分离乙醇—水板式精馏塔设计设计说明书.doc
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1、精选资料课 程 设 计 课程名称: 化 工 原 理 题目名称: 分离乙醇水板式精馏塔设计 学生学院: 轻 工 化 工 学 院 专业班级: 学生学号: 学生姓名: 指导教师: 2010 年 6 月 20 日1.设计任务52.工艺流程图83.设计方案83.1设计方案的确定83.1.1塔型的选择83.1.2操作压力83.1.3进料方式93.1.4加热方式93.1.5热能的利用93.1.6回流方式103.2实验方案的说明104、板式塔的工艺计算114.1物料衡算114.2最小回流比RMIN和操作回流比R的确定124.3操作线的确定144.3.1精馏段操作曲线方程144.3.2提馏段操作曲线方程144.
2、4确定理论板层数NT154.5确定全塔效率ET和实际塔板层数NP154.5.1相对挥发度154.5.2物系黏度164.5.3全塔效率和实际塔板数164.6操作压强的计算174.7平均分子量的计算184.8平均密度的计算184.9表面张力的计算204.10平均流量的计算215、塔体和塔板的工艺尺寸计算225.1塔径225.2溢流装置255.3塔板布置及筛板塔的主要结构参数305.4塔板流体力学验算325.4.1塔板阻力HP325.4.2降液管泡沫层高度345.4.3液体在降液管内的停留时间355.4.4雾沫夹带量校核355.4.5漏液点375.5操作负荷性能图385.6设计结果436、辅助设备的
3、计算与选型456.1料液储罐的选型456.2换热器的选型466.2.1预热器476.2.2再沸器486.2.3全凝器热负荷及冷却水消耗量496.2.4产品冷却器506.3各接管尺寸的确定516.3.1进料管516.3.2 釜残液出料管516.3.3回流液管516.3.4 塔顶上升蒸汽管526.3.5 水蒸汽进口管526.4塔高536.5法兰546.6人孔566.7视镜566.8塔顶吊柱566.9泵的计算及选型577、经济横算587.1成产成本587.2水蒸汽费用CS587.3冷却水费用CW587.4设备投资费CD597.5总费用597.6利润598心得体会60符号说明:英文字母Aa- 塔板的开
4、孔区面积,m2Af- 降液管的截面积, m2Ao- 筛孔区面积, m2 AT-塔的截面积 m2PP-气体通过每层筛板的压降C-负荷因子 无因次t-筛孔的中心距C20-表面张力为20mN/m的负荷因子do-筛孔直径 uo-液体通过降液管底隙的速度D-塔径 mWc-边缘无效区宽度ev-液沫夹带量 kg液/kg气Wd-弓形降液管的宽度ET-总板效率Ws-破沫区宽度R-回流比Rmin-最小回流比 M-平均摩尔质量 kg/kmoltm-平均温度 g-重力加速度 9.81m/s2Z-板式塔的有效高度Fo-筛孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2)hl-进口堰与降液管间的水平距离 m-液体在降液管内停留
5、时间hc-与干板压降相当的液柱高度 m-粘度hd-与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m-密度hf-塔板上鼓层高度 m-表面张力hL-板上清液层高度 m-液体密度校正系数h1-与板上液层阻力相当的液注高度 m下标ho-降液管的义底隙高度 mmax-最大的how-堰上液层高度 mmin-最小的hW-出口堰高度 mL-液相的hW-进口堰高度 mV-气相的h-与克服表面张力的压降相当的液注高度 mH-板式塔高度 mHB-塔底空间高度 mHd-降液管内清液层高度 mHD-塔顶空间高度 mHF-进料板处塔板间距 mHP-人孔处塔板间距 mHT-塔板间距 mH1-封头高度 mH2-裙座高度 mK-稳定系
6、数lW-堰长 mLh-液体体积流量 m3/hLs-液体体积流量 m3/sn-筛孔数目 P-操作压力 KPaP-压力降 KPaPp-气体通过每层筛的压降 KPaT-理论板层数u-空塔气速 m/su0,min-漏夜点气速 m/suo -液体通过降液管底隙的速度 m/sVh-气体体积流量 m3/hVs-气体体积流量 m3/sWc-边缘无效区宽度 mWd-弓形降液管宽度 mWs -破沫区宽度 mZ - 板式塔的有效高度 m 希腊字母-筛板的厚度 m-液体在降液管内停留的时间 s-粘度 mPa.s-密度 kg/m3-表面张力N/m-开孔率 无因次-质量分率 无因次 下标Max- 最大的Min - 最小的
