化工原理课程设计报告乙醇及水

..设计任务书<一>设计题目：试设计一座乙醇-水连续精馏塔提纯乙醇。进精馏塔的料液含乙醇25%〔质量分数,下同,其余为水；产品的乙醇含量不得低于94%；残液中乙醇含量不得高于0.1%；要求年产量为17000吨/年。<二>操作条件1>塔顶压力4kPa〔表压2>进料热状态自选3>回流比自选4>塔底加热蒸气压力0.5Mpa〔表压5>单板压降≤0.7kPa。<三>塔板类型自选<四>工作日每年工作日为300天,每天24小时连续运行。<五>设计内容1、设计说明书的内容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>对设计过程的评述和有关问题的讨论。2、设计图纸要求：1>绘制生产工艺流程图〔A2号图纸；2>绘制精馏塔设计条件图〔A2号图纸。目录1.设计方案简介……………………11.1设计方案的确定………………11.2操作条件和基础数据…………12.精馏塔的物料衡算…………………12.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率………12.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量…………………12.3物料衡算………………………23.塔板数的确定………………………23.1理论板层数NT的求取………23.1.1求最小回流比及操作回流比………23.1.2求精馏塔的气、液相负荷…………33.1.3求操作线方程………33.1.4图解法求理论板层数………………33.2塔板效率的求取……………43.3实际板层数的求取…………54.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算……54.1操作压力计算………………54.2操作温度计算………………54.3平均摩尔质量的计算………54.4平均密度的计算……………64.4.1气相平均密度计算…………………64.4.2液相平均密度计算…………………64.5液体平均表面张力计算……………………74.6液体平均黏度计算…………75.精馏塔的塔体工艺尺寸计算……………………85.1塔径的计算…………………85.1.1精馏段塔径的计算…………………85.1.2提馏段塔径的计算…………………95.2精馏塔有效高度的计算……………………95.3精馏塔的高度计算………106.塔板主要工艺尺寸的计算………106.1溢流装置计算……………106.1.1堰长lw……………106.1.2溢流堰高度hw…………………116.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af………………116.1.4降液管底隙高度ho………………116.2塔板布置…………………126.2.1塔板的分块………126.2.2边缘区宽度确定…………………126.2.3开孔区面积计算…………………126.2.4筛孔计算及其排列………………127.筛板的流体力学验算…………137.1塔板降……………………137.1.1干板阻力hc计算…………………137.1.2气体通过液层的阻力hl计算………137.1.3液体表面张力的阻力hσ计算………137.2液面落差…………………137.3液沫夹带…………………147.4漏液………………………147.5液泛………………………148.塔板负荷性能图…………………158.1漏液线……………………158.2液沫夹带线………………158.3液相负荷下限线…………168.4液相负荷上限线…………178.5液泛线……………………179.主要接管尺寸计算……………199.1蒸汽出口管的管径计算…………………199.2回流液管的管径计算……………………199.3进料液管的管径计算……………………199.4釜液排出管的管径计算…………………1910.塔板主要结构参数表…………2011.设计过程的评述和有关问题的讨论…………21参考文献……………23..1.设计方案简介1.1设计方案的确定本设计任务为分离乙醇—水混合物提纯乙醇,采用连续精馏塔提纯流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系,回流比较大,故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。1.2操作条件和基础数据进料中乙醇含量〔质量分数wF=0.25；产品中乙醇含量〔质量分数wD=0.94；塔釜中乙醇含量〔质量分数wW=0.001；处理能力GF=17000吨/年；塔顶操作压力4kPa；进料热状况泡点进料；单板压降≤0.7kPa；精馏塔的物料衡算2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量MA=46.07kg/kmol水的摩尔质量MB=18.02kg/kmolxF==0.115xD==0.860xW==0.00042.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=21.25kg/kmolMD=42.14kg/kmolMW=18.05kg/kmol2.3物料衡算每年300天,每天工作24小时,其处理量为17000吨/年故原料液的处理量为F=111.11kmol/h总物料衡算111.11=D+W乙醇的物料衡算111.110.115=0.860D+0.0004W联立解得D=14.81kmol/hW=96.30kmol/h塔板数的确定3.1理论板层数NT的求取3.1.1求最小回流比及操作回流比乙醇-水是非理想物系,先根据乙醇-水平衡数据〔见下表1,绘出平衡线,如下图所示。