化工原理课程设计50000吨年乙醇-水精馏装置设计

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:TOC\o"1-3"\h\u27203第一章前言 2128291.1精馏塔简介 213182筛板塔和浮阀塔的优缺点 26332第二章设计方案的确定 44172任务书 418800塔板类型：浮阀塔 415738第三章精馏塔连续精馏的计算 717960第四章精馏塔塔体工艺尺寸计算 12297414.1.2提馏段 13283194.3塔高的计算 157093第五章塔板主要工艺尺寸的计算 173555.1塔板尺寸 177625.2塔板主要工艺尺寸的计算 17148495.2.3进口堰高和受液盘 1898475.3浮阀数目及排列 1875905.3.1浮阀数目 18283765.3.2排列 18209175.3.3校核 1930133第六章塔板的流体力学验算 20297296.1气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降) 2023086.1.1干板阻力 20275386.1.2板上充气液层阻力 20110616.1.3由表面张力引起的阻力 2055236.2漏液验算 20320236.3液泛验算 21111056.4雾沫夹带验算 2210227第七章塔板负荷性能图 23148737.1雾沫夹带上限线 23208727.2液泛线 23126187.3液体负荷上限线 24124847.4漏液线 24254117.5液相负荷下限线 24208507.6操作性能负荷图 2427789第八章精馏塔接管尺寸计算 27179778.1进料管 27257098.2釜残液出料管 27173038.3回流液管 2716518.4塔顶上升蒸汽管 28132548.5水蒸汽进口管 2817741第九章精馏塔工艺流程图 294774附录 30311071、塔板零件图 3066912、浮阀塔结构图 3113000课程设计心得 3219129参考文献： 33第一章前言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。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3~8mm，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%~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任务书工艺要求原料：乙醇～水溶液，年产量5万吨乙醇含量：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）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t—x—y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822塔板类型：浮阀塔设计任务1、精馏塔的物料衡算2、塔板数的确定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）。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。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第三章精馏塔连续精馏的计算原料液的摩尔组成：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3590(摩尔分数)摩尔质量沸点温度/℃原料液的汽化热：查表得：进料组成是溶液的泡点温度4℃所以平均温度℃有附表查得在℃kJ/(kg.℃)kJ/(kg.℃)故原料液的平均比热容为=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,xMD,xDW,xWF,xF,q由全塔的物料衡算方程可知：得：由提留段得物料衡算方程可知：得：=394.55kmol/h=158.12kmol/h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平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：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：理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：y=代入数据得：提留段操作线方程：y=代入数据得：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。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：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/温度/℃83,94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/平均密度/体积流量/3969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/℃表6提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/平均密度/体积流量/4.2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堰高采用平直堰，堰高取，则降液管底隙高度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。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，因此个排列由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排。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校核气体通过阀孔时的实际速度：实际动能因数：(在9~12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)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：=因为所以板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数，那么：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：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=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：/(7.2液泛线代入上式化简后可得：7.3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，可画出图塔的操作性能负荷图。00123Ls(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，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板间距塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速溢流堰长度溢流堰高度板上液层高度降液管底隙高度浮阀数个86等腰三角形叉排阀孔气速阀孔动能因数5临界阀孔气速孔心距同一横排的孔心距排间距相临二横排的中心线距离单板压降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泛点率，%气相负荷上限雾沫夹带控制气相负荷下限漏夜控制开孔率，%操作弹性

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。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在短短的三周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到后期论文的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我们真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。我们还要感谢我的指导老师鞠老师对我们的教导与帮助，感谢大学三年来化学系数所有任课老师对我们的孜孜教诲，感谢同学们的相互支持。限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师和其他组同学批评指正。参考文献：[1]夏清，陈长贵主编.化工原理.天津大学出版社，2009[2]王静康主编.化工设计.化学工业出版社，1995[3]贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计.天津大学出版社，2002[4]黄璐，王保国主编。化工设计。化学工业出版社，2002[5]刘雪暖主编。化工原理课程设计。石油大学出版社。2001[6]娄爱娟主编。化工设计。华东理工大学出版社。2002[7]刘光启、马连香、刘杰主编。化学化工物性数据手册。化学工业出版社。2001硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文。优秀的硕士论文能够反映出作者对所学习专业的理论知识掌握的程度和水平，能够帮助作者构建起良好的完整的知识体系，还能够反映作者独立的科研能力和学术理论的应用水平，对研究的课题的思考和独立见解。较之学士论文，硕士论文应当具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。因而撰写硕士论文将对作者提出更高的要求——数据资料翔实充分、论证分析详尽缜密、推理演算思路清晰、论文结构规范清晰、专业词汇运用准确。电路与系统学科研究电路与系统的理论、分析、测试、设计和物理实现。它是信息与通信工程