化工原理课程设计15万吨年乙醇水板式精馏塔设计

银川能源学院化工原理课程设计成绩银川能源学院化工原理课程设计题目： 15万吨/年乙醇-水板式精馏塔设计 学生姓名 xx 学 号 1210140068 指导教师 xx 院 系 石油化工学院 专 业 化学工程与工艺 班 级 1201班 化学工程教研室制成绩任 务 书- 1 -前言- 2 -摘 要- 2 -第一章. 综述- 3 -11 绪论- 3 -1.1.1 主要设备的型式- 3 -1.1.2 操作压力的确定- 3 -1.1.3 进料状态与塔板数，塔径，回流量及塔的热量负荷都有密切的关系.- 3 -1.1.4 热能的利用- 3 -1.2 设计基础数据- 3 -1.3 工艺流程- 6 -第二章. 塔板的工艺设计- 8 -2.1 精馏塔全塔物料衡算- 8 -2.2 物性参数的计算- 8 -2.2.1 温度- 8 -2.2.2 密度- 9 -2.2.3混合液体表面张力计算- 11 -2.2.4混合物的粘度- 13 -2.3塔板数的计算- 13 -2.4 热量衡算- 14 -2.4.1 加热介质的选择- 14 -2.4.2 冷却剂的选择- 14 -2.4.3 比热容及汽化潜热的计算- 14 -2.4.4 热量衡算- 15 -2.5气液相体积流量计算- 16 -2.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 17 -2.7.1堰长- 20 - 2.7.2弓形降液管的宽度和横截面- 21 -2.7.3降液管底间隙高度- 22 -2.8 塔板分布- 22 -2.9塔板的流体力学计算- 22 -2.9.1.塔板的压降- 22 -2.9.2淹塔- 23 -2.9.3雾沫夹带- 24 -2.10 塔板负荷性能图- 25 -2.10.1.雾沫夹带线- 25 -2.10.2液相负荷上限线- 26 -2.10.3液相负荷下限线- 26 -2.10.4漏液线- 26 -第三章 板式塔的结构与附属设备- 27 -3.1 塔体结构- 27 -3.1.1 塔顶封头- 27 -3.1.2 塔顶空间- 27 -3.1.3 塔底空间- 27 -3.1.4 人孔- 27 -3.1.5 进料处板间距- 28 -3.1.6 裙座- 28 -3.1.7 塔的接管- 28 -第四章 附属设备的选型和计算- 29 -4.1冷凝器的选择- 30 -4.2再沸器的选择- 30 -课程设计心得- 31 -参考文献- 32 -任 务 书设计题目：乙醇水板式精馏塔设计设计条件：乙醇进料组成：18% 处理量：150000吨塔顶馏出液含水5； 塔顶馏出液含乙醇95；塔底釜残液含水95； 塔底釜残液含乙醇5；产品纯度95；操作周期7200小时/年；塔板效率60；操作压力 常压（表压）；进料状态 泡点进料；塔底加热蒸汽压力300kpa (温度133.3C)(表压)；单板压降 0.7kpa ；。/，塔板类型 浮阀塔工作日 300天设计任务：1、设计方案的确定及工艺流程的组织与说明；2、精馏过程的工艺计算；3、塔和塔板主要工艺结构参数的设计计算；4、塔内流体力学性能的计算与校核；5、绘制塔板负荷性能图6、绘制生产工艺流程图7、绘制精馏塔装配图8、塔的工艺计算结果汇总一览表9、塔附件及辅助设备的设计或选型计算10、带控制点的生产工艺流程图的及精馏塔设计工艺条件图的绘制11、对设计过程的评述及有关问题的讨论12、编制课程设计说明书13、参考文件前言 在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。本次设计的题目是乙醇-水板式精馏塔设计。乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，可采用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差较大。精馏是传质分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可见，单有精馏塔主体还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个精馏操作。因此我们进行板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。摘 要本次设计的题目是乙醇-水板式精馏塔设计。在确定的工艺要求下，确定设计方案，设计内容包括精馏塔工艺设计计算，塔辅助设备设计计算，精馏塔工艺过程流程图，精馏塔设备结构图，设计说明书。浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对乙醇-水的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。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、生产操作条件及物性参数是否合理，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。 