表1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99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.799.20.232.979.8552.6866.28990.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.482.325.7555.7478.1589.4189.41在上图对角线上,自点c〔0.115,0.115作垂线ec即为q线,该线与相平衡线的由a点引出的切线的交点坐标为y=0.354,x=0.115故最小回流比为RminR=1.5Rmin=1.52.12=3.183.1.2求精馏塔的气、液相负荷Lkmol/hVkmol/hLkmol/hVkmol/h3.1.3求操作线方程精馏段操作线方程为y提馏段操作线方程为y3.1.4图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数,结果见上图,得理论塔板数N=15块〔不包括再沸器,精馏段12块,提馏段3块〔不包括再沸器3.2塔板效率的求取操作温度计算：由乙醇—水的气液两相平衡图[1]可查得组成分别为的泡点温度：由乙醇—水的气液两相平衡图可查得：塔顶和塔釜的气液两相组成为：查化工物性算图手册得：则塔内相对挥发度：全塔液体平均粘度的计算：液相平均粘度的计算,即塔顶液相平均粘度的计算由,查手册[2]得：解出塔底液相平均粘度的计算由,查手册[3]得：[1]解出则全塔液相平均粘度为故查奥康内尔〔o'connell关联图[1]得：因为筛板塔全塔效率相对值为1.1[1],故精馏塔的全塔效率为3.3实际板层数的求取精馏段实际板层数N提馏段实际板层数N64.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1操作压力计算塔顶操作压力kpa每层塔板压降进料板压力kpa精馏段平均压力kpa4.2操作温度计算从乙醇-水溶液的气液相平衡图[1]查得泡点温度〔近似看作是操作温度为：塔顶温度进料板温度精馏段平均温度为：4.3平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算由,查平衡曲线〔x-y图,得进料板平均摩尔质量计算由图解理论板〔x-y图,得查平衡曲线〔x-y图,得精馏段平均摩尔质量4.4平均密度的计算4.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算,即kg/4.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算,即塔顶液相平均密度的计算由,查手册[2]得塔顶液相的质量分率进料板液相平均密度的计算由,查手册[2]得进料板液相的质量分率精馏段液相平均密度为4.5液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算,即塔顶液相平均表面张力的计算由,查手册[2]得进料板液相平均表面张力的计算由,查手册得精馏段液相平均表面张力为4.6液体平均黏度计算液相平均粘度依下式计算,即塔顶液相平均粘度的计算由,查手册[2]得：解出进料板液相平均粘度的计算由,查手册[3]得：[1]解出精馏段液相平均粘度为5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1塔径的计算5.1.1精馏段塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为m3/sm3/s由式中C由式计算,式中C20由图〔史密斯关系图[4]查得,图的横坐标为取板间距,板上液层高度,则查图〔史密斯关系图[4]得取安全系数为0.7,则空塔气速为m/sm5.1.2提馏段塔径的计算提馏段塔径计算,所需数据可从相关手册[1,2,4]查得,计算方法同精馏段。计算结果为m比较精馏段与提馏段计算结果,两段的塔径相差不大,圆整塔径,取m塔截面积为m2实际空塔气速为m/s5.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为m提馏段有效高度为m故精馏塔的有效高度为m5.3精馏塔的高度计算实际塔板数进料板数；由于该设计中板式塔的塔径,为安装、检修的需要,选取每6层塔板设置一个人孔[4],故人孔数；进料板处板间距；设人孔处的板间距；为利于出塔气体夹带的液滴沉降,其高度应大于板间距[4],故选取塔顶间距；塔底空间高度[4]封头高度；[5]裙座高度。故精馏塔的总高度为16.33m6.塔板主要工艺尺寸的计算6.1溢流装置计算因为塔径m,一般场合可选用单溢流弓形降液管[4],采用凹形受液盘。各项计算如下：6.1.1堰长lw取m6.1.2溢流堰高度hw由选用平直堰,堰上液层高度hOW由下式计算,即近似取E=1,则0.007m取板上清液层高度故m6.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af由查图〔弓形降液管的参数[4],得故依式[4]验算液体在降液管中停留的时间,即故降液管设计合理。6.1.4降液管底隙高度ho取则故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘,深度[4]6.2塔板布置6.2.1塔板的分块因为,故塔板采用分块式。