化工原理課程設計-乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔的設計

1、 題 目：乙醇水溶液連續(xù)精餾塔的設計 目錄摘要4 HYPERLINK l _Toc2542 第一章 設計概述5 1.1 塔設備在化工生產(chǎn)中的作用與地位.5 1.2 塔設備的分類.5 1.3 板式塔.5 泡罩塔.5 篩板塔.5 浮閥塔.5 HYPERLINK l _Toc25883 第二章 設計任務7 HYPERLINK l _Toc25704 2.1 設計條件及操作流程7 HYPERLINK l _Toc10417 2.1.1 物性參數(shù)7 HYPERLINK l _Toc30519 2.1.2 塔型選擇7 HYPERLINK l _Toc21427 2.1.3 操作條件7 HYPERLINK

2、l _Toc22407 2.1.4 工藝流程簡圖7 HYPERLINK l _Toc14750 第三章 塔的工藝計算9 HYPERLINK l _Toc12160 確定主要物性參數(shù)9 HYPERLINK l _Toc21237 3.2 全塔物料衡算 10 HYPERLINK l _Toc2367 3.3 塔板數(shù)確實定10 HYPERLINK l _Toc8421 3.3.1 理論塔板數(shù)的計算11 最小回流比Rmin和操作回流R.12 全塔效率的計算.12 實際塔板數(shù)確實定.12第四章 HYPERLINK l _Toc17621 塔板主要工藝尺寸的計算.13 HYPERLINK l _Toc23

3、11 4.1 精餾段與提鎦段的汽液體積流量.13 精餾段的汽液體積流量.13 提鎦段的汽液體積流量.13 HYPERLINK l _Toc6746 4.2 塔徑的計算.14 HYPERLINK l _Toc17116 4.3 塔高的計算.16 HYPERLINK l _Toc4444 4.4 塔板結構尺寸確實定.17塔板的流體力學驗算 HYPERLINK l _Toc30073 18 HYPERLINK l _Toc9016 氣體通過塔板的壓力降18 干板阻力.18 板上充氣液層阻力.18 由外表張力引起的阻力.19 HYPERLINK l _Toc28901 5.2 液面落差.19 HYPE

4、RLINK l _Toc5008 5.3 漏液19 HYPERLINK l _Toc5924 5.4 液泛20 5.5 液沫夾帶霧沫夾帶.21 HYPERLINK l _Toc25848 塔板操作性能負荷圖.22 HYPERLINK l _Toc9994 6.1 精餾段塔板負荷性圖.22 6.1.1 漏液線.22 6.1.2 液沫夾帶線.22 6.1.3 液相負荷下限線.22 6.1.4 液相負荷上限線.22 6.1.5 液泛線.23 HYPERLINK l _Toc19919 6.2 提鎦段塔板負荷性圖.24 6.2.1 漏液線.24 6.2.2 液沫夾帶線.24 6.2.3 液相負荷下限線

5、.24 6.2.4 液相負荷上限線.24 6.2.5 液泛線.25第七章 輔助設備的選型及計算.26 7.1 冷凝器.26 7.2 預熱器.27 HYPERLINK l _Toc16290 第八章 課程設計與心得28 HYPERLINK l _Toc28078 附錄：參考文獻29 【摘要】設計一座篩板塔，通過對原料、產(chǎn)品的要求和物性參數(shù)確實定及對主要尺寸的計算，工藝設計和附屬設備結果選型設計，完成對乙醇-水精餾工藝流程和主題設備設計。 首先根據(jù)設計任務，確定操作條件，比方：操作壓力、進料狀態(tài)等確實定，然后設計工藝流程草圖。 根據(jù)設計方案，確定具體的參數(shù)，完成初步設計。最后通過計算塔的工藝尺寸、

6、塔板的負荷性能等參數(shù)，選擇適宜的輔助設備?！娟P鍵詞】篩板塔 sieve tray tower，精餾塔 rectification column ，精餾塔的附屬設備 accessory equipment of the rectification column。 前言 乙醇在工業(yè)、醫(yī)藥、民用等方面，都有很廣泛的應用，是很重要的一種原料。在很多方面，要求乙醇有不同的純度，有時要求純度很高，甚至是無水乙醇，這是很有困難的，因為乙醇極具揮發(fā)性，也極具溶解性，所以，想要得到高純度的乙醇很困難。 要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾的方法，因為乙醇和水的揮發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)別離過程，即

