乙醇水分离筛板式精馏塔化工原理课程设计

.新乡学院化工原理课程设计说明书院（系）名称化学与化工学院专业名称化学工程与工艺年 级 班 级学生姓名学 号指导教师姓名 .目录1 设计任务书11.1设计题目11.2工艺条件11.3塔板类型11.4生产制度11.5设计内容12 设计方案22.1 设计方案简介22.2 设计方案的确定及工艺流程的说明23 工艺计算33.1 塔板的工艺计算33.1.1 物料衡算33.1.2 q线方程43.1.3 R的确定53.1.4 总物料恒算63.1.5 回收率73.1.6 操作线方程73.1.7 图解法求理论板层数73.1.8实际板层数的求取83.2精馏塔工艺条件及计算93.2.1操作压力93.2.2操作温度93.2.3平均摩尔质量93.2.4液体的平均密度103.2.5液体表面张力计算113.3 精馏塔的塔体工艺尺寸计算123.3.1塔径的计算123.3.2精馏塔有效高度计算143.4塔板主要工艺尺寸计算143.4.1溢流装置计算143.4.2塔板布置163.5 筛板的流体力学验算173.5.1精馏段校核17 3.5.2提馏段校核19 3.6塔板负荷性能图213.6.1精馏段213.6.2 提馏段244 板式塔的塔体总高度的计算264.1 塔顶空间 HD264.2 塔底空间HB264.3 人孔274.4 裙座274.5 筒体与封头27.4.5.1 筒体274.5.2 封头284.6塔体总高度285 精馏塔附属设备的选型及相关计算285.1 换热器的选型与核算285.1.1 估算传热面积，初选换热器型号285.1.2确定物性数据295.1.3估算传热面积295.1.4换热器核算315.2接管345.2.1进料管345.2.2回流管345.2.3塔底出料管345.2.4塔顶蒸汽出料管355.2.5塔底蒸汽进料管355.4 泵的计算与选型366 计算结果一览表387设计感想 评价及有关问题的分析讨论398 参考文献399绘制塔顶全凝器设备图39.1 设计任务书1.1设计题目：乙醇-水常压分离过程筛板式精馏塔工艺设计1.2工艺条件：生产能力：乙醇-水混合液处理量5.0万吨/年进料状况：冷液进料原料组成：乙醇的含量20（wt%）塔顶组成：乙醇的含量91（wt%）塔底组成：乙醇的含量0.3（wt%）进料温度：适宜回流比R：R=1.3Rmin塔顶压力：单板压降：加热蒸汽压力: 加热方式：塔底直接加热1.3塔板类型：筛板式精馏塔1.4生产制度：年开工300天，每天24小时连续生产1.5设计内容： 1） 精馏塔的物料衡算； 2） 塔板数的确定； 3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； 4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； 5) 塔板主要工艺尺寸的计算； 6) 塔板的流体力学验算； 7) 塔板负荷性能图； 8） 塔体总高度的计算； 9） 精馏塔附属设备的选型及相关计算； 10) 计算结果一览表 11) 对设计过程的评述和有关问题的讨论； 12）参考文献； 13）绘制精馏塔及换热器的设备图2 设计方案2.1 设计方案简介精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域，并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是筛板塔。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法本次课程设计是分离乙醇水二元物系。在此我选用连续精馏筛板塔。具有以下特点： (1) 筛板塔的操作弹性小，对物料的流量要求非常平稳精确，不利于实际生产中使用 (2) 筛板塔盘较浮阀塔盘的优点是结构简单抗堵，压降较小，造价便宜。 (3) 筛板塔盘现在很少用了，比浮阀塔的效率低，操作弹性小。 (4) 筛板塔盘也有溢流堰和降液管。优点是结构简单，压降较小，造价便宜，抗堵性强。本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图，是较完整的精馏设计过程。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、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、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、物性参数及接管尺寸是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。2.2 设计方案的确定及工艺流程的说明本设计任务为分离乙醇-水混合物。对于该二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏过程。本设计为23进料即冷液进料，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属不易分离物系，塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。