化工原理课程设计模板-施(DOC31页).doc
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1、化工原理课程设计乙醇-水填料式精馏塔设计学 生 姓 名徐 程学 院 名 称化 学 化 工 学 院学 号20131301218班 级13 级 2 班专 业 名 称应 用 化 学指 导 教 师王 菊2016 年5 月20 日徐州工程 学院化工原理 课程设计说明 书摘要填料式精馏塔是化工生产的重要化工设备。精馏塔不仅对产品本身,而且还对产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。因此,掌握精馏塔的基本设计对化工专业学生十分重要的。本课程设计是关于乙醇-水的填料式精馏塔的设计,通过对填料式精馏塔的设计,熟练掌握以及运用所学知识并投入到实际生产当中去。关键词关键词 乙
2、醇;水;填料式精馏塔;化工生产;编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第0页 共32页第 0 页 共 32 页摘要.第一部分第一部分 概述概述.21.1 概述.21.2 文献综述.21.2.1 填料类型.21.2.2 填料塔.31.2.3 填料选择.31.3 设计任务书.31.3.1 设计题目.41.3.2 设计条件.41.3.3 设计任务.41.4 设计思路.4第二部分第二部分 工艺计算工艺计算.52.1 平均相对挥发度的计算.52.2 绘制 t-x-y 图及 x-y 图.52.3 全塔物料衡算.62.3.1 进料液及塔顶、
3、塔底产品的摩尔分数.72.3.2 平均摩尔质量.72.3.3 全塔物料衡算:.72.4 最小回流比的计算和适宜回流比的确定.82.4.1 最小回流比.82.4.2 确定最适操作回流比 R.82.5 热量衡算.82.6 求理论板数及加料.102.6.1 精馏段和提馏段操作线方程的确定.102.6.2 理论板数及加料板位置.102.7 填料高度计算.113.8 精馏塔主要尺寸的设计计算.123.8.1 流量和物性参数的计算.123.8.2 塔板效率.13第三部分塔板结构设计第三部分塔板结构设计.143.1 气液体积流量.143.1.1 精馏段的气液体积流量.14编号:时间:2021 年 x 月 x
4、 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第1页 共32页第 1 页 共 32 页3.1.2 提馏段的气液体积流量.163.2 塔径计算.163.2.1 塔径初步估算.16第四部分换热器第四部分换热器.184.1 换热器的初步选型.184.1.1 塔顶冷凝器.184.1.2 塔底再沸器.184.2 塔顶冷凝器的设计.18第五部分精馏塔工艺条件第五部分精馏塔工艺条件.205.1 塔内其他构件.205.1.1.塔顶蒸汽管.205.1.2.回流管.205.1.3 进料管.205.1.4.塔釜出料管.215.1.5 除沫器.215.1.6 液体分布器.215.1.7 液体再
5、分布器.235.1.8 填料支撑板的选择.235.1.9 塔釜设计.235.1.10 塔的顶部空间高度.235.1.11 手孔的设计.245.1.12裙座的设计.245.2 精馏塔配管尺寸的计算.245.2.1 塔顶汽相管径 dp.245.2.2 回流液管径 dR.245.2.3 加料管径 dF.245.2.4 釜液排出管径 dw.255.2.5 再沸器返塔蒸汽管径 dv.256.3 精馏塔工艺尺寸.26第六部分结构设计结果.27总结.27参考文献.28附录.28编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第2页 共32页第 2 页
