化工学院化工原理课程设计 乙醇水连续精馏筛板塔

吉林化工学院化工原理课程设计题目乙醇-水二元物系浮阀式精馏塔的设计教学院化工与材料工程学院专业班级学生姓名学生学号指导教师李忠玉2010年6月化工原理课程设计任务书一设计题目：分离乙醇－水连续浮阀式精馏塔的设计二原始数据及条件生产能力：年处理乙醇-水混合液20万吨（开工率300天/年）原料：乙醇含量为20%（质量百分比，下同）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%塔底乙醇含量不高于0.2%建厂地址：吉林地区一设计题目乙醇—水二元物系浮阀式精馏塔的设计二设计条件(1)原料来自原料罐，温度20℃，乙醇含量52%（质量分率）；原料处理量为1100kg(2)产品组成：乙醇含量91%（质量分率）。(3)釜液组成：乙醇浓度﹤0.04%（质量分率）。(4)塔顶压力：。(5)精馏塔进料状态为泡点进料。(6)塔釜为饱和蒸汽直接加热。三设计内容(1)确定工艺流程。(2)精馏塔的物料衡算。(3)塔板数的确定。(4)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算。(5)精馏塔塔体工艺尺寸的计算。(6)塔板板面布置设计。(7)塔板的流体力学验算与负荷性能图。(8)精馏塔接管尺寸计算。(9)塔顶全凝器工艺设计计算和选型。(10)进料泵的工艺设计计算和选型。(11)带控制点的工艺流程图、塔板板面布置图、精馏塔设计条件图。(12)设计说明书。摘要化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程，该设计方法被工程技术人员广泛的采用。精馏设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算xF=0.254xD=0.788xW=0.0020F=100kmol／h实际塔板数精馏段22块，提馏段7块。工艺参数的选定泡点进料、泡点回流。设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算塔高为,筛孔数目为3425个，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数是合理的，各种接管尺寸是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。关键词：乙醇；水；精馏段；提馏段；筛板塔。目录化工原理课程设计任务书 2第一章前言 6第二章绪论 7§2.1设计方案 7§2.2选塔依据 7§2.3设计思路 8第三章塔板的工艺设计 9§3.1精馏塔全塔物料衡算 9§3.2常压下乙醇-水气液平衡组成与温度关系 9理论塔的计算 17§3.4塔径的初步设计 19溢流装置 21塔板的分布、浮阀数目及排列 22第四章 塔板的流体力学验算 25气相通过浮阀塔板的压降 25淹塔 26§4.3物沫夹带 26塔板负荷性能图 27第五章塔附件设计 32筒体与封头 33除沫器 33裙座 34吊柱 34人孔 34第六章塔总体高度的设计 35塔的顶部空间高度 35塔的底部空间高度 35塔总体高度 35第七章附属设备设计 36冷凝器的选择 36§7.2进料泵的选择37第八章设计结果汇总 39结束语 40参考文献 41第一章前言化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（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。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，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分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。在本设计中我们使用筛板塔，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控制漏液。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，生产能力比泡罩塔大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）。蒸馏是分离均相混合物的单元操作，精馏是最常用的蒸馏方式，是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏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能力,做到能独立进行化工设计初步训练，为以后从事设计工作打下坚实的基础。第二章绪论§2.1设计方案本设计任务为分离乙醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。图2-1流程图§2.2选塔依据筛板塔是现今应用最广泛的一种塔型，设计比较成熟，具体优点如下：（1）结构简单、金属耗量少、造价低廉.（2）气体压降小、板上液面落差也较小.（3）塔板效率较高.