3 工艺计算3.1 塔板的工艺计算3.1.1 物料衡算原料液及塔顶、底产品含乙醇的摩尔分数乙醇和水的相对摩尔质量分别为MA=46 kg/kmol和MB=18kg/kmol，原料含乙醇的质量百分数为20%，塔顶乙醇含量91%，塔底乙醇含量0.3%，则：原料液含乙醇的摩尔分率： 塔顶含乙醇的摩尔分率：塔底含乙醇的摩尔分率：原料液的平均摩尔质量： 原料液摩尔流量，依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，得： 3.1.2 q线方程由方程 求得出q值 沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41 乙醇水系统txy数据由在t-x-y图中查得泡点温度乙醇水溶液的比热容表查得：乙醇水混合物的汽化热表查得： 所以 q线方程 3.1.3 R的确定乙醇水体系为非理想体系，其平衡线有下凹部分，当操作线与q线的交点尚未落在平衡线上之前，操作线已与平衡线相切，故Rmin可由（，）向平衡线作切线的斜率求得 由上图可见，该切线的斜率为 得由得 3.1.4 总物料恒算 代入数据 求得 精馏塔的气液相负荷 3.1.5 回收率乙醇的回收率：水的回收率： 3.1.6 操作线方程精馏段：提馏段：3.1.7 图解法求理论板层数如图，求解结果为总理论板层数 (不包括再沸器)精馏段理论板层数 提馏段理论板层数 （包括进料板）进料板位置 3.1.8实际板层数的求取1) 操作温度计算由t-x-y图，用内差法计算得塔顶温度：塔底温度：塔顶塔底的平均温度2) 黏度计算由查表得 所以3) 相对挥发度根据安托尼方程可计算得塔顶：塔底：塔顶塔底的平均：4) 全塔效率所以5) 实际板数的确定精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 （包括进料板）总实际板层数 (不包括再沸器)3.2精馏塔工艺条件及计算3.2.1操作压力塔顶压强： 取每层塔板的压降为0.5kPa进料板： 塔底压强： 精馏段平均压强： 提馏段平均压强： 3.2.2操作温度依据操作压力，读t-x-y图塔顶温度: 进料板温度：塔底温度： 精馏段平均温度：提馏段平均温度：3.2.3平均摩尔质量塔顶气液的平均摩尔质量: 由 查平衡曲线得进料板气液的平均摩尔质量: 由图解法查得 塔底气液的平均摩尔质量: 由图解法查得 精馏段混合平均摩尔质量：提馏段混合平均摩尔质量：3.2.4液体的平均密度（1） 气相平均密度 精馏段 提馏段（2） 液相平均密度 液相平均密度依下式计算：塔顶液相平均密度由，查手册得 进料板液相平均密度由tF=97.6725C，查手册得 进料板液相的质量分数所以 精馏段液相平均密度塔底液相平均密度由查手册得 提馏段液相平均密度3.2.5液体表面张力计算（1） 塔顶液相平均表面张力计算 乙醇质量分数为91%，查图可得 乙醇临界温度为243，水临界温度为374.2，则混合液体的临界温度为将混合液体的临界温度代入所以 （2） 进料液相平均表面张力计算 乙醇质量分数为20%，查图可得 乙醇临界温度为243，水临界温度为374.2，则混合液体的临界温度为将混合液体的临界温度代入所以 （3） 塔底液相平均表面张力计算 乙醇质量分数为0.3%，查图可得 乙醇临界温度为243，水临界温度为374.2，则混合液体的临界温度为将混合液体的临界温度代入所以 (4) 精馏段液相平均表面张力：(5) 提馏段液相平均表面张力：3.3 精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.3.1塔径的计算(1)最大空塔气速和空塔气速 最大空塔气速计算公式：精馏段的气液相体积流率为取板间距，板上液层高度hL=0.05m,则HT-hL=0.35-0.05=0.3查图得，取安全系数为0.6，则空塔气速为 标准塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为实际空塔气速提馏段的气液相体积流率为取板间距HT=0.35，板上液层高度hL=0.05m,则HT-hL=0.35-0.05=0.3查图得，取安全系数为0.6，则空塔气速为 标准塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为实际空塔气速3.3.2精馏塔有效高度计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一个人孔，在精馏段设三个人孔，其高度均为0.7m。 故精馏塔的有效高度为 3.4塔板主要工艺尺寸计算3.4.1溢流装置计算因塔径D=1.0m，可选用单溢流弓形降液管、凹形受液盘。（1）溢流堰长取（2）堰宽及降液管截面积由，查图3-5得, 得（3）停留时间精馏段：可以满足要求。提馏段：可以满足要求。（4）溢流堰高对平直堰 ，由，查化工原理课程设计图5-5得，于是：精馏段满足要求。取板上清液层高度hL=0.06m提馏段满足要求。