6、 共 32 页第一部分第一部分 概述概述1.1 概述乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料,也是制取染料、涂料、洗涤剂等产品的原料,所以乙醇是一种重要的化工原料。如今能源消耗有枯竭的趋势,作为一种可再生的能源,乙醇燃料成为未来代替传统化石燃料的重要能源之一。国内乙醇生产方法主要有发酵法、乙烯水化法、合成气经醋酸制乙醇、合成气直接制乙醇等,国外乙醇生产方法主要有渗透蒸发技术、新型耦合分离技术、渗透气化膜分离技术、PVA 膜渗透汽化等。塔设备作为工业生产上最重要的设备之一,在工业生产乙醇的分离中起重要作用。在塔设备中常见的单元操作有:精馏、吸收、解吸和萃取等。乙醇-水是工业上最常见的溶
7、剂,也是十分重要的化工原料之一。长期以来乙醇-水溶液通常都是通过蒸馏法生产,但由于乙醇-水的共沸现象,普通的精馏方法对于高纯度的乙醇来说产量不好,所以设计研究和改进精馏设备是十分重要的。本课程设计主要是采用填料精馏塔对乙醇-水溶液进行分离。塔设备在经过长期的发展,形成了形式繁多的结构,以满足各方面的特殊需要。在乙醇的工业生产中,主要是通过精馏塔将产物乙醇与水分离,制取高纯度的乙醇。按塔的内件结构的不同可以分为板式塔和填料塔两大类。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的底部安装填料支撑板,填料随意乱堆或整砌的方式放置在支撑板上。填料上方安装有填料压板,以防填料被上升气流吹
8、动。填料塔塔内填充适当高度的填料,以增加两种流体间的接触表面。液体沿填料表面呈膜状向下流动,作为连续相的气体则自下而上地流动,与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。作为产物分离中的最重要的设备之一的塔设备,随着塔设备技术的发展,国内外制定了多种企业接触的元件,从而改善塔设备质量,缩短塔设备的制造、安装周期,以此来减少设备的投资费用。1.2 文献综述1.2.1 填料类型气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔,也可采用填料塔,板式塔的设计将在其他分册中作详细介绍,故本书将只介绍填料塔。编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路
9、勤为径,学海无涯苦作舟页码:第3页 共32页第 3 页 共 32 页新型高效规整填料的不断开发与应用,冲击了蒸馏设备以板式塔为主的局面,且大有取代板式塔的趋势。最大直径规整填料塔已达 1420m,结束了填料塔只适用于小直径塔的历史。这标志着填料塔的塔填料、塔内件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段。纵观填料塔的发展,新型填料的研究始终十分活跃,尤其是新型规整填料不断涌现。如今,填料主要分为散堆填料、规整填料和毛细管填料。1.2.2 填料塔填料塔也是传质过程常用的塔设备,它的主要优点是生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小操作弹性大等。填料塔的缺点是填料造价高;当液体负荷较小时不能有效地
10、润湿填料的表面,使传质效率下降;不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料;对侧线进料和出料等复杂蒸馏不太适合等。1.2.3 填料选择拉西环是最古老、最典型的一种填料,由于它结构简单,制造容易,价格低廉,性能指数较为齐全以及机械强度高,因此长久以来,尽管它存在严重缺点,但是仍受到厂家的欢迎,沿用至今。拉西环的缺点是结构不常开,有效空隙率比实际空隙率小得多,所以压力降比较大。拉西环在塔内的填料方式有两种:乱堆和整砌。乱堆装卸比较方便,但是压力降比较大,一般直径在 50mm 以下的拉西环用乱堆填料,直径在 50mm 以上的拉西环用整砌填料。当填料的名义尺寸小于 20mm 时,各本身的填料分离效率都明显下
