡xy图图1-2乙醛水系统相平衡pxy图图1-3乙醛水系统相平衡txy图物料衡算采用模拟计算，模拟条件：设定条件：进料F= 4358.732 kmol/h塔顶中 乙醛XD=0.999 塔釜中 乙醛XW操作条件： 间接精馏，轻关键组分在馏出物中的回收率=D*XD/(F*XF重关键组分在馏出物中的回收率=D*(1-XD)/(F*(1-XF泡点进料 塔顶全冷凝1.2.1 物料衡算由设定条件：进料F= 4358.732 kmol/h塔顶中 乙醛XD=0.999 塔釜中 乙醛XW由 F = D + W FXf =

8、 DXD + W XW可得：D=187.651 kmol/h W= 4171.081 kmol/h1.2.2 回流比的选择（简捷法精馏设计）（1）理论板与回流比图图1-4 乙醛水系统理论板与回流比图因为 R=(1.12.0)Rmin，且合理的理论板数应在上图曲线斜率绝对值较小的区域内选择。所以由上图得，选取理论板为18块。此时回流比为：1.39087392（下表得到）表1-1 乙醛水系统理论板与回流比表Theoretical stages（理论板）Reflux ratio（回流比）78910111213141516171819202122232425（2）简捷精馏计算结果将由（1）得到的回流比

9、带入ASPEN再次模拟得到：表1-2 乙醛水系统简捷计算结果汇总表物理量数值最小回流比实际回流比最小塔板数实际塔板数进料板进料以上实际塔板数再沸器所需热量冷凝器所需冷量塔顶温度塔底温度塔顶采出率1.2.3 严格精馏计算有简捷计算结果进行精确计算，计算结果：表1-3 乙醛水系统严格计算物料汇总表摩尔流率kmol/h摩尔分率总摩尔流率kmol/h总质量流率kg/h总体积流率l/min温度K水乙醛水乙醛进料4188.297481塔顶出料0.12016181298.86塔釜出料40.7672471377.561.2.4 辅助设备(塔顶冷凝器、塔釜再沸器等)的精确计算塔顶冷凝器：冷凝器数据温度热负荷塔顶

10、出料量回流量塔顶回流比（L/D）21-3KW187.6510 kmol/hkmol/h1.391表1-4 乙醛水系统严格计算冷凝器数据汇总表塔釜再沸器：表1-5 乙醛水系统严格计算再沸器数据汇总表再沸器数据温度热负荷塔底出料量塔内气体负荷塔釜回流比（V/W）17kw4kmol/hkmol/h431.2.5 模拟各塔板数据及分布图（1）物性数据及分布图表1-6 乙醛水系统各塔板数据汇总表Stage（塔板数）Temperature（温度）Pressure（压力）barHeat duty（热负荷）kWLiquid from（液体流量）kmol/hrVapor from（气体流量）kmol/hr气液比

11、100203040Stage（塔板数）Temperature（温度）Pressure（压力）barHeat duty（热负荷）kWLiquid from（液体流量）kmol/hrVapor from（气体流量）kmol/hr气液比5060700809010011012013014015016017018图1-5 乙醛水系统各塔板气液流率图图1-6 乙醛水系统各塔板热力学数据图（2）浓度数据及分布图表1-7 乙醛水系统各塔板物料浓度数据汇总表各塔板浓度分布塔板数水乙醛123456789101112131415161718图1-7 乙醛水系统各塔板物料浓度数据图（3）水利学数据分子量乙醛 44.0

12、5 操作压力 1.2bar 操作温度 25.81 表1-8 乙醛水系统塔板水力学数据图塔板数LvL(kg/m3)V(kg/m3)(N/m)1:16:17:18:（4） 混合组分平均物性参数的计算精馏段液体密度L蒸汽密度V液体流量3/s蒸汽流量液体表面张力：提馏段液体密度L蒸汽密度V液体流量蒸汽流量液体表面张力：第二章主要设备工艺尺寸设计2.1 实际塔板数计算2.1.1 基本数据已知：理论塔板数NT=18（包括再沸器和冷凝器）,进料混合物粘度L=表2-1 乙醛水系统塔釜B进料F塔顶D2.1.1 全塔效率计算精馏段：平均相对挥发度=(D*F)=根据公式又：可得N上=(NT-1)/ET=15-10.