7、同時進行屢次局部汽化和局部冷凝的過程，因此可使混合液得到幾乎完全的別離。化工廠中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內(nèi)進行的，塔內(nèi)裝有假設干層塔板或充填一定高度的填料。為實現(xiàn)精餾別離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引入下降液。可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，還必須有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時還要配原料液預熱器、回流液泵等附屬設備，才能實現(xiàn)整個操作。設計概述1.1 塔設備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設備之一，它可使氣液或液液兩相間進行緊密接觸，到達相際傳質(zhì)及傳熱的目的?？稍谒O備中完成常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)

8、氣體的冷卻與回收、氣體的濕法精制及枯燥以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。在化工、石油化工、煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境保護等各個方面都有重大影響，塔設備的設計和研究受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。1.2 塔設備的分類 塔設備經(jīng)過長期的開展，形成了形式繁多的結構，以滿足各方面的特殊需要，為研究和比擬的方便，人們從不同的角度對塔設備進行分類，按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反響塔和枯燥塔；按形成相際界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動過程中形成相界面的塔。長期以來，人們最常用的分類按塔的內(nèi)件結構分為板式塔、填料塔兩大

9、類。板式塔是分級接觸型氣液傳質(zhì)設備，種類繁多，根據(jù)目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，主要的塔型是浮閥塔、篩板塔和泡罩塔。 泡罩塔泡罩塔是歷史悠久的板式塔，長期以來，在蒸餾、吸收等單元操作使用的設備中曾占有主要的地位，泡罩塔具有以下優(yōu)點：操作彈性大無泄漏液氣比范圍大不易堵塞，能適應多種介質(zhì)泡罩塔的缺乏之處在于結構復雜，造價高，安裝維修方便以及氣相壓力降較大。篩板塔篩板塔是很早就出現(xiàn)的板式塔，20世紀50年代起對篩板塔進行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，形成了較完善的設計方法，與泡罩塔相比，具有以下優(yōu)點：生產(chǎn)能力大提高2040塔板效率高提高1015壓力降低降低3050，而且結構簡單，塔板造價減少40左右，安裝維修都比擬容易

10、 浮閥塔 20世紀50年代起，浮閥塔板已大量的用于工業(yè)生產(chǎn)，以完成加壓、常壓、減壓下的蒸餾、脫吸等傳質(zhì)過程。浮閥塔之所以廣泛的應用，是由于它具有以下優(yōu)點：處理能力大操作彈性大塔板效率高壓力降小其缺點是閥孔易磨損，閥片易脫落浮閥的形式有很多，目前常用的浮閥形式有F1和V-4型，F(xiàn)1型浮閥塔的結構簡單，制造方便，節(jié)省材料，性能良好。F1型浮閥塔又分為輕閥和重閥兩種。V-4型浮閥塔特點是閥孔沖成向下彎曲的文丘里型，以減少氣體通過塔板的壓力降，閥片除腿部相應加長外，其余結構尺寸與F1型輕閥無異，V-4型閥適用于減壓系統(tǒng)。設計任務2.1 設計條件及操作流程 物性參數(shù) 在常壓連續(xù)篩板精餾塔中精餾乙醇水溶液

11、，要求料液濃度為30%，產(chǎn)品濃度為92.5%，殘液乙醇不大于0.1%。年生產(chǎn)能力15000噸/年 HYPERLINK l _Toc30519 2.1.2 塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務，假設按年工作日300天，每天開啟設備24小時計算，產(chǎn)品流量為2083.333kg/h，由于產(chǎn)品黏度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用篩板塔。 HYPERLINK l _Toc21427 2.1.3 操作條件 操作條件： 低壓蒸汽加熱 塔頂壓強：4kPa表壓 進料熱狀況：泡點進料 (飽和液體進料) = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 回流比：R=2 HYPE

12、RLINK l _Toc22407 2.1.4 工藝流程簡圖 乙醇-水溶液經(jīng)預熱至泡點后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，局部回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽，塔釜采用間接蒸氣再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設備，熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)屢次局部氣化與局部冷凝進行精餾別離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。乙醇-水混合液原料經(jīng)預熱器加熱到泡點溫度后送入精餾塔進料板，在進料板上與自塔上部下降的回流液體集合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進行傳熱和傳質(zhì)過程