11、降。因此,25mm 的填料可以认为是工业填料中选用比较合理的填料。本次设计采用的为金属拉西环 25mm25mm0.8mm。表 1金属拉西环 25mm25mm0.8mm 参数项目参数项目参数公称直径D=25mm比表面积=220m/m外径d=25mm空隙率=95%高度h=25mm堆积个数N=55000 个/m壁厚=0.8mm堆积密度=640kg/m干填料因子a/=257/m等板高度H=0.46m湿填料因子=390/m平均压降p=0.5kPa/m1.3 设计任务书编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第4页 共32页第 4 页 共
12、32 页1234512345离心泵再沸器填料式精馏塔冷凝器储罐乙醇水溶液1.3.1 设计题目乙醇-水填料式精馏塔设计1.3.2 设计条件常压 p=1atm(绝压)。原料来自粗馏塔,为 9596饱和蒸汽,由于沿程热损失,进精馏塔时,原料温度约为90塔顶浓度为含乙醇 92.41%(质量分数)的乙醇,产量为 25 吨/天;塔釜采用饱和蒸汽直接加热,从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于 0.3%(质量分数);塔顶采用全凝器,泡点回流,回流比 R=1.12.0Rmin;厂址:徐州地区1.3.3 设计任务1、完成该精馏塔的工艺设计,包括辅助设备及进出口管路的计算和选型;2、画出带控制点工艺流程图、xy 相
13、平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图;3、写出该精馏塔的设计说明书,包括设计结果汇总和设计评价。1.4 设计思路乙醇-水溶液通过离心泵进入再沸器中,经过加热接近或达到泡点后,从底部进入填料式精馏塔中,在填料上易挥发组分乙醇进入气相,而难挥发组分水进入液相。易挥发组分乙醇通过塔顶管道进入冷凝器中,在冷凝器中由于温度降低乙醇冷凝,为了保证塔顶浓度为含乙醇 92.41%(质量分数),将冷凝器中的溶液重新回到填料式精馏塔中,重新蒸馏。精馏塔底部的液体回到再沸器中重新加热至泡点温度。经过重复多次精馏,在冷凝其中可以得到高纯度的乙醇,然后将乙醇通入储罐中。塔里的混合物不断重复前面所说的过程
14、,而进料口不断有新鲜原料的加入。最终,完成乙醇和水的分离。乙醇水混合液经原料预热器加热,进料状况为汽液混合物 q=1 送入精馏塔,塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,一部分入塔回流,其余经塔顶产品冷却器冷却后,送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第5页 共32页第 5 页 共 32 页图 1 流程示意图第二部分第二部分 工艺计算工艺计算2.1 平均相对挥发度的计算由相平衡方程xxy)1(1(1-1)得:)1()1(yxxy(1-2)查阅相关资料,常压下乙醇和水的气
15、液平衡数据如下表表 2 常温常压下乙醇-水的平衡数据x0.1800.2000.2500.3000.3500.400y0.5100.5250.5510.5750.5950.610 x0.4500.5000.5500.6000.6500.700y0.6350.6570.6780.6900.7250.755由道尔顿分压定律yiPP BBAABAixPxPVV(1-3)得)1()1(AAAABABAixxyyxxyy(1-4)将上表数据代入得:序号123453.68153.15692.72542.35012.1263序号6789101.91551.72281.54081.41961.3207则04.3
16、.10103212.2 绘制 t-x-y 图及 x-y 图表 3 乙醇水系统 txy 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99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.22编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第6页 共32页第 6 页 共 32 页99.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.