取板上清液层高度hL=0.06m（5）降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s，精馏段：取液体通过降液管底隙的流速，则有：故设计合理提馏段：取液体通过降液管底隙的流速，则有： 故设计合理3.4.2塔板布置（1）边缘区宽度的确定取（2）开孔区面积 （4）筛孔计算及其排列精馏段由于处理的物系无腐蚀性，可先用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为开孔率：筛板总面积每层塔板的开孔数为：提馏段由于处理的物系无腐蚀性，可先用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为开孔率：筛板总面积每层塔板的开孔数为：气体通过筛孔的孔速：精馏段：提馏段：3.5 筛板的流体力学验算3.5.1精馏段校核（1）压降校核查图可得干板阻力h0的计算由公式计算，即故：气体通过液层的阻力计算气体通过每层塔板的液柱高度为气体通过每层塔板的压降为：满足工艺要求。(2)雾沫夹带校核操作气速液泛时的空塔气速即泛点气速：所以泛点率=雾沫夹带量（3）溢流液泛校核为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度其中 故成立，故不会产生液泛。（4）漏液校核表面张力压头即对筛板塔漏液点的气速可由下式计算：即 筛板的稳定性系数: 故合格，不会产生过量液漏。3.5.2提馏段校核（1）压降校核查图可得干板阻力h0的计算由公式计算，即故：气体通过液层的阻力计算气体通过每层塔板的液柱高度为气体通过每层塔板的压降为：满足工艺要求。（2）雾沫夹带校核操作气速液泛时的空塔气速即泛点气速：所以泛点率=雾沫夹带量（3）溢流液泛校核为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度其中 故成立，故不会产生液泛。（4）漏液校核表面张力压头即对筛板塔漏液点的气速可由下式计算：即 筛板的稳定性系数: 故合格，不会产生过量液漏。3.6塔板负荷性能图3.6.1精馏段（1）漏液线干板压降 又故在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：漏液线数据00.0020.0040.0060.0080.0100.3180.34470.35950.37150.38180.3911（2）液体流量下限线规定时，液体流量达到下限即 故 （3） 液体流量上限线设停留时间3s为液体流量上限代入 ，即所以（4） 液泛线取作液泛线则又所以 液泛线数据00.0010.0020.00251.06560.92890.59680.0178（5） 雾沫夹带线另可容许的雾沫夹带最大量为0.1kg/kg气可得雾沫夹带线数据00.0020.0040.0060.0080.0101.01710.84450.74310.65800.58210.5123由上图可得 3.6.2 提馏段（1）漏液线干板压降 又故在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：漏液线数据00.0020.0040.0060.0080.0100.52820.58420.61460.63910.66020.679（2）液体流量下限线规定时，液体流量达到下限即 故 （4） 液体流量上限线设停留时间3s为液体流量上限代入 ，即 所以（5）液泛线取作液泛线则 所以 液泛线数据00.0020.0040.0060.0080.0102.09021.88791.70241.46291.260.4952（6） 雾沫夹带线另可容许的雾沫夹带最大量为0.1kg/kg气可得雾沫夹带线数据00.0020.0040.0060.0080.0101.34111.13921.02060.92400.83240.7508由上图可得 4 板式塔的塔体总高度的计算4.1 塔顶空间 HD一般HD=（1.52.0）HT 取4.2 塔底空间HB一般取釜液上方气液分离空间为1.0m 釜液停留时间为5min 液柱高度 所以 4.3 人孔一般810块板开一个人孔，精馏段有28块板需开三个人孔，提馏段有11块板需开一个人孔，并且开人孔处的板间距取700mm,孔径为450mm4.4 裙座本塔为常压塔操作，即裙座高度取2.0m4.5 筒体与封头4.5.1 筒体1) 由D=1.0m 选钢板材料为： 查表 时，双面焊100% 探伤， 设， 取 圆整取3mm, 腐蚀裕量 2)水压试验校核 查 满足条件 ,故壁厚为4mm4.5.2 封头1)本设计采用标准椭圆形封头 取 圆整为3mm取 直边高度 曲边高度2)水压试验校核 查 满足条件 ,故壁厚为4mm 4.6塔体总高度 5 精馏塔附属设备的选型及相关计算5.1 换热器的选型与核算5.1.1 估算传热面积，初选换热器型号 （1）估算换热器的类型，两流体的温度变化情况 热流体进口温度，出口温度 冷流体进口温度，出口温度 （2） 管程安排 从两物质的性质看，应使热流体走壳程，循环冷却水走管程5.1.2确定物性数据定性温度:壳程热流体的定性温度: 管程冷却水的定性温度： 查得下热流体的有关物性数据：，所以所以塔顶温度，所以 ,所以 ,水的定性温度：，该定性温度下物性数据：，, 5.1.3估算传热面积（1）热负荷计算 （2）冷却水用量（忽略热损失） （3）计算平均传热温差 故选用带有膨胀节的固定管板式换热器（4）计算R 、P，选取壳程 由于R=0，故 故选用单壳程 （5）计算传热面积 取 所以（6）初选型号 选用固定管板式 由固定管板式换热器的系列标准，初选型号为G500-1.6-37.3 主要参数如下：外壳半径 公称压力工称面积 管中心距 管程数 管子数164 管长 管子尺寸 管子排列方式：正三角形实际换热面积采用此换热器的换热面积，要求总传热系数K为5.1.4换热器核算（1）换热器内压降的核算 管程压力降 管程流速 所以 所以此压降合理。 