关键词： 浮阀塔，精馏段，提馏段，乙醇，水 。AbstractThis design topic is the design of ethanol - water distillation column. In determining the requirements process, determine the design scheme, design content including the calculation of distillation column design, calculation of tower auxiliary equipment design, flow chart of distillation tower distillation process, the structure of tower equipment drawings, design specification. Float valve tower is the main equipment of gas-liquid mass transfer in chemical production, the design for the ethanol - water distillation problem analysis, selection, calculation, accounting, drawing, is a complete distillation design process. Through the distillation tower operation, can draw the distillation tower of various design such as process, the tower of the operation conditions and physical parameters is reasonable, to ensure the smooth progress of distillation process and to improve efficiency as much as possible.Keywords:floatvalvetower，rectifyingsection,strippingsection,ethanol,water.第一章. 综述11 绪论1.1.1 主要设备的型式塔的类型选择板式塔，板式塔的主要构件有塔体，塔板及气液进、出口等塔板的选择。塔板选择浮阀塔板。浮阀塔板结构简单，即在塔板上开若干个孔，在每个孔的上方装上可以上下浮动的阀片，操作时，浮阀可随上升气量的变化自动调节开度，当气量较小时，阀片的开度亦较小，从而可使气体能以足够的气速通过环隙，避免过多的漏液，当气量较大时，阀片浮起，开度增大，使气速不致过高。浮阀塔板的优点是生产能力大，操作弹性大，气液接触状态良好，塔板结构简单，安装容易，压强小，塔板效率高，液面梯度小，使用周期长等。1.1.2 操作压力的确定采用操作压力为常压，即P4 kPa (表压)。1.1.3 进料状态与塔板数，塔径，回流量及塔的热量负荷都有密切的关系.蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的蒸汽加热，在釜内只须安装鼓泡管，不须安置宠大的传热面。这样在设计费用上可节省许多。1.1.4 热能的利用 蒸馏过程的特征是重复地进行汽化和冷凝，因此，热效率很低，所以塔顶蒸汽和塔底残液放出的热量利用要合理，这些热量的利用，要考虑这些热量的特点，此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可以节能。1.2 设计基础数据 表1-1 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系温度t/液相组成x/%气相组成y/%1000095.51.9017.0089.07.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.8081.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.43表1-2不同温度下乙醇和水的密度温度/80735971885730968690724965395720961851007169584表1-3不同温度下乙醇和水的表面张力温度/乙醇表面张力/（）水表面张力/（）701864.380 17.1562.69016.260.710015.258.81.3 工艺流程如图1-5所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。 图1：精馏工艺流程图- 32 -银川能源学院化工原理课程设计第二章. 