17、0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41根据上面表中的数据绘制乙醇-水的 t-x-y 相图,如下:图 2 乙醇-水相图有图可知:tF84,tD79,tw100精馏段平均温度:m
18、mt t=(tF+tD)/2=(84+79)/2=81.5提馏段平均温度:m mt t=(tF+tw)/2=(84+100)/2=922.3 全塔物料衡算查阅相关文献,整理有关物性参数表 4 乙醇-水物性参数项目数值天处理原料能力F=30t/天质量分数F=0.32D=0.9241W=0.003分子量M 乙醇=46.07kg/kmolM 水=18.01kg/kmol编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第7页 共32页第 7 页 共 32 页2.3.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F:进料量(kmol/h)Fx:原料组成(摩
19、尔分数。下同)D:塔顶产品流量(kmol/h)Dx:塔顶组成W:塔底残液流量(kmol/h)Wx:塔底组成根据公式:BBAAAAAMwMwMwn(1-5)原料液乙醇的摩尔组成Fx=01.18/68.007.46/32.007.46/32.00.1553塔顶产品乙醇的摩尔组成Dx=0.9241/46.070.9241/46.070.0759/18.01 0.8264塔底残夜乙醇的摩尔组成Wx=0.003/46.070.003/46.070.997/18.010.0011752.3.2 平均摩尔质量根据公式可得:baaaMxMxM)1(_(1-6)原料液的平均摩尔质量:kmolkgMF/37.22
20、01.181553.0107.461553.0馏出液的平均摩尔质量:0.8264 46.07(1 0.8264)18.0141.199/DMkg kmol塔釜残液的平均摩尔量:0.001175 46.07(1 0.001175)18.0118.043/WMkg kmol2.3.3 全塔物料衡算:进料量:F=30 吨/天=hkmol/878.552401.1868.03000007.4632.030000全塔物料衡算式:F=D+W解之得:D=10.436 kmol/h,W=45.442kmol/h表 5 物料衡算表项 目数 值编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟
21、书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第8页 共32页第 8 页 共 32 页进料流量 F,kmol/h55.878塔顶产品流量 D,kmol/h10.436塔釜残液流量 W,kmol/h45.442进料组成,xF(摩尔分数)0.1553塔顶产品组成,xD(摩尔分数)0.8264塔釜残液组成,xW(摩尔分数)0.0011752.4 最小回流比的计算和适宜回流比的确定2.4.1 最小回流比平衡线方程xxxxxxy04.2104.3)104.3(104.3)1(11553.0Fx0.8264Dx 0.001175Wx因为1q所以1553.0Fqxx相平衡方程:359.011xxyq泡点进料:qyy
22、最小回流比:295.21553.0359.0359.08264.0minqqqDxyyxR2.4.2 确定最适操作回流比 R因为min0.21.1RR 所以取443.3295.25.15.1minRR2.5 热量衡算已求得:Dt78Wt100Ft801t=81.52t=92Dt温度下:1pC=139.36 kJ/(kmolK)2pC=75.59 kJ/(kmolK)DpDppDxCxCC121=139.360.8264+75.59(1-0.8264)=126.63 kJ/(kmolK)Wt温度下:1pC=152.22kJ/(kmolK)2pC=76.04 kJ/(kmolK)WpWppWxCx
23、CC121=152.220.001175+76.04(1-0.001175)=76.13 kJ/(kmolK)Dt温度下:1=84.15kJ/kg;2=2315.7kJ/kg;编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第9页 共32页第 9 页 共 32 页DDxx121=84.150.8264+(1-0.8264)2315.7=417.55 kJ/kg(1)0时塔顶气体上升的焓VQ塔顶以 0为基准,DDpDVMVtCVQ=46.367126.6378+46.367417.5541.20=1255627.63 kJ/h(2)回流液
24、的焓RQDt78温度下1pC=139.36 kJ/(kmolK)2pC=75.59 kJ/(kmolK)DpDppDxCxCC121=139.360.8264+75.59(1-0.8264)=128.29 kJ/(kmolK)DpRtCLQ=91.809137.6778=985868.91 kJ/h(3)塔顶馏出液的焓DQ因馏出口与回流口组成一样,所以DpDtCDQ=10.436137.6778=112064.48 kJ/h(4)冷凝器消耗的焓CQDRVCQQQQ=1255627.63-985868.91-112064.48=157694.24 kJ/h(5)进料口的焓FQFt温度下:1pC=
25、152.22kJ/(kmolK);2pC=76.04kJ/(kmolK);FpFppxCxCC121=152.220.1553+76.04(1-0.1553)=87.87所以FpFtCFQ=55.87887.8780=392799.99kJ/(kmolK)(6)塔底残液的焓WQWpWtCWQ=45.44287.87100=399298.85kJ/(kmolK)(7)再沸器BQ塔釜热损失为 10%,则=0.9设再沸器损失能量BQQ1.0损,DWCFBQQQQQQ损加热器的实际热负荷FDWCBQQQQQ9.0=157694.24+399298.85+112064.48-392799.99=2762
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