填料塔乙醇連續(xù)精餾塔-化工原理課程設(shè)計(jì)說明書

1、中原工學(xué)院能環(huán)學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)名稱：4000 噸填料塔乙醇連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)班 級：姓名：XXX學(xué) 號：指導(dǎo)老師：2006 年 1 月 12 日設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目4500噸酒精連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、設(shè)計(jì)任務(wù)：生產(chǎn)能力(塔頂產(chǎn)品)4500噸/年操作周期300天/年進(jìn)料組成 40% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)塔頂產(chǎn)品組成94%塔底產(chǎn)品組成 W 1%2、操作條件操作壓力常壓(塔頂)進(jìn)料熱狀態(tài)泡點(diǎn)單板壓降：0. 7 kPa3、 設(shè)備型式篩板4、 廠 址鄭州地區(qū)三、設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 精餾塔的物料衡算；(2) 塔板數(shù)的確定：(3) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物件數(shù)據(jù)的計(jì)算；(4)

2、精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；(5) 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；(6) 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算：(7) 塔板負(fù)荷性能圖；(8) 精餾塔接管尺寸計(jì)算；(9) 繪制生產(chǎn)工藝流程圖；(10) 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖；(11) 對設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論。三、參考資料1. 陳英南，劉玉蘭.常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì).上海：華東理工大學(xué)出版社，20052. 黃璐，王保國.化工設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20013. 賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設(shè)計(jì)(化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)).天津：天津大學(xué)出版社，20024. 陳敏恒，叢德茲等.化工原理(上、下冊)(第二版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20005. 柴誠敬，劉國維

3、，李阿娜.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，19956. 石油化學(xué)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.塔的工藝計(jì)算.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，19977. 化工設(shè)備技術(shù)全書編輯委員會.化工設(shè)備全書一塔設(shè)備設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19888. 時(shí)鈞，汪家鼎等.化學(xué)工程手冊，.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19869. 上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(上、下).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，198610. 大連理工大學(xué)化工原理教研室.化工原理課程設(shè)計(jì).大連：大連理工大學(xué)出版社，1994目錄概述：一精餾過程簡述.1二精餾意義1第一部分：工藝設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)任務(wù)1二全塔物料衡算2(1) 確定關(guān)鍵組分 2(2) 換算成摩爾百

4、分比3(3) 平均摩爾質(zhì)量3(4) 全塔物料衡算3三確定Nt 4(1) 相平衡曲線.4(2) 確定 Nt 4四計(jì)算板效率Et 4五摩爾流率的計(jì)算.5六熱量衡算 .5七填料的選擇.7八塔徑的確定.7九調(diào)料層高度的確定 .12第二部分一填料塔附件.12二塔道 .12三換熱氣.15四貯罐 .18五泵 .18第三部分一總體校核 19二數(shù)據(jù)總匯20三評價(jià)與說明21三主要參考文獻(xiàn)21年產(chǎn) 4000 噸填料塔乙醇連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)內(nèi)容：乙醇精餾流程及意義：1 流程簡述：本流程為連續(xù)精餾，采用泡點(diǎn)進(jìn)料，原料在預(yù)熱器中預(yù)熱至泡點(diǎn)后送入 精餾塔，在進(jìn)料位置與塔上部回流液匯合后，流入塔底的再沸器，回流液 體在填料表面與

5、上升氣體相接觸，進(jìn)行熱質(zhì)傳遞過程。塔頂上升蒸氣采用 全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余作為產(chǎn)品流出。塔 釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。2 精餾意義：乙醇作為常用溶劑廣泛的應(yīng)用于化工、藥用行業(yè)，為了降低原料消耗和 產(chǎn)品成本，通常設(shè)置乙醇回收裝置，將使用過的或未反應(yīng)的乙醇予以提濃 回收，根據(jù)醫(yī)藥產(chǎn)品特點(diǎn)和工廠實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)乙醇連續(xù)精餾裝置。第一部分 工藝設(shè)計(jì)一 設(shè)計(jì)任務(wù)：年產(chǎn)量 D=4000T/y ；原料液濃度為 35%；產(chǎn)品濃度為 94%；塔釜液中乙醇含量 1%;（ 以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù) ）操作壓力：常壓；二 全塔物料衡算1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率：D=400