13、3486=40(块)提馏段：平均相对挥发度=(D*F)=根据公式又：可得N下=(NT-1)/ET=13-10.1675=12 (块)则最终N=N上+N下+2=54(块)2.2 塔径计算精馏段塔径的计算由已知条件可计算两相流动参数参照表取板间距由图查得，可算出液泛气速取空塔气速·根据塔设备系列化规格，将圆整到，作为初选塔径提馏段塔径的计算由已知条件可计算两相流动参数参照表取板间距仍由图查得，可算出液泛气速取空塔气速根据塔设备系列化规格，将圆整到，作为初选塔径初选塔径由模拟的塔径为，与计算结果基本一致。根据精馏段和提馏段塔径初选结果，可以取全塔塔径为2m.对此初选塔径可以算出：按表选择单

14、流型塔板，并取堰长。由图查得溢流管面积和塔板总面积之比为降液管道面积塔横截面积塔净截面积验证2.3 塔板详细设计选择平顶溢流堰，并参考表，取堰高采用垂直弓形降液管和普通平底受液盘，取,取板厚取，又从图求出。于是，可以算出故得取，孔径取,则孔间距开孔数2.4 精馏段塔板校核2.4.1 干板压降校核由Aa=2.2046Ao=Aa×j=2.2046×板厚，则由常用化工单元设备的设计图（以下图均指该书图），开孔率，查得。故可求出干板压降，查图，可得修正系数。进而求得堰上液高按面积计算的气体速度相应的气体动能因子从图查得液层充气系数，可求出液层阻力于是，板压降2.4.2 液沫夹带量校

15、核按和泛点百分率为，从图查得。求得塔板效率2.4.3 溢流液泛条件校核已知，可求溢流管中的当量清液高度故降液管内的当量清液高度对乙醛-水混合物体系，取，降液管内泡沫层高度不会发生溢流液泛。2.4.4 液体在降液管内停留时间的校核 液体在降液管内的停留时间，不会产生严重气泡夹带。2.4.5 漏液点的校核 设漏液点的孔速，相应的动能因子（以为基准）故可求得塔板上当量清液高度由图查得漏液点的干板压降，由此求出漏液点孔速为此计算值与假定值相当接近，故计算结果正确。塔板的稳定系数表明塔板具有足够操作弹性。2.4.6 负荷性能图 液相下限线令，并假设修正系数，则根据，由图查得，表明计算结果正确。在负荷性能

16、图处作垂线得液相下限线。 液相上限线取停留时间为，则液相上限值在负荷性能图处作垂线即为液相上限线。 漏液线把漏液点近似看成直线，可由两点大致确定其位置。第一点取液体流量为设计负荷，其漏液点孔速相应的气体流量为第二点取液体量为，可求得漏液点孔速，相应的气体流量为由以上两点可得漏液线。 过量液沫夹带线同样将此线近似看成直线，由两点确定其位置。第一点取液气比与设计点相同，。令求出相应的液沫夹带分率据和，从图查得泛点百分率为。液泛速度已经算出，故在时，相应的气体流量和液体流量为第二点取液气质量流率比，算出，（当时）。由图查得此时的液泛百分率为。根据和，由图查得，算出液泛速度，（当时）。由此，可以求出相

17、应的气液流量为由以上两点可得过量液沫夹带线。 溢流液泛线对已设计的筛板塔，当降液管内当量清液高度时，将发生溢流液泛。在一定液体流量下，、（由图可知，当气速较高时，充气系数趋于常数）与气体流量无关，液面落差可忽略不计。这样，可求出液泛时的干板压降及相应的气体流量。第一点取，求出，。液泛时的干板压降相应的泛点孔速和气体流量为第二点取，求出，。液泛时的干板压降、孔速和气体流量分别为如此同样将此线近似看成直线，连接以上两点即可求得溢流液泛线。 负荷图绘制图2-1 乙醛水系统精馏段负荷性能图图中通过原点的斜线为液气比一定的操作线。由此图可以看出，设计点满足负荷性能图的要求。2.5 提馏段塔板校核 干板压