13、。流程示意圖如下：塔的工藝計算 主要物性參數(shù)1水和乙醇的物理性質(zhì)名稱分子式相對分子質(zhì)量密度20沸 點比熱容(20)Kg/(kg.)黏度(20)導熱系數(shù)(20)/(m.)外表張力(20)N/m水998100乙醇789表31：水和乙醇的物理性質(zhì)2常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù)，見表32表32 乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點t/乙醇摩爾數(shù)/%沸點t/乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相氣相液相82乙醇相對分子質(zhì)量：46g/mol；水相對分子質(zhì)量：18g/mol進料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)進料液及塔頂?shù)馁|(zhì)量分數(shù)分別為 WF=30 WD=92.5 M乙醇=46g/mol M水=18g/mol XF=XD=XW =平均摩爾

14、質(zhì)量M=0.144*46+1-0.144*18=22.032 kg/kmolM= 0.828*46+ (1-0.828Mw3.2 全塔物料衡算總物料衡算 F=D+W 1易揮發(fā)組分物料衡算 FXF = DXD + WXW 2全凝器物料衡算 V=(R+1)D (3 XF=0.144 XD=0.828 kmol/hkmol/h3.3 塔板數(shù)確實定根據(jù)乙醇-水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： tD (塔頂?shù)谝粔K板) tf (加料板) tW (塔釜)由相平衡方程式可得因此可以求得：全塔的平均相對揮發(fā)度：精餾段： 提餾段： 理論塔板數(shù)NT的求取根據(jù)氣液平衡數(shù)據(jù)以及回流比R=2有： 圖2：乙醇-水氣液平衡圖由圖可

15、知總理論板數(shù)為15包括塔釜，第13塊板為進料板，精餾段理論板數(shù)為12，提留段理論板數(shù)為3包括塔釜 最小回流比Rmin和操作回流比R 當操作線與q線的交點尚未落到平衡線上之前,精餾段操作線已經(jīng)與平衡線相切,對應的回流比為最小的回流比. 最小回流比的求法是由axd,xd 向平衡線作切線，再由截距可求出Rmin 用算數(shù)法可以求得 b=0.35 b=0.35 Rmin =1.37 由工藝條件決定 R=1.12 Rmin 故取操作回流比 R=2 合理 全塔效率的計算根據(jù)乙醇-水體系相平衡數(shù)據(jù)可以查得：塔頂：xD塔釜：xW全塔的平均溫度：精餾段：提餾段： 實際塔板數(shù)實際塔板數(shù) NP = NT / ET N

16、P =15/50.13%=29.9塊，取30塊。精餾段：，取整24塊。提餾段：，取整6塊。故進料板為第25塊，考慮到平安因素，取實際總板數(shù)為31塊。其中關于兩段的效率計算參考教科書P296圖6-62及3P101效率求解公式全塔效率約50.13%。 塔板主要工藝尺寸的計算4.1 精餾段與提鎦段的汽液體積流量 精餾段的汽液體積流量精餾段塔頂壓強 假設取單板壓降為0.7kPa, 那么進料板壓強 精餾段的平均操作壓 根據(jù)操作壓由下式，查表可得，塔頂tD，進料板tF 液 相平均溫度：tm=( tF+tD 進料板 xF=0.144,yF=0.485 塔頂y1=xD=0.828，x1=0.7424；根據(jù)公式

17、 MF=MA*xF+(1-xF)MBMLf，Mvf ；MLD，MVD精餾段平均分子量：MV; ML液相平均密度為：其中，平均質(zhì)量分數(shù)xLm所以，Lm氣相平均密度 提餾段的汽液體積流量 提餾段采取精餾段相同的計算方法；進料板xf=0.138；yf=0.485； 塔釜 xw=0.01；yw塔釜：MLf ；Mvf ；進料板MLf，Mvf提餾段平均分子量MV ； ML HYPERLINK l _Toc6746 4.2 塔徑的計算由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們?nèi)啥蔚乃较嗟?。有以上的計算結果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：Ls=汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液