6、0 T/y ；WD=94%;WF=35%;W W0.0.8597+18 （1-0.8597）=42.0744;Mw=460.0039+18 （1-0.0.0039）=18.1092;4 全塔物料衡算每年以 300 個(gè)工作日計(jì)算 ;Dm = 4000 X000/(3600 24X300)=0.1543 kg/s；D =Dm XWd/46+Dm X(1-Wd)/18=0.1543 0.94/46+ 0.1543 (1X 0.94)/18=13.2024 kmol/h;總物料衡算 F=D+W;乙醇組分物料衡算FXf=DX d+Ww;聯(lián)系上面的數(shù)據(jù)，并代入以上數(shù)據(jù)，得W=53.2415kmol/h;F

7、=66.4439kmol/h;三 根據(jù)乙醇-水的汽液平衡數(shù)據(jù)做出丫-X曲線并確定理論板數(shù)Nt。1由乙醇-水的汽液平衡數(shù)據(jù)做丫-X曲線；(見咐圖)利用課本第71頁數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)作圖得x y曲線(注意：此圖用大一些座標(biāo)紙繪制，并列在說明書的附圖中)2確定Rmin及生產(chǎn)用R的選擇在相平衡曲線上，過點(diǎn)a (Xd,Xd)作相平衡曲線的切線，得挾點(diǎn)B，在坐標(biāo)紙上查得此切線的 丫軸截距XD/(Rmin+1)=0.2665,解之得Rmin=2.2236.由于 R=(1.2 s2)Rmin 若取 R=1.5 XRmin =3.3394經(jīng)圓整,取 R=4.3確定理論塔板Nt過a點(diǎn)作截距Y=Xd/(R+1)的直線，取泡點(diǎn)

8、進(jìn)料，則q=1所以q線為過點(diǎn) (Xf,0)且垂直于X軸的一條直線，求得此二直線的交點(diǎn)E.連結(jié)AC.其中C點(diǎn) 坐標(biāo)為(Xw ,Xw)則為精餾操作線.在此坐標(biāo)紙上,在操作線和相平衡線畫理論 板數(shù)，作圖結(jié)果理論板數(shù)N=18塊，其中精餾段理論板16塊，第17塊板為加 料板,提餾段理論板1塊.四全塔效率Et由丫 -X -T圖查表：塔頂：Ya= Xd=0.8598, Xa =0.8493, Td =78.23 C;進(jìn)料：Yf= 0.5131, Xf =0.1740, Tf=83.9 C;塔釜：Yw= 0.0349, Xw =0.0039, Tw =100 C；Tm = (Tw +Td) /2= (100+

9、78.23) /2=89.1。在此溫度下查得水和乙醇黏度：卩 水=0.3112,卩醇=0.25;卩 l=卩醇 $F+ 卩水 $ f=0.3112 區(qū).25=0.3006 mpa/s.塔頂組成的相對揮發(fā)度為a 頂=Ya /Yb/(Xa /Xb) =0.8598/( 1-0.8598)/:0.8493/( 1-0.8493): =1.0882;加料組成的相對揮發(fā)度為a 中=Ya /Yb /(Xa/Xb) =0.5131/( 1-0.5131)/0.1740/( 1-0.1740)=5.0026; 塔底組成的相對揮發(fā)度為a 底=Ya/ Yb/(Xa /Xb/ =0.0349/( 1-0.0349)