塔板的工艺设计2.1 精馏塔全塔物料衡算原料乙醇摩尔的组成： 塔顶产品乙醇摩尔的组成： 塔底残液乙醇的摩尔组成：原料液：M=0.0789 46+（1-0.0789）18=20.2092 kg/kmol塔顶液：M= 0.881346+ (1-0.8813) 18=42.6764kg/kmol塔底液：M=0.0201846+（1-0.02018）18=18.56504kg/kmol 进料量F= =0.3061kmol/s 由式可知2.2 物性参数的计算2.2.1 温度进料温度： 塔顶温度：=78.17 塔底温度： 精馏段的平均温度：= 提馏段的平均温度：2.2.2 密度 塔顶温度： 气相组成： 进料温度： 气相组成： 塔底温度： 气相组成： 精馏段的平均液相组成：= 精馏段的平均气相组成：=精馏段液相平均分子:精馏段气相平均分子:精馏段平均液相组成： 精馏段平均气相组成： 提馏段液相平均分量: 提馏段气相平均分量:求在、下的乙醇和水的密度（单位） ， ， ， 所以 2.2.3混合液体表面张力计算二元有机物-水溶液表面张力可用下列公式计算其中 lg Q=0.441* A=B+Q A=lg 上式诸式中 下标W ,O ,S 分别代表水 乙醇及部分表面部分； 主体部分的分子数； 主体部分的分子体积； 分别为纯乙醇 有机物的表面张力；对于乙醇q=2 乙醇的表面张力 同理可得： 水的表面张力： 利用公式可得塔顶表面张力： 原料液表面张力：塔底液表面张力：从而可得精馏段表面张力 提馏段表面张力 2.2.4混合物的粘度利用液体黏性共线图查出：； ;精馏段的黏度：相对挥发度：精馏段的平均相对挥发度提馏段的平均相对挥发度2.3塔板数的计算泡点进料：q=1，则R=1.6=1.63.09=4.94理论板：指离开这种板的气液相互成平衡，而且塔板上组成均匀。计算方法： 逐板计算精馏段：理论板数 已知：塔板效率为：0.6所以：精馏段实际板层数：5块提馏段：理论板数：3已知：塔板效率为：0.6所以：提馏段实际板层数：5块全塔所需实际板数：（块）2.4 热量衡算2.4.1 加热介质的选择常用加热介质饱和蒸汽水。本设计选用300Kpa（温度133.3）的饱和水蒸汽做加热介质。2.4.2 冷却剂的选择常用冷却剂水和空气，25冷凝水，温升10，冷却水出口温度35。2.4.3 比热容及汽化潜热的计算t=78.17，Cpo=3.46KJ/(KJ.K)=159.16KJ/(kmol.K)解得Cpw，78.17=4.194KJ/(KgK)=75.492KJ/(KmolK)=CpoX+Cpw(1-X)=159.160.8813+75.492(1-0.8813)=149.23KJ/(kmolK)t=87.7，Cpo =3.66KJ/(KJK)=168.36KJ/(kmolK)解得Cpw.87.7=4.205KJ/(KgK)=75.69KJ/(KmolK)=CpoX+Cpw(1-X)=168.360.0789+75.69(1-0.0789)=83.00KJ/(kmolK)tw=94.96，Cpo=3.78KJ/(KJK)=173.88KJ/(kmolK)Cpw.94.96=4.214KJ/(Kg.K)=75.852KJ/(KmolK）=CpoX+Cpw(1-X)=173.880.02018+75.492(1-0.02018)=77.83KJ/(KmolK）塔顶温度t下的汽化潜热：=598.0KJ/Kg w=1241.0KJ/Kg =X+w（1-X）=598.00.8813+1241.0（1-0.8813）=674. 32KJ/Kg 2.4.4 热量衡算0时塔顶上升的热量Q,塔顶以0为基准：Q=Vt+V=0.12413600149.2378.17+0.1241674.32360042.70=18075361.5kJ/h回流液的热量QR：t=78.此温度下 =148.02KJ/(Kmol.K）QR=Lt=0.1283600148.0278.00=5320194.0kJ/h塔顶流出液的热量Q：=148.02KJ/(Kmol.K）Q=Dt=0.02673600148.0278.17=1112177.9kJ/h进料的热量：QF=Ft=0.3628360083.2488.16=9584587.6kJ/h塔底残液的热量：QW=WCpwTw=0.336177.79360095.26=8966136.8kJ/h冷凝器消耗的热量Qc：Qc=Q-QR-Q=19549734-5320194 -1112177.9=13117362.1kJ/h再沸器提供热量：塔釜热损10%，则 Q损=0.1再沸器的实际热负荷：0.9 2.5气液相体积流量计算 R=1.6=1.63.09=4.94精馏段：已知：提馏段：2.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算U=（安全系数）； 安全系数=0.60.8 精馏段：横坐标数值：取板间距： 查得:圆整：D1 = 2 m横截面积： 提馏段：横坐标数值： 取板间距：查的横截面积： 图2 史密斯关联图2.7溢流装置板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分，如下图所示。