18、相平均密度： 塔徑可以由下面的公式給出： 由于適宜的空塔氣速，因此，需先計算出最大允許氣速。取塔板間距，板上液層高度，那么別離空間：功能參數(shù)：從史密斯關聯(lián)圖查得：C20=0.074，由于， 設：1乙醇 2水 平均外表張力： 塔頂: 進料板： 塔底： 精餾段液相平均外表張力 提餾段液相平均外表張力 全塔液相平均外表張力 () =根據(jù)塔徑圓整為D=1m此時，精餾段的上升蒸汽速度為：Uj=提餾段的上升蒸汽速度為：Ui=平安系數(shù)：= =和均在0.6-0.8之間，符合要求。參照2P92、3P83/P103 HYPERLINK l _Toc17116 -塔頂空間不包括封頭局部 -板間距 N-實際板數(shù) S-

19、孔數(shù) -進料板出板間距 -塔底空間不包括底蓋局部實際塔板數(shù)為N=31塊，板間距由于料液較清潔，無需經(jīng)常清洗，可取每隔8塊板設一個孔，那么孔的數(shù)目為： 個取兩板之間的間距，那么塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度，那么，全塔高度： 參照3 P93 HYPERLINK l _Toc4444 4.4 塔板結構尺寸確實定由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分塊式塔板。取無效邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度，查得 堰長弓形溢流管寬度弓形降液管面積降液管面積與塔截面積之比 堰長與塔徑之比降液管的體積與液相流量之比，即液體在降液管中停留時間一般應大于5s液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間 符合要求液體在精餾段降液管內(nèi)的

20、停留時間 符合要求第五章 塔板的流體力學驗算 HYPERLINK l _Toc30073 HYPERLINK l _Toc9016 氣體通過塔板的壓力降氣體通過塔板的壓力降(單板壓降)氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱氣體通過篩板的干板壓降，m液柱氣體通過板上液層的阻力，m液柱克服液體外表張力的阻力，m液柱 干板阻力干板壓降 =篩孔氣速，m/s孔流系數(shù)分別為氣液相密度，Kg/m3根據(jù)d2/=5/3=1.67 查干篩孔的流量系數(shù)圖C0 精餾段 液柱提餾段 液柱 板上充氣液層阻力板上液層阻力： 板上清液層高度，m反映板上液層充氣程度的因數(shù)，可稱為充氣因數(shù)降液管橫截面積3, 塔橫截面積=精餾

21、段 動能因子 查充氣系數(shù)與Fa的關聯(lián)圖可得 那么 hl=hL提餾段 動能因子 Fa=查充氣系數(shù)與Fa的關聯(lián)圖可得 那么 hl 由外表張力引起的阻力液體外表張力的阻力 精餾段 提餾段 綜上，故 精餾段 hp 壓降 提餾段 HYPERLINK l _Toc28901 5.2 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本設計的塔徑和流量均不大，故可忽略液面落差的影響 HYPERLINK l _Toc5008 5.3 漏液漏液驗算 K=u0 篩孔氣速 uow漏液點氣速精餾段實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為 提餾段穩(wěn)定系數(shù)為故在本設計中無明顯漏液。 HYPERLINK l _Toc5924 5.4 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，

22、降液管內(nèi)液層高Hd應服從的關系 乙醇-水組分為不易發(fā)泡體系 故取 QUOTE 精餾段 又板上不設進口堰hd=0.153u0)22液柱 Hd=0.269 提餾段hd=0.153u0)2=0.1530.2722Hd。 故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象5.5 液沫夾帶霧沫夾帶板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象，為保證板式塔能維持正常的操作效果，Kg液/Kg氣公式 精餾段 提餾段在本設計中液沫夾帶常量eV在允許范圍內(nèi)，不會發(fā)生過量液沫夾帶。 HYPERLINK l _Toc25848 塔板操作性能負荷圖 HYPERLINK l _Toc9994 6.1 精餾段塔板負荷性能圖 6.1.1 漏液線 223