10、/0.0039/( 1-0.0039) / =9.2362; 平均相對揮發(fā)度為a = (a頂 a 中 a底)1/3= /1.088 送5.0026 區(qū)2362) 1/3=3.691;Et=0.49 ( a D=5X13.2024=66.012kmol/h;提餾段液相摩爾流率為D=L+qF=52.8096+1 13.2024=119.2535kmol/h;提餾段氣相摩爾流率為V=V-(1- q) F=66.012kmol/h;七、填料的選擇：由于鮑爾環(huán)具有生產(chǎn)能力大，阻力低，效率高，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)， 故選擇鮑爾環(huán)作為填料。選取2525mm瓷質(zhì)亂堆的鮑而環(huán)，其比表面積a=220m2/m3,空隙率

11、g=0.76 m3/m3。堆積密度 p=505kg/ m3。填料因子 =300 m1。八. 塔徑的確定：液體密度： (1)乙醇( X 24.2，Y 48.6)D 塔頂：p =736kg/ m3;F 塔進(jìn)料：p=731kg/ m3;W 塔底； p1=716kg/ m3；(2) 水D 塔頂： p2=736kg/ m3；F 塔進(jìn)料： p2=731kg/ m3；W 塔底； p2=716kg/ m3；精餾段：(1)液相密度計(jì)算：由1/ l=Xi/ p +X2/ p得：乙醇：均=( 1+ 2) /2 =(736+731) /2 = 733.5kg/m3；X 均=(X1+X2) /2 = (0.35+0.9

12、4) /2 =0.645;水：P均=(P1+P2)/2 = (972.38+969.265) /2 =970.8225kg/ m3;X 均=(X1+X2)/2 =( 0.65+0.06)/2 =0.355;1/ L=0.645/733.5+0.355/970.8225= 丄=803.2kg/ m3; (2)氣相：平均摩爾質(zhì)量為 M 均=( 22.872+42.0744) /2=32.4732;T 均=(78.2+83.9) /2=81.1;PV=NRT=(m/M)RT 得p V=PM/RT=101.325X 32.4732/80.314 x(273.15+81.1)=1.1173 kg/ m3

13、;(3 )液相質(zhì)量流量 Wl=LX x 46+ LX ( 1- x ) X46=4X13.2024 X645 X6+ 4 X3.2024 X1-0.645) X18=1904.314 kg/ h;其中： x =(0.94+0.35)/2=0.645Wv=VXYX46+ V X (1-Y) X46= 5 13.2024 0.8483 46+5 X13.2024 ( 1-0.8483) X18=2756.16 kg/ h;其中： Y=(0.8598+0.5131)/2=0.8483;(4) ( Wl/ Wv)( p/ L).5=( 1904.34/ 2756.16( 1.1173/803.2 .5

14、=0.259(5) 由填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖查得(教材第142頁)u2 巾 vpu l0.2/ (gXp) =0.075其中卩 l=0.3006 mpa/s 書=水/ p享=(972.38+969.265)/(736+731)=1.3235;=300 pv/ l=1.1173/803.2;解之得泛點(diǎn)氣速為u f=2.254 m/s;一般空塔氣速為泛點(diǎn)氣速得/ 0.50.8)倍，這里取70%，則設(shè)計(jì)氣速為 u =u f0.7=2.254 0.7=0.911 m/s;氣體 的體積流量Vs=Wv/(3600 )=2756.16/(3600 1.1173)=0.685 m3/s;D=4 Vs/(

15、 n Xu )0.5=4 0.685/(3.14 0.11).5=0.979 m;/ 6)精餾段壓降：在設(shè)計(jì)氣速下u2巾vpu l0.2/ / gx l)=0.91123001.11731.32350.30060.2(/ 9.81 803.2)=0.036；以0.036為縱坐標(biāo)，以0.259為橫坐標(biāo)，的點(diǎn)落在填料p=420Pa; ( 7)實(shí)際板數(shù)的確定：由精餾塔全塔效率關(guān)聯(lián)圖可知：a 憶=3.691 .3306=1.110可以查出 ET=48%；所以實(shí)際板數(shù)N=14/48%=29.2=30塊板。提餾段：/1)液相：由1/ l=X1/ p +X2/ p得：乙醇：均=( 1+ 2) /2 =(73

