乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔課計-化學(xué)畢業(yè)論文（可編輯）

1、乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔課計-化學(xué)畢業(yè)論文 化工原理課程設(shè)計 題 目: 乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計 系 別: 化學(xué)化工學(xué)院 專 業(yè): 10化學(xué)工程與工藝 學(xué) 號: 姓 名: 鄧美蘭 指導(dǎo)教師: 7>2014年 2月 15 日目 錄設(shè)計任務(wù)書一、概述 1、精餾操作對塔設(shè)備的要求和類型4 2、精餾塔的設(shè)計步驟5二、精餾塔工藝設(shè)計計算 1、設(shè)計方案的確定6 2、精餾塔物料衡算6 3、塔板數(shù)的確定7 7 8 4、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1111121213 5、精餾塔塔體工藝尺寸計算 1415 6、塔板主要工藝尺寸計算161717 7、浮閥塔流體力學(xué)性能驗算19 8、塔附件設(shè)計26三、

2、總結(jié)27化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計題目:乙醇-水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計二、 設(shè)計條件:處理量: t/a 5料液組成質(zhì)量分?jǐn)?shù): 40% 塔頂產(chǎn)品組成質(zhì)量分?jǐn)?shù): 92%,塔頂易揮發(fā)組分回收率: 98.5%每年實際生產(chǎn)時間: 7200小時連續(xù)工作 連續(xù)操作、中間加料、泡點回流。 操作壓力:常壓 進(jìn)料狀況:泡點進(jìn)料 單板壓降1kpa 塔頂冷凝水用冷卻水的進(jìn)、出口溫度差20 三, 設(shè)計任務(wù) 完成精餾塔的工藝設(shè)計,有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計和選型,繪制精餾塔系統(tǒng)工藝流程圖和精餾塔裝配圖,編寫設(shè)計說明書.設(shè)計內(nèi)容包括:精餾裝置流程設(shè)計與論證浮閥塔內(nèi)精餾過程的工藝計算浮閥塔主要工藝尺寸的確定塔盤設(shè)計流體力學(xué)條件校核

3、、作負(fù)荷性能圖主要輔助設(shè)備的選型四,設(shè)計說明書內(nèi)容1 目錄2 概述精餾基本原理3 工藝計算4 結(jié)構(gòu)計算5 附屬裝置評價6 參考文獻(xiàn)7 對設(shè)計自我評價一、摘要摘要:設(shè)計一座連續(xù)浮閥塔,通過對原料,產(chǎn)品的要求和物性參數(shù)的確定及對主要尺寸的計算,工藝設(shè)計和附屬設(shè)備結(jié)果選型設(shè)計,完成對甲醇-水精餾工藝流程和主題設(shè)備設(shè)計。首先根據(jù)設(shè)計任務(wù),確定操作條件。比如:操作壓力的確定、進(jìn)料狀態(tài)等的確定。然后設(shè)計工藝流程草圖。根據(jù)確定的方案,確定具體的參數(shù),即一個完整的設(shè)計就初步的確定了。最后計算塔的工藝尺寸、浮閥的流體力學(xué)演算、塔板的負(fù)荷性能,最后根據(jù)計算選擇合適的輔助設(shè)備。關(guān)鍵詞:精餾塔,浮閥塔,精餾塔的附屬設(shè)

4、備。一、精餾操作對塔設(shè)備的要求和類型一 對塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣汽、液兩相之間的傳質(zhì),而作為氣汽、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備,首先必須要能使氣汽、液兩相得到充分的接觸,以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是,為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要,塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求: 氣汽、液處理量大,即生產(chǎn)能力大時,仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 操作穩(wěn)定,彈性大,即當(dāng)塔設(shè)備的氣汽、液負(fù)荷有較大范圍的變動時,仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 流體流動的阻力小,即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小,這將大大節(jié)省動力消耗,從而降低操作費用。對于減壓精餾操作,過大的壓

5、力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度,最終破壞物系的操作。 結(jié)構(gòu)簡單,材料耗用量小,制造和安裝容易。 耐腐蝕和不易堵塞,方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 塔內(nèi)的滯留量要小。 實際上,任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求,況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨特的優(yōu)點,設(shè)計時應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求,抓住主要矛盾,進(jìn)行選型。二 板式塔類型 氣-液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔,也可采用填料塔,板式塔為逐級接觸型氣-液傳質(zhì)設(shè)備,其種類繁多,根據(jù)塔板上氣-液接觸元件的不同,可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)