7、L- 液相的V- 气相的 可修改编辑1.设计任务1.1题目:分离乙醇水板式塔精馏塔设计1.2生产原始数据:1) 原料:乙醇水混合物,含乙醇35%(质量分数),温度35;2) 产品:馏出液含乙醇93%(质量分数),温度38,残液中含酒精浓度0.5%;3) 生产能力:原料液处理量55000t年,每年实际生产天数330t,一年中有一个月检修;4) 热源条件:加热蒸汽为饱和蒸汽,其表压为2.5Kgf/cm2;5) 当地冷却水水温25;6) 操作压力:常压101.325kpa;1.3设计任务及要求1) 设计方案的选定,包括塔型的选择及操作条件确定等;2) 确定该精馏的流程,绘出带控制点的生产工艺流程图,
8、标明所需的设备、管线及其有关观测或控制所必需的仪表和装置;3) 精馏塔的有关工艺计算 计算产品量、釜残液量及其组成; 最小回流比及操作回流比的确定; 计算所需理论塔板层数及实际板层数; 确定进料板位置。1.4塔主体尺寸的计算(塔径)1.5塔板结构尺寸的设计1.6流体力学验算1.7画出负荷性能图1.8辅助设备的选型1) 确定各接管尺寸的大小;2) 计算储罐容积,确定储罐规格;3) 热量衡算,计算全塔装置所用蒸汽量和冷却水用量,确定每个换热器的传热面积并进行选型;4) 根据伯努利方程,计算扬程,确定泵的规格类型;5) 壁厚,法兰,封头,吊柱等的选定。1.9设计结果汇总2.工艺流程图附图1为带控制点
9、的工艺流程图。流程概要;乙醇水混合原料经预热器加热到泡点后,送进精馏塔,塔顶上升的蒸汽采用全凝器冷凝后,一部分采用回流,其余为塔顶产物,塔釜采用间接蒸汽加热供热,塔底产物冷却后送人贮槽。3.设计方案3.1设计方案的确定3.1.1塔型的选择筛板塔板上开有许多均布的筛孔,孔径一般为38mm,筛孔在塔板上作正三角形排布。筛板塔的优点是:结构简单,造价低廉,气压降小,板上液面落差也较小,生产能力及板效率较高,气流分布均匀,传质系数高;缺点:操作弹性小,筛孔小易发生堵塞,不利于黏度较大的体系分离。本设计中,根据生产任务,若按年工作日330天,每天开动设备24小时计算,原料液流量为55000t年,由于产品
10、粘度较小,流量较大,因此即使筛孔小也不易堵塞,为减少造价,降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响,提高生产效率。因此,本设计最终选用筛板塔。3.1.2操作压力精馏可在常压、加压和减压下进行,确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性考虑的。化工原理修订版下册,夏清编一般来说,常压蒸馏最为简单经济,若物料无特殊要求,应尽量在常压下操作。对于乙醇水体系,在常压下已经是液态,且乙醇水不是热敏性材料,在常压下也可成功分离,所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加,尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用,而且由于真空下气体体积增
11、大,需要的塔径增加,因此塔设备费用增加。因此,本设计选择常压操作条件。3.1.3进料方式进料状态有多种,但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中。这样一来,进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响,塔的操作就比较容易控制。此外,泡点进料时,精馏段与提馏段的塔径相同,设计制造均比较方便。因此,本设计选择泡点进料。3.1.4加热方式精馏段通常设置再沸器,采用间接蒸汽加热,以提供足够的热量。若待分离的物系为某种组分和水的混合物,往往可以采用直接蒸汽加热的方式。但当在塔顶轻组分回收率一定时,由于蒸汽冷凝水的稀释作用,可使得釜残液中的轻组分浓度降低,所需的理论塔板数略有增加,且物系在操作温度
12、下黏度不大有利于间接蒸汽加热。因此,本设计选用间接蒸汽加热的方式提供热量。3.1.5热能的利用精馏的原理是多次进行部分汽化和冷凝,因此,热效率很低,通常进入再沸器的能量仅有5%被有效的利用。塔顶蒸气冷凝放出常用化工单元设备设计第二版,李功样编大量的热量,但其位能低,不可能直接用来作塔釜的热源。但可作低温热源,或通入废热锅炉产生低压蒸气,供别处使用。或可采用热泵技术,提高温度再用于加热釜液。采用釜液产品去预热原料,可以充分利用釜液产品的余热,节约能源。因此本设计利用釜残液的余热预热原料液至泡点。3.1.6回流方式泡点回流易于控制,设计和控制时比较方便,而且可以节约能源。但由于实验中的设计需要,所