16、1+716) /2 = 723.5kg/ m3；X 均=/X1+X2) /2 = / 0.35+0.01) /2 =0.18;水： 均=( 1+ 2) /2 =(969.265+959.021) /2 = 964.143kg/m3；X 均=( X1+X2) /2 =(0.65+0.99) /2 =0.82;1/ l=0.18/723.5+0.82/964.143= 化=909.681kg/m3;(2) 氣相:M 均=(18.1092+22.872 /2=20.4906;T 均=(83.9+100) /2=92;由 PV=nRT=(m/M)RT 得 p/=PM/RT=101.325 20.490

17、6/8.314 X(273.15+92)=0.6848 kg/ m3;(3) Wl=LX 46+ L X( 1-x) 46= 119.2535 018 6+ 119.2535 X(1-0.18) 8=1904.314 kg/ h;其中：X =(0.01+0.35)/2=0.18Wv=/xYX46+ |V 1-Y) X6= 5 X3.2024 X.6515 X6+5 X13.2024 ( 1-0.6515) X18=2392.4 kg/ h;其中：Y=(0.7899+0.5131)/2=0.6515(4) (Wl/ Wv)( p/ p)0.5=(2747.6/ 239240.6848/909.6

18、8)0.5=0.315(5) 由填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖查得u2 巾 vpu l0.2/ (gX p) =0.064其中 u l=0.3006 mpa/s；書=p水/ p 醇=964.143/723.5=1.3326;=300 p/ v=0.6848/909.681;解之得 u F=2.254m/s;一般空塔氣速為泛點(diǎn)氣速得)0.50.8)倍，這里取70%，則設(shè)計(jì)氣速為 u = u f 0.7=1.482 0.7=1.14 m/s;氣體的體積流量 Vs= Wv/(3600 Xp =V)2392.4/(3600 0X848)=0.970 m/s;D=4 X/s/(n Xu )0.5=4 X.

19、970/(3.14 1.14)0.5=1.041m;(6) 精餾段壓降：在設(shè)計(jì)氣速下u2巾vpu l0.2/ ( gXp)=1.142X300X1.3326 X.6848 X30060.2/ (9.81 X09.681) =0.0 31;以 0.031 為縱坐標(biāo)，以 0.315 為橫坐標(biāo)，的點(diǎn)落在填料p=380Pa;總結(jié)：取較大塔徑作為填料的內(nèi)徑D=1.041 m，圓整后為D=1.2 m；九 填料塔填料層高度的確定：填料層高度計(jì)算采用理論板當(dāng)量高度法填料層高度為H=NtXHETP ;HETP 等板高度（即分離效果相當(dāng)于一塊理論板的填料層高度）； 采用工業(yè)設(shè)備等板高度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 25mm 鮑爾環(huán)

20、的等板高度一般為 0.40.45,這里取0.4;H= NtX0.4 =15 0.4=7 m；第二部分 輔助設(shè)計(jì)一 填料塔的附屬元件設(shè)計(jì)：1 填料支承裝置：填料塔在塔內(nèi)無論是亂堆或整砌均需要放在支承裝置上,支承裝置 要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,才能承裝置的自由截面積應(yīng)大于填料層的截 面積,否則流速增大時(shí),將首先在支承處出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。本系列采 用駝峰式支承裝置。駝峰式支承裝置為單體組合式結(jié)構(gòu),它是目前最好的散裝填料支承裝置，沒個(gè)單元體的尺寸為：寬：290mm；高：300mm；能從人孔送入塔中。單元體在塔中放置由凸臺為邊距,間隙10 mm,以使液體自由流下。2 液體再分布器：液體在填料內(nèi)的均勻分布非常重要，