改进的大孔筛板能提高气速和生产能力，且不易堵塞塞孔§2.3设计思路1、精馏方式的选定1、精馏方式的选定2、操作压力的选取3、加料状态的选择4、加热方式的选择5、回流比的选择6、冷凝方式及介质选择7、塔的选择图2-2设计思路1、本设计采用连续精馏操作方式。2、常压操作。3、泡点进料。4、间接蒸汽加热。5、选R=(1.1-2.0)Rmin。6、塔顶选用全凝器。7、选用筛板塔，其突出优点是结构简单，造价低，制造方便；生产能力第三章塔板的工艺设计§3.1精馏塔全塔物料衡算F：进料量（kmol/s）：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（kmol/s）：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s）：塔底组成§3.2常压下乙醇-水气液平衡组成与温度关系温度液相组成气相组成℃/%/%1000086.79.6685.312.3884.116.61温度液相组成气相组成℃/%/%82.782.381.580.079.879.7温度液相组成气相组成℃/%/%79.357.3278.7467.6378.4174.7278.1589.43温度利用表中数据用插值法求得：==℃：==℃：==℃精馏段平均温度===℃提馏段平均温度==℃2．密度已知：混合液密度依式=（a为质量分数，为平均相对分子质量）混合汽密度依式塔顶温度：=78.35℃气相组成：=％进料温度：=℃气相组成：=％塔府温度：=℃气相组成：=％精馏段：液相组成：气相组成：所以②提馏段液相组成：气相组成：所以表3-2不同温度下乙醇和水的密度：温度/℃温度/℃807359572085730100716958.490724求得在与下的乙醇和水的密度（单位：）所以混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算注：式中下角标，w,o,s分别代表水、有机物及表面部分；xw、xo指主体部分的分子数，Vw、Vo主体部分的分子体积，δw、δo为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。由不同温度下乙醇和水的表面张力温度/℃708090100乙醇表面张力/10-3N/m218水表面张力/10-3N/m2求得在下的乙醇和水的表面张力（单位：10-3Nm-1）乙醇表面张力：水表面张力：塔顶表面张力：联立方程组：代入求得：原料表面张力：联立方程组：代入求得：塔底表面张力：联立方程组：代入求得：（1）精馏段液相表面张力：==（+）/2=（2）提馏段液相表面张力：＝＝（+）/2=混合物的黏度=℃查表得：=0.3565mPa.s=0.3828=℃查表得：=0.3202mPa.s=0.4282精馏段黏度：提馏段黏度：5．相对挥发度由=0.3098=0.2138得：由=0.8075=0.7788由=0.1254=0.0140（1）精馏段相对挥发度（2）提馏段相对挥发度§理论塔的计算理论板：指离开此板的气液两相平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用逐板计算法。由精馏段相平衡方程：q线方程：两方程联立得：精镏段操作线方程：提镏段操作线方程：提镏段相平衡方程：（为操作点的横坐标）采用逐板计算法计算理论板数：精馏段相平衡方程：（a）精镏段操作线方程：（b）提镏段相平衡方程：（c）提镏段操作线方程：（d）理论板数的计算：现交替使用（a）（b）方程，计算如下：以下交替使用提镏段方程（c）（d），计算如下：所以总理论板数为13块，精馏段理论板数为10块，第11块为加料板，提镏段为2块。实际板数计算：板效率可用奥康奈尔公式：计算。（1）精馏段已知=057===17块（2）提馏段已知=0.416===21块全塔所需实际塔板数：=+=17+21=38块全塔效率：加料板位置在第43块塔板§塔径的初步设计1.气、液相体积流量计算根据x-y图查图计算，或由解析法计算求得：取（1）精馏段则质量流量：则体积流量：（2）提馏段q=则质量流量：则体积流量：2.精馏段有=(安全系数)，安全系数=0.6～0.8，式中可由史密斯关联图查出横坐标数值为取板间距则-查图可知=圆整塔截面积实际空塔气速为=这里3.提馏段横坐标数值为取板间距则-查图可知=圆整塔截面积实际空塔气速为=§堰长取1.2=m本设计采用平直堰，设出口堰不设进口堰，堰上液高度按下式计算=(近似取E=1)（1）精馏段：=堰高710=60m（2）提馏段：=堰高=46m弓降液管的宽度和横截面积查图得24则验算降液管内停留时间精馏段：提馏段：停留时间>5s故降液管可以使用3.降液管底隙高度（1）精馏段：取降液管底隙流速,则m取（2）提馏段：取降液管底隙流速,则m取§塔板的分布、浮阀数目及排列塔板的分块本设计塔径D=m，故塔板采用分块式，以便通过入孔装拆塔板。（1）精馏段：取阀孔动能因子F0=12，孔速为：==1每层塔板上的浮阀数目为：==31个取边缘区宽度Wc3m，破沫区宽度Ws=0.05m。计算塔板上的鼓泡区面积，按式计算其中：所以：=塔的直径小于1m，采用整块式塔板，多采用正三角形叉排m，则排间距：=取m，=0.13m以正三角形叉排方式作图，排得阀数目为33个。