查表〔塔板分块数[4],,则塔板分为3块。6.2.2边缘区宽度确定取,6.2.3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算,即其中故0.31m26.2.4筛孔计算及其排列本次所处理的物系无腐蚀性,可选用碳钢板,取筛孔直径。筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为筛孔数目n为个开孔率为气体通过阀孔的气速为m/s7.筛板的流体力学验算7.1塔板降7.1.1干板阻力hc计算干板阻力hc由下式计算,即由,查图〔干筛孔的流量系数[4]得,故m液柱7.1.2气体通过液层的阻力hl计算气体通过液层的阻力hl由下式计算,即查图〔充气系数关联图[4]得：故m液柱7.1.3液体表面张力的阻力hσ计算液体表面张力所产生的阻力hσ由下式计算,即气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算,即气体通过每层塔板的压降为〔设计允许值7.2液面落差对于筛板塔,液面落差很小,且本次的塔径〔和液流量〔均不大,故可以忽略液面落差的影响。7.3液沫夹带液沫夹带量由下式计算,即故故在本次设计中液沫夹带量eV在允许范围内。7.4漏液对筛板塔,漏液点气速可由下式计算,即实际孔速稳定系数为故在本次设计中无明显漏液。7.5液泛为防止塔内发生液泛,降液管内液层高Hd应服从下式的关系,即乙醇—水物系属一般物系,不易发泡,故安全系数取[4],则而板上不设进口堰,hd可由下式计算,即故在本次设计中不会发生液泛现象。8.塔板负荷性能图8.1漏液线由得整理得在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表2。表20.00010.00150.00300.00450.2100.2230.2310.238由上表数据即可作出漏液线1。8.2液沫夹带线以为限,求Vs—Ls关系如下：由故整理得在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3。表30.00010.00150.00300.00452.392.212.091.98由上表数据即可作出液沫夹带线2。8.3液相负荷下限线对于平直堰,取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。则取,则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。8.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限,由下式可得,即故据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。8.5液泛线令由联立得忽略,将与,与,与的关系式代入上式,并整理得式中将有关的数据代入,得故或在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表4。表40.00010.00150.00300.00450.980.850.690.47由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图,如下图所示。在负荷性能图上,作出操作点A,连接OA,即作出操作线。由图可看出,该筛板的操作上限为液泛控制,下限为液沫夹带控制。由图可查得故操作弹性为9.主要接管尺寸计算9.1塔顶蒸汽管的管径计算由于塔顶操作压力为4kpa,故选取[6],则圆整直径为9.2回流液管的管径计算冷凝器安装在塔顶,故选取[6],则圆整直径为9.3进料液管的管径计算由于料液是由泵输送的,故选取[6]；进料管中料液的体积流量故圆整直径为9.4釜液排出管的管径计算釜液流出速度一般范围为[6],故选取；塔底平均摩尔质量计算由,得：塔底液相平均密度的计算由,查手册[2]得塔底液相的质量分率塔釜排液管的体积流量故圆整直径为10.塔板主要结构参数表所设计筛板的主要结果汇总于表5。表5筛板塔设计计算结果参数表序号项目数值12345678910111213141516171819202122232425262728293031平均温度tm,℃平均压力Pm,kPa气相流量Vs,〔m3/s液相流量Ls,〔m3/s实际塔板数有效段高度Z,m塔径D,m板间距HT,m溢流形式降液管形式堰长lW,m堰高hW,m板上液层高度hL,m堰上液层高度hOW,m降液管底隙高度ho,m安定区宽度Ws,m边缘区宽度Wc,m开孔区面积Aa,m2筛孔直径d0,m筛孔数目n孔中心距t,m开孔率φ,%空塔气速,m/s筛孔气速,m/s稳定系数每层塔板压降,Pa负荷上限负荷下限液沫夹带eV,〔kg液/kg气气相负荷上限Vs,max,m3/s气相负荷下限Vs,min,m3/s操作弹性82113.70.400.00063011.20.80.40单溢流弓形0.530.0530.060.0070.0140.070.0350.310.00515920.0150.1010.8612.781.89500.6液泛控制液沫夹带控制0.860.471.8311.设计过程的评述和有关问题的讨论11．1筛板塔的特性讨论筛板塔式最早使用的板式塔之一,它的主要优点有：结构简单,易于加工,造价较低；在相同条件下,生产能力比泡罩塔大20%~40%；踏板效率较高,比泡罩塔高15