21、它直接影響填料表面的有效利 用率，如果特體分布不均，填料表面不能充分潤濕，塔的效率就會 下降，為此，必須在塔頂設(shè)置液體分布器，向填料層上面提供良好 的液體出事分布，以保證有足夠的分布均勻的噴淋點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)選用分體盤式液體再分布器。氣相通過升氣管進(jìn)入上段填料段，從上層填料下來的液體則完全被 收集，進(jìn)而從盤底小孔分布到下層填料中，升氣管一般高 200 mm， 升氣管上沿與擋夜板間距 50 mm 左右，升氣管直徑為 100 150， 每排升氣管間應(yīng)設(shè)置液孔，分體盤式液體災(zāi)分布器，適用于不易堵 塞的物料。3 噴頭：選用蓮蓬式噴頭二 管道設(shè)計(jì)：1 進(jìn)料管：因?yàn)檫M(jìn)料的性質(zhì)與水相近，屬低黏度液體，一般流速u

22、取1.53.0m/s,這里取 u =2 m/s,83.9 C 1/ p=0.35/736+0.65/972.38故 pl=871.84 kg/ m3F=66.4439kmol/h；M F=22.9kg/mol;Vf=FWf/(3600 X)=66.4439 22.9/(3600 871.84)=4.84 10-4m3/S;d=4 A/f/( n xu )0.5=4 484 X0_4/(3.14 20.5=17.6 mm=18 mm； 故選取管徑22X.5mm；校核：d=4X/F/( n Xd2)= 4 X84 X0-4/(3.14 0O192)= 1.708 m/s;2 塔頂蒸汽出口管徑：常壓

23、氣體流速u取 1020 m/s;此處取15 m/s;V=66.012kmol/h;p/=1.1173kg/m3d=4 XVF/( nu )0.5=4 X66.012 42.08/(3.14 15X3600 1.1173)0.5=0.242 m=250 mm； 故選取管徑 271.6 X 10.8mm校核：d=4 XVs(n Xd2)=4 X42.08 66.012/(3.14 1.1175 3600 心門二 14.08m/s;3回流液：在 78.21 C F: p=746.9kg/m3;一 般 液 體 流 速 u 取 1.5 3.0 m/s ， 這 里 取 u =2 m/s ，Vl=L XMd

24、/(3600 XLP66.012 42.08/(3600 746.9)=10.33 10-4m3/S;d=4 X/L/(n Xu )0.5=4 X10.33 104/(3.14 綱.5=0.0256 mm=26 mm； 故選取管徑28 X 1 mm校核：d=4Wf/( n Xd2)= 4 區(qū)6 X04/(3.14 0O262)= 1.956m/s;4再沸器氣體接管：在在 100CF: p/=0.6848kg/m3;一 般 流 速 u 取 40 60 m/s ， 這 里 取 u =50 m/s ，Vs=L XM d/(3600 X)=53.2627 18.112/(3600 0.6848)=0.

25、391 m/s;d=4 XVL/(n Xu )0.5=4 .391/(3.14 5創(chuàng).5=0.0998 mm=100mm；故選取管徑10! X2 mm；校核：d=4Wf/( n Xd2)= 4 區(qū)391/(3.14 O.X)= 49.81m/s;三. 貯罐選擇：原料液：(1)原料液每天儲藏量：F=66.4439Kmol/hm=FXMX24= 66.4439 22.872 Z4=36472.9kg/day;1/ p=0.35/731+0.65/9969.265故 pl = 870.0kg/ m3;V=m/p l=36472.9/870.0=41.6 m3/day;產(chǎn)品每天儲量：D=13.2024Kmol/h ； 1/ l=0.94/736+0.06/972.38= pl = 746.9kg/m3V=FX MX 24/Lp =13.2024 42.08 X4/746.9=17.85 m3/day;四. 泵的選型：選擇：因?yàn)?V=1X104m3/s=1.4m3/h;所以選擇 IS50-32-125 型:流量 V=3.75m3/h;揚(yáng)程 H=5.4 m； n =43% 軸功率0.13 ;電機(jī)功率0.55;必須氣蝕余量2.0;質(zhì)量(泵/底座)32/38;第三部分 一總體校核：1填料塔的操作范圍的校核：2板壓降的校核：(壓將計(jì)算課本第142頁例題)(1)