23、783/s據(jù)此可以做出與流體流量無關的水平漏液線1 6.1.2 液沫夾帶線 以ev=0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關系如下： hfL=2.5hw+how，hw=0.0482 how1.04(3600LS/)2/3S2/3那么hf=0.121+2.32 LS2/3 HT-hfS2/3=0.279-2.32 LS2/3 解得VSS2/3 Ls/(m3/s)2468Vs/(m3/s)1.065可作出液沫夾帶線2 6.1.3 液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度how=0.006m作最小液體負荷標準，由=EE=1.04,那么 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限3. 6.1.4 液相

24、負荷上限線以5s 作為液體在降液管中停留時間的下限據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上線4。 6.1.5 液泛線令 ， 聯(lián)立得 整理得： 列表計算如下Ls/(m3/s)468Vs/(m3/s)由此表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。綜上所述，篩板塔的負荷性能圖如下：由圖可以看出，該篩板的操作上線為液泛控制，下線為漏液控制。由圖查得Vs，max3/s Vs，min3/s故操作彈性為Vs，max/Vs，min HYPERLINK l _Toc19919 6.2 提鎦段塔板負荷性能圖 6.2.1 漏液線 223783/s據(jù)此可以做出與流體流量無關的水平漏液線1 6.2.2 液沫夾帶線 以ev=0.1kg液/

25、kg氣為限，求Vs-Ls關系如下： hfL=2.5hw+how，hw=0.0366 how(3600LS/0.65)2/3S2/3那么hf=0.0915+2.395 LS2/3 HT-hfS2/3=0.309-2.395 LS2/3 解得VSS2/3 Ls/(m3/s)2468Vs/(m3/s)1.221可作出液沫夾帶線2 6.2.3 液相負荷下限線 = 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下線3。 6.2.4 液相負荷上限線 以5s 作為液體在降液管中停留時間的下限據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上線4。 6.2.5 液泛線 列表計算如下Ls/(m3/s)468Vs/(m3/s)由此

26、表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。綜上所述，篩板塔的負荷性能圖如下：由圖可以看出，該篩板的操作上線為液泛控制，下線為漏液控制，由圖查得 Vs，max3/s Vs，min3/s 故操作彈性為Vs，max/Vs，min第七章 輔助設備的計算及選型7.1 冷凝器1冷凝器的選擇：強制循環(huán)式冷凝器 冷凝器置于塔下部適當位置，用泵向塔頂送回流冷凝水，在冷凝器和泵之間需設回流罐，這樣可以減少臺架，且便于維修、安裝，造價不高。2冷凝器的傳熱面積和冷卻水的消耗量塔頂全凝器的熱負荷：Q=qm1r1=cpqm2(t2-t1) qm1=(R+1)DQ單位時間內(nèi)的傳熱量，J/s或W；qm1, qm2熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s

27、;r1 ,r2熱，冷流體的汽化潛熱，J/kg時那么 Q=qm1r1 =2+1取水為冷凝器介質(zhì)其進出冷凝器的溫度為20和30 平均溫度25于是冷凝水用量： qm2 又 Q=KA K取700Wm-2/所以，傳熱面積：A= = A=7.2 預熱器以釜殘液對預熱原料液，那么將原料加熱至泡點所需的熱量可記為：其中tf設原料液的溫度為35度在進出預熱器的平均溫度以及tfm =60的情況下可以查得比熱cpf，所以，Qf1000(84.9-35)=2072000KJ/h釜殘液放出的熱量假設將釜殘液溫度降至tw2=45那么平均溫度tw。 其比熱為cpw因此，Qw=18,56(97.2-45)=2570000KJ/h可知，于是理論上可以用釜殘液加熱原料液至泡點。 HYPERLINK l _Toc16290 第八章 課程設計與心得精溜塔的設計，在化工行業(yè)有較廣的應用，通過短短三周的設計，使我認識到精溜工藝應用是十分廣泛的，但是，要把此塔設計好，是有很難度的，它不僅要求我們擁有較高的理論根底，還要求我們掌握一定的實踐技能根底。本次課程設計難度大，主要是計算復雜，計算量大考慮的細節(jié)較多，對同一個設備分成兩局部進行考慮，既相互獨立又須彼此照應，始終要考慮計算是為一個設備進行。通過這次設計，使我認識到作為生物工程專業(yè)的學生，不僅要學好?化工原理?課程，還要對設備等相關內(nèi)容都要學好用好，尤其是實驗課，必