13、需的全凝器容积较大须安装在地面,因此回流至塔顶的回流液温度稍有降低,在本设计中为设计和计算方便,暂时忽略其温度的波动。因此,本设计选用泡点回流。3.2实验方案的说明1) 本精馏装置利用高温的釜液与进料液作热交换,同时完成进料液的预热和釜液的冷却,经过热量与物料衡算,设想合理。釜液完全可以把进料液加热到泡点,且低温的釜液直接排放也不会造成热污染。2) 原料液经预热器加热后先通过离心泵送往高位槽,再通过阀门和转子流量计控制流量使其满足工艺要求。3) 本流程采用间接蒸汽加热,使用25水作为冷却剂,通入全凝器和冷却器对塔顶蒸汽进行冷凝和冷却。从预热器、全凝器、冷却器出来的液体温度分别在50-60、40
14、和35左右,可以用于民用热澡水系统或输往锅炉制备热蒸汽的重复利用。4) 本设计的多数接管管径取大,为了能使塔有一定操作弹性,允许气体液体流量增大,所以采取大于工艺尺寸所需的管径。常用化工单元设备设计第二版,李功样编,P854、板式塔的工艺计算4.1物料衡算通过全塔物料横算,可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。1、 将各个质量分数转化为摩尔分数2、各个相对摩尔质量3、 各个摩尔流量由年处理量55000t,330天有效工作日,可得进料液流量F为由物料衡算式可算出产品流量D和釜残液流量W代入得解得:由此可查得原料液,塔顶和塔底混合物的沸点,以上计算结果见表表1 原料液、馏出液与釜
15、残液的流量与温度名称原料液(F)馏出液(D)釜残液(W)35930.5(摩尔分数)0.17400.83860.001962摩尔质量27.8441.53418.08沸点温度/8478.399.94.2最小回流比Rmin和操作回流比R的确定回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件之一,且回流比是影响精馏操作费用和投资费用的重要因素。对于一定的分离任务而言,应选择适宜的回流比。适宜的回流比应该通过经济核算来确定,即操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比为最适宜的回流比。 N 图2 理论板和回流比关系图确定回流比的方法为:先求出最小回流比Rmin,根据经验取操作回流比为最小回流比的1.12.0倍,为
16、了节能,回流比倾向于取较小的值,有人建议取Rmin的1.11.5倍。考虑到原始数据和设计任化工原理修订版下册,夏清编务,本方案取1.4,即:R1.4Rmin;求最小回流比的方法有作图法和解析法,本设计使用作图法。根据附录表2乙醇水溶液体系的平衡数据在坐标纸上绘出平衡曲线,并画出对角线。表2 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.69
17、80.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0某些不正常曲线,具有下凹的部分。当操作线与q线的交点尚未落到平衡线上之前,操作线已与平衡线相切。对于此种情况下Rmin的求法是由点(xd,xd)向平衡线做切线,再由切线的斜率或截距求Rmin。由于乙醇水溶液平衡曲线属于不平衡曲线,因此,过点d(0.8386,0.8386)向平衡曲线做
18、切线,读出与Y轴的交点为(0,0.298),如附图3所示,然后由下式进行计算:4.3操作线的确定4.3.1精馏段操作曲线方程精馏段操作线方程:4.3.2提馏段操作曲线方程 提馏段操作线方程:化工原理修订版下册,夏清编4.4确定理论板层数NT理论板层数的计算方法有图解法、逐板计算法和简捷法。本设计方案中使用图解法,由于精馏段和提馏段操作曲线方程的确定,可在平衡曲线上做阶梯,所画出的阶梯数就是所需理论板层数NT(包含再沸器)。如附图3所示由图可知NT=16,精馏段塔板层数NT,=134.5确定全塔效率ET和实际塔板层数NP塔板总效率与物系性质、塔板结构及操作条件都有密切的关系,由于影响因素很多,目
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