18、降校核由Aa=2.2046Ao=Aa×j=2.2046×板厚，则，开孔率，由图，查得。故可求出干板压降，查图，可得修正系数。进而求得堰上液高按面积计算的气体速度相应的气体动能因子从图查得液层充气系数，可求出液层阻力于是，板压降本设计接近常压操作，对板压降本身无特殊要求。2.5.2 液沫夹带量校核同理可得：和泛点百分率为，从图查得。求得塔板效率2.5.3 溢流液泛条件校核已知，可求溢流管中的当量清液高度故降液管内的当量清液高度取，降液管内泡沫层高度不会发生溢流液泛。2.5.4 液体在降液管内停留时间的校核 液体在降液管内的停留时间，不会产生严重气泡夹带。2.5.5 漏液点的校

19、核设漏液点的孔速，相应的动能因子（以为基准）故可求得塔板上当量清液高度由图查得漏液点的干板压降，由此求出漏液点孔速为此计算值与假定值相当接近，故计算结果正确。塔板的稳定系数（要不此处改成大于？）表明塔板具有足够操作弹性。2.5.6 负荷性能图 液相下限线令，并假设修正系数，则根据，由图查得，表明计算结果正确。在负荷性能图处作垂线得液相下限线。 液相上限线取停留时间为，则液相上限值在负荷性能图处作垂线即为液相上限线。 漏液线把漏液点近似看成直线，可由两点大致确定其位置。第一点取液体流量为设计负荷，其漏液点孔速，相应的气体流量为第二点取液体量为，可求得漏液点孔速，相应的气体流量为由以上两点可得漏液

20、线。 过量液沫夹带线同样将此线近似看成直线，由两点确定其位置。第一点取液气比与设计点相同，。令，求出相应的液沫夹带分率据和，从图查得泛点百分率为。液泛速度已经算出，故在时，相应的气体流量和液体流量为第二点取液气质量流率比，算出，（当时）。由图查得此时的液泛百分率为。根据和，由图查得，算出液泛速度，（当时）。由此，可以求出相应的气液流量为由以上两点可得过量液沫夹带线。 溢流液泛线对已设计的筛板塔，当降液管内当量清液高度时，将发生溢流液泛。在一定液体流量下，、（由图可知，当气速较高时，充气系数趋于常数）与气体流量无关，液面落差可忽略不计。这样，可求出液泛时的干板压降及相应的气体流量。第一点取，求出

21、，。液泛时的干板压降相应的泛点孔速和气体流量为第二点取，求出，。液泛时的干板压降、孔速和气体流量分别为如此同样将此线近似看成直线，连接以上两点即可求得溢流液泛线。 负荷图绘制图2-2 乙醛水系统提馏段负荷性能图图中通过原点的斜线为液气比一定的操作线。由此图可以看出，设计点满足负荷性能图的要求。2.6 塔高及接管尺寸2.6.1塔体总高度塔总高度由下式决定根据工艺情况取，故可求出塔的总高度：2.6.2 接管尺寸塔顶蒸汽管（取）圆整为，取规格尺寸53020。回流管（取）圆整为。取规格尺寸32510。进料管（取）圆整为，取规格尺寸1337。塔釜出料管（取），圆整为，取规格尺寸2199。塔釜蒸汽回流管(取)圆整为，取规格尺寸。第三章辅助设备的选型3.1 塔顶冷凝器选型已知：，查得常压低沸物K=1140W*m2*s-1，,t1=8,t2=20tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2(T2-t1)由Q=KAtmA估=Q/Ktm=3213674.71140×4.73根据A估选型换热器如下：表3-1塔顶冷凝器结构参数公称直径D管心距/m管长/m管道规格管子数NT管程数NP换热面积/m298804以所选换热器，根据自行设计的EXCEL公式求得：A实际=472.15m2