按N=34，重新核算孔速及阀孔动能因子：阀动能因子变化不大，仍在9~13范围内。塔板开孔率==8.08%（2）提馏段：取阀孔动能因子=11，孔速为：每层塔板上的浮阀数目为：==26个75m则排间距：同上取=150mm，则排得阀数目为29个。按N=29，重新核算孔速及阀孔动能因子：阀动能因子变化不大，仍在9~13范围内。塔板开孔率塔板的流体力学验算§气相通过浮阀塔板的压降根据，计算。1.精馏段：（1）干板阻力：因＞，故（2）板上充气液层阻力：取则（3）液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的液体高度为：2.提馏段：（1）干板阻力：因＞，故（2）板上充气液层阻力：取则（3）液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的液体高度为：=693.67pa§4.2淹塔为了防止淹塔现象的发生，要控制降液管高度，即1.精馏段：（1）单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度：=5m（2）液体通过降液管的压头损失：（3）板上液层高度，则取，已选定则可见，所以符合防止淹塔的要求。2.提馏段：（1）单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度：（2）液体通过降液管的压头损失：（3）板上液层高度，则取，已选定则，可见＜，所以符合防止淹塔的要求。§4.3物沫夹带泛点率：=板上液体流经长度：=板上液体流经面积：取物性系数K=1.0，泛点负荷系数(1)精馏段：对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算知，物沫夹带能够满足＜0.11㎏（液/㎏气）的要求。(2)提馏段：取物性系数K=1.0，泛点负荷系数则泛点率由以上计算知，符合要求。§塔板负荷性能图物沫夹带线泛点率据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线。按泛点率80%计算。（1）精馏段整理得：由上式和物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个Ls值，可算出Vs。（2）提馏段整理得：在操作范围内，任取若干个，算出相应的值。计算如图表示：(/s)(/s)由上述数据即可作出物沫夹带线精馏段提馏段液泛线根据确定液泛线，由于很小，故忽略式中的其中（1）精馏段：整理得：在操作范围内任取两个值，可求出与之对应的值，计算结果列于表4-3：05081013由上表数据即可作出液泛线。（2）提馏段：整理得：在操作范围内任取两个值，可求出与之对应的值，计算结果列于表4-4：05081013由上表数据即可作出液泛线。液相负荷上限线液体的最大流量应保证其在降液管中停留的时间不低于3~5s。液体在降液管中停留的时间由下式：以作为液体在降液管内停留时间的下限，则：据此可作出与气体流量无关的垂直的液相负荷上限线。漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则由知：（1）精馏段：（2）提馏段：据此可作出与液体流量无关的漏液线。5.液相负荷下限线取堰上液层高度作为最小液体负荷标准，做出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。由式：则：据此可作出与气体流量无关的垂直的液相负荷下限线。根据以上1-5数据作出塔板负荷性能图精馏段提馏段由塔板负荷性能图可以看出：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。塔板的气相负荷上限完全由液沫夹带控制，操作下限由漏液控制。按固定的液气比，由图查出塔板的气相负荷上限。气相负荷下限。所以，。提留段操作弹性=6.4/1.72=3.72。第五章塔附件设计§5.1接管进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管，弯管进料管，T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下：查标准系列选取Φ25×32.回流管采用直管回流管，取查表取Φ25×33.塔底出料管取，直管出料查表取Φ25×34.塔顶蒸气出料管直管出气，取出口气速为：u=20m/s则：查表取Φ219×6塔底进气管采用直管进气，取出口气速为：u=22m/s则：查表取Φ219×6法兰由于常压操作，所以法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用法兰。=1\*GB3①进料管接管法兰：Pg6Dg70HG5010-58=2\*GB3②回流管法兰：Pg6Dg60HG5010-58=3\*GB3③塔底出料管法兰：Pg6Dg80HG5010-58=4\*GB3④塔顶蒸气管法兰：Pg6Dg500HG5010-58=5\*GB3⑤塔釜蒸气进气法兰：Pg6Dg550HG5010-58§5.2筒体与封头1.筒体壁厚选3mm，所用材质为A32.