壳程阻力 管子为正三角形排列 取 折流挡板间距Z 取则 折流挡板数壳程流通面积壳程流速 所以此压降合理。（2）总传热系数和面积校核 管程对流传热系数 普朗特数： 壳程对流传热系数壳程流体有相变化时水平管外膜冷凝时的对流传热系数： 由 查得设管壁的平均温度为28C，查表得 ，,污垢热阻管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻已知管壁厚度b=0.002m，其导热系数为（碳钢）总传热系数总传热系数k为 故所选择的换热器合适，其安全系数传热面积校核传热面积计算值s 换热器的实际传热面积换热器的面积裕度为设计结果：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务 选用固定管板式换热器 型号为G500-1.6-37.35.2接管5.2.1进料管本设计采用直管进料管。用泵时管径计算如下 , ，查标准系列选取 GB8163-875.2.2回流管本设计采用直管回流管。 取 ，查标准系列选取 GB8163-875.2.3塔底出料管本设计采用直管出料管。 取 ，查标准系列选取 GB8163-875.2.4塔顶蒸汽出料管 查标准系列选取 GB8163-875.2.5塔底蒸汽进料管本设计采用直管出料管。 饱和水蒸汽压小于295KPa（表压）取 查标准系列选取 GB8163-875.3法兰 公称直径DN/mm法兰外径D/mm螺栓孔中心圆直径K/mm螺栓孔直径L/mm螺栓孔数n/mm螺纹Th/mm法兰厚度C/mm法兰内径B1/mm法兰重量m/kg进料管40130100144M1216461.38回流管209265114M1014260.60塔底出料管65160130144M1216781.85塔顶蒸汽出料管200320280188M16222226.85塔底蒸汽进料管150265225188M16201615.145.4 泵的计算与选型进料温度 查得 又 所以需输送的料液的流量：取管内流速 则管径故可选的离心泵则内径 所以u=由公式，代入得又有进料位置高度 所需扬程: 所以选离心泵的型号为： 在转速下泵的有关性能参数为: 运行条件下实际所需的轴功率为：所以所选泵合适 6 计算结果一览表序号项目单位计算结果精馏段提馏段1平均温度82.035998.15312平均压力KPa112.325122.0753平均流量气相m3/s0.64060.91344液相m3/s0.000507280.00254865理论塔板数块156实际板数块28116塔的有效高度m10.53.857塔径m1.01.08板间距m0.350.359将液管形式弓形降液管弓形降管10空塔气速m/s0.81611.163611溢流装置溢流形式单溢流单溢流12溢流堰长度m0.660.6613溢流堰高度m0.05440.0435814板上液层度m0.060.0615堰上液层度m0.00560.0164216安定区宽度m0.070.0717开孔区到塔壁距离Wcm0.030.0318开孔区面积0.53140.531419筛孔直径m0.0060.00620筛孔个数个928177521筛孔气速m/s19.191118.2122筛孔动能因数2.22.223开孔率6.2819.43824孔心距m0.02280.018625排间距m0.01970.016126塔板压降Pa458.348499.54527液体在降液管停留时间s39.10457.7828降液管底隙高度m0.00480.0241329液相负荷上限m3/s0.0066120.00661230液相负荷下限m3/s0.00023080.000530831气相负荷上限m3/s1.01.3432气相负荷下限m3/s0.330.5533操作弹性3.032.047设计感想 评价及有关问题的分析讨论本设计是对精馏过程的设计，其中还包括对精馏塔的设计，设计过程中严格按照课程设计的标准，经过反复的运算，且必须保证设计的参数和数据与实际的相符，以达到最终的分离任务。 课程设计需要我们把平时所学的理论知识运用到实践中去，使我们对书本上所学的理论知识有了进一步的理解，更让我们体会到了理论知识对实践工作的重要的指导意义。课程设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往的课程那样一切都是由教材和老师安排。因此，课程设计给我们更大的发挥空间，让我们发挥主观能动性独立的去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据，确定设计方案。通过这次课程设计我在资料、网络上搜索资料，在真正动手之前先将原理及有关的理论学明白弄清楚，使我对化工原理的一些知识掌握的更加牢固。提高了我的认识问题、分析问题和解决问题的能力。在这个过程中，我一直都认真坚持下来。我收获的不仅仅是知识还有更多在学习过程中体会到的经验、方法和心态。这以后无疑会对自己的工作和生活产生影响。8 参考文献1柴诚敬主编.化工原理第二版（上册）M.北京.高等教育出版社，2010.62柴诚敬主编.化工原理第二版（下册）M.北京.高等教育出版社，2010.63陈国恒.化工机械基础M.北京.化学工业出版社，20054申迎华、郝晓刚.化工原理课程设计M.北京.化学工业出版社，2009.5 9绘制塔顶全凝器设备图.