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。 图3图3塔板的结构参数2.7.1堰长出口堰高：本设计采用平直堰，堰上高度 图4 液流收缩系数图精馏段：提馏段： 2.7.2弓形降液管的宽度和横截面查的验算降液管内停留的时间：精馏段：提馏段：停留时间Q5S 故降液管可使用。 图5 弓形降液管图2.7.3降液管底间隙高度精馏段： 提馏段： 因为ho不小于20mm 故ho满足要求2.8 塔板分布本设计塔径D=2m 采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。精馏段：取阀孔动能因子。 则孔速为：每层塔板上浮阀数目为：提馏段：取浮孔动能因子。 则孔速：每层塔板上浮阀数目：2.9塔板的流体力学计算2.9.1.塔板的压降依据：精馏段：干板阻力 故板上充气液层阻力取，。则液体表面张力所造成的阻力，此阻力很小，通知可忽略不计。与气体流体流经塔板的降压相当的液柱高度为：提馏段：干板阻力 故板上充气液层阻力取，。则液体表面张力所造成的阻力，此阻力很小，通知可忽略不计。与气体流体流经塔板的降压相当的液柱高度为：2.9.2淹塔为防止淹塔现象的发生，要求控制将液管中的清液层高度 精馏段：单层气体通过板塔的降压相当的液柱：液体通过塔板的降压相当的液柱高度：板上液层高度：，则取。以已知 则则 所以符合防止淹塔的要求提馏段：单层气体通过板塔的降压相当的液柱：液体通过塔板的降压相当的液柱高度：板上液层高度： 则取。以已知 则则 所以符合防止淹塔的要求。2.9.3雾沫夹带精馏段：泛点率=板上流体流经的长度板上液流面积取物性数据K=1.0，泛点负荷系数泛点率=对于大塔，为了避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，雾沫夹带能够满足气要求。提馏段：取物性数据K=1.0，泛点负荷系数泛点率=对于大塔，为了避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，雾沫夹带能够满足气要求。2.10 塔板负荷性能图2.10.1.雾沫夹带线泛点率=据此式可作出负荷性能图中的雾沫夹带线。按泛点率80%计算。精馏段：泛点率=0.8=由上式知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，可算出.提馏段：泛点率=0.8=在操作范围内任取两个值，可算出.精馏段提馏段0.0026.030.0028.220.015.570.01 7.602.10.2液相负荷上限线液体的最大流量应保证降液管内停留时间不低于35s。液体在降液管内停留时间，以作为液体在降液管内停留时间的下限，则2.10.3液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限线条件，作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的直线。，取E=1.0,则计算的 图6.精馏段负荷性能图 图7.提馏段负荷性能图2.10.4漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则精馏段：提馏段：第三章 板式塔的结构与附属设备3.1 塔体结构3.1.1 塔顶封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径 查的曲面高度 直边高度 内表面积，容积。则封头高度3.1.2 塔顶空间取塔顶间距考虑到需要安装除沫器，所以选择塔顶空间1.2m。3.1.3 塔底空间塔底空间高度是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m。则3.1.4 人孔对板式塔，为安装塔、检修的需要，一般每隔6-8塔板设一人孔，本塔中共有19块塔板，需设置1个人孔，每个人孔直径为450mm，在设置人孔板间距。3.1.5 进料处板间距考虑到在进口处安装防冲设施，取进料板处板间距3.1.6 裙座塔底常用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙座。由于裙座内径700mm,故裙座壁厚取15mm。基础环内径： 基础环外径： 圆整：塔体总高度： 3.1.7 塔的接管进料管的结构类型很多，本设计采用直管进料管，管径计算如下：取 则查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.2 回流管采用只管回流管，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.3塔底出料管采用只管出料，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.4 塔顶蒸汽出料管采用只管出气，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。