封头选用封头取封头高度为0.35m。§5.3除沫器当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器以及程流除沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大、重量轻、效率较高、空隙大及使用方便等优点。设计气速选取：除沫器直径：选取不锈钢除沫器类型：标准型；规格：40-100；材料：不锈钢丝（1Gr18Ni9Ti）；丝网尺寸：圆丝§5.4裙座塔底采用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径>300mm，故裙座壁厚取12mm。基础环内径：基础环外径：圆整：，基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18mm，考虑到再沸器，裙座高度取1.5m。地角螺栓直径取M30。§5.5吊柱对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度较小，因此不必设吊柱。§5.6人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难于达到要求，一般每隔10~20块塔板才设一个人孔，本塔中共15块板，需设置1个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为800mm，裙座上应开1个人孔，直径为450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。第六章塔总体高度的设计§6.1塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板的距离为300mm，塔顶部空间高度为600mm。§6.2塔的底部空间高度塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取6min。装料系数为0.5，且。塔底料液量：塔底体积：§6.3塔总体高度第七章附属设备设计§7.1冷凝器的选择有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为本设计取出料液温度：78.25℃（饱和气）78.冷却水温度：20℃35℃逆流操作：传热面积：根据全塔热量衡算，计算方法参见任务书2和4，得Q=3360.375KJ/h。设备型号：G500I—16—40。热量衡算传热面积：根据全塔热量衡算，塔顶全凝器的相关物性：时，，进料带入的热量：当时，回流带入的热量：塔顶蒸汽带出的热量：残液带出的热量：散失周围的热量：设备型号：G500I—16—40。·§进料泵的选择：选碳钢管,内径d=15mm管内流速对于光滑管，当摩擦系数可由下式计算：管路压头损失扬程根据第八章设计结果汇总项目符号单位计算数备注精馏段提馏段塔径Dm11板间距HTm塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速um/s堰长m堰高m0.0568板上液层高度m降液管底隙高m2519浮阀数N140120等腰三角形叉排阀空气速m/s浮阀动能因子Fo10.61临界阀孔气速m/s9.641孔心距tm07575同一横排孔心距排间距m0.0490.623相邻横排中心距离单板压降Pa669降液管内清液曾高度Hdm0.00250.0024泛点率%气相负荷上限5.79气相负荷下限1.8物沫夹带控制操作弹性漏液控制结束语课程设计是一个综合性和实践性较强的学习环节，是理论联系联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基础知识的初次尝试。通过课程设计，要求我们能综合运用本课程和前修课程的基础知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求我们要了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养我们分析和解决工程实际问题的能力。我们以往学过的知识加以检验，能够培养理论联系实际的能力，尤其是这次精馏塔设计更加深入了对化工生产过程的理解和认识，使我们所学的知识不局限于书本，并锻炼了我们的逻辑思维能力。而且培养了我们的自学能力，设计中的许多知识都需要查阅资料和文献，并要求加以归纳、整理和总结。通过自学及老师的指导，不仅巩固了所学的化工原理知识,更极大地拓宽了我们的知识面，让我们更加认识到实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计及工作无疑将起到重要的作用。在这两周中，我查阅文献、计算数据、上机调试，本课程设计已经基本完成并以设计出可行的设计方案，整个过程已在前面的章节中体现出来。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。参考文献[1]陈敏恒,丛德滋,等.《化工原理》(上).北京:化学工业出版社.1999[2]陈敏恒,丛德滋,等.《化工原理》(下).北京:化学工业出版社.2006,5.[3]贾绍义，柴诚敬.《化