3.1.7.5 塔底蒸汽进气管采取只管进气，取 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。第四章 附属设备的选型和计算塔体是塔设备的外壳。常见塔体由等直径，等壁厚的圆筒及椭圆形封头的顶盖和底盖构成。随着化工装置的大型化，为了节约原材料，有用不同直径、不同壁厚的塔体。塔体的厚度除应满足工艺条件下的强度外，还应校核风力、地震、偏心载荷所引起的强度和刚度，同时要考虑水压实验、吊装、运输、开停工的情况。 塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分，一般采用裙座，其高度由工艺条件的附属设备（如再沸器、泵）及管道布置决定。它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，为此，它应具有足够的强度和刚度。 除沫器用于捕集在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于提高分离效率，改善塔后设备的操作状况，回收昂贵的物料以及减少对环境的污染都是非常重要的。常用的有丝网除沫器和折板除沫器。 接管是用以连接工艺管路，使之与相关设备连成系统。有进液管、出液管、回流管、进气管、出气管、侧线抽出管、取样管、液面计接管及仪表接管等。 手孔、人孔和视孔是为了安装、检查的需要而设置的。吊柱设置在塔顶，用于安装和检修时运送塔内件。4.1冷凝器的选择本设计取。出料液温度（饱和气）（饱和液），冷凝水温度逆流操作： 传热面积：根据全塔热量衡算，得取安全系数1.04，则需传热面积 设备型号：BES300-1.6-108-6/194浮头式换热器4.2再沸器的选择选择饱和水蒸气加热，传热系数取。料液温度：，水蒸气温度：逆流操作：，传热面积：根据全塔热量衡算，得取安全系数1.04，则需传热面积选择BES1000-1.6-311-6/19 6浮头式换热器4.3. 泵的选用（1）进料泵：选用离心泵，泵入口温度为常温，取为30，特点为流量稳定，扬程较高；（2）产品泵：单机离心泵，入口温度为常温，流量较小，扬程较低；（3）塔底泵：单机离心泵，流量变动范围大，流量较大，泵入口温度高，一般大于100，故塔底不需冷凝器。 参考文献【1】. 黄璐 王保国编化工设计 化学工业出版社 2007年9月。【2】. 王卫东主编.化工原理课程设计 化工工业出版社 2011年9月。【3】. 吴俊 宋孝勇 韩粉女 丁建飞编著化工原理课程设计 华东理工大学出版社 2011年7月。【4】.马晓迅 夏素兰 曾庆荣编化工原理 化学工业出版社 2014年1月。 课程设计心得经过一个多星期的课程设计，终于完成乙醇-水板式精馏塔的课程设计。虽然整个过程十分繁琐，但收获却很丰富。尤其是在计算的过程中，遇到了很多困难，通过同学的帮助，老师的指导，学校图书馆资料的提供，终于完成了这次的课程设计。通过这段期间的课程设计，我对化工原理设计有了进一步的认识，而且对化工原理精馏这一个章节的知识更加熟悉，可以说是进一步的巩固了。此外，课程设计是对以往学过的知识加以检验，尤其是这次精馏塔设计更使我们深入的理解和认识了化工生产过程，使我们所学的知识不局限于书本，并锻炼了我的逻辑思维能力。设计过程中还培养了我的自学能力，设计中的许多知识都需要查阅资料和文献，并要求加以归纳、整理和总结。通过自学及老师的指导，不仅巩固了我所学的化工原理知识,更极大地拓宽了我的知识面，让我更加深刻地认识到实际化工生产过程和理论的联系和差别。在这次课程设计的过程中，我也有很多感触，那就是自己的动手能力真的很差。首先，计算能力差，因为平时真的是很少动脑子；其次，是做文档能力很差，在使用word时很多东西都不知道在哪里找，所以做起来又费时间又费劲；最后，那就是画图能力差，没有掌握电脑的画图技巧。现在想想，以前整天抱着电脑不是上网就是看电视剧，真正用到的却什么也没学下。所以，真的很感谢学校给我们安排的这次课程设计，对我们即将走入社会岗位真的有很大的帮助。总的来说，这次的课程设计计算量较大，也有点难度。尤其是在繁琐的计算过程中，由于我的粗心不得不一次次返回检验，因此也浪费了不少时间，导致后面做设计书和画图的时间有点紧，不过这也告诫了我做事一定要认真谨慎，否则只会事倍功半。不过，在老师和同学们的帮助下，我克服了种种困难课程设计圆满完成了。我更觉得学好基础知识的重要性，以便为将来的工作打下良好的基础。我要感谢我的搭档在设计过程中对我的耐心帮助，感谢老师的悉心指导，感谢学校图书馆给我们提供了丰富的资料，感谢学校给我们创造的条件，才能让我能更顺利的完成此次设计！这对将来的毕业设计及工作无疑将起到重要的作用！