6、上最早使用的是泡罩塔1813年、篩板塔1832年,其后,特別是在本世紀(jì)五十年代以后,隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了大批新型塔板,如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實際使用情況看,主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔,而前兩者使用尤為廣泛。 篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備,它的主要優(yōu)點有: 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單,易于加工,造價約為泡罩塔的60%,為浮閥塔的80%左右。 處理能力大,比同塔徑的泡罩塔可增加1015%。 塔板效率高,比泡罩塔高15%左右。 壓降較低,每板壓力比泡罩塔約低30%左右。 篩板塔的缺點是: 塔板安

7、裝的水平度要求較高,否則氣液接觸不勻。 操作彈性較小約23。 小孔篩板容易堵塞。二、精餾塔的設(shè)計步驟 本設(shè)計按以下幾個階段進(jìn)行: 設(shè)計方案確定和說明。根據(jù)給定任務(wù),對精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 蒸餾塔的工藝計算,確定塔高和塔徑。 塔板設(shè)計:計算塔板各主要工藝尺寸,進(jìn)行流體力學(xué)校核計算。接管尺寸、泵等,并畫出塔的操作性能圖。 管路及附屬設(shè)備的計算與選型,如再沸器、冷凝器。 抄寫說明書。 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。 二、精餾塔工藝設(shè)計計算1、設(shè)計方案的確定及概述 本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇?水混合物。對于二元混合物的分離,應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。精餾是指由

8、不同揮發(fā)度的組分所組成的混合液,在精餾塔中同時多次地進(jìn)行部分氣化和部分冷凝,使其分離成幾乎純態(tài)組分的過程。塔頂蒸汽冷凝回流和塔釜溶液再汽化是精餾高成婚度分離的充分必要條件。 設(shè)計中采用泡點進(jìn)料,將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升的蒸汽采用全冷凝器冷凝,冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi),其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系,最小回流比較小,故采用最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加熱,塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。2、精餾塔物料衡算1.2.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 乙醇的摩爾質(zhì)量MA46 kg/kmol 水的摩爾質(zhì)量 MB18 kg/kmol 用公式x

9、求出: xF40/46/40/46+60/1820.69% xD92/46/92/46+8/1881.82% xF 為原料液的摩爾分率, xD 為塔頂產(chǎn)品的摩爾分率1.2.2原料液及塔頂?shù)钠骄栙|(zhì)量 總物料衡算 FD+W 乙醇的物料衡算FxFDxD+Wxw聯(lián)立求解3、塔板數(shù)的確定 乙醇?水屬理想物系,可采用圖解法求理論板數(shù) 由手冊查得甲醇?水物系的氣液平衡數(shù)據(jù),繪出x?y圖, 如圖 1圖解法求理論板層數(shù) (1)求最小回流比及操作回流比。采用圖解法求最小回流比。在圖中對角線上e0.2069,0.2069作垂線ef即為進(jìn)料線(q線),該線與平衡線的交點坐標(biāo)為q(0.2069,0.35) 故最小回

10、流比則操作回流比可取 圖中精餾段操作線方程截距(2)精餾塔的氣液相負(fù)荷 (3)操作線方程 精餾段 提留段(4)圖解法求理論塔板數(shù)如附圖一,求解結(jié)果為 總理論板層數(shù)NT24不包括再沸器 進(jìn)料板位置 NF162、實際板層數(shù)的求取L×100% 由相平衡方程可得 根據(jù)乙醇?水體系相平衡圖查得(第一塊板) (塔釜) 代入方程得出 乙醇-水平衡時的t、x、y數(shù)據(jù)(摘于化工工藝設(shè)計手冊) t-x圖 查t-x圖得 則精餾段平均溫度 提留段平均溫度 全塔平均溫度 在全塔平均溫度下查得, 則全塔平均液體粘度 全塔效率(2)實際塔板數(shù)的計算 精餾段實際板層數(shù) 提留段實際板層數(shù)14 總塔板數(shù)N424、精餾塔

11、的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算4、1操作溫度的計算 查t-x圖得 則精餾段平均溫度 提留段平均溫度87 全塔平均溫度4、2平均摩爾質(zhì)量的計算 塔頂平均摩爾質(zhì)量 查平衡曲線得 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量 查 塔釜平均摩爾質(zhì)量 查 精餾段平均摩爾質(zhì)量 提留段平均摩爾質(zhì)量 4、3平均密度的計算(1)氣相平均密度的計算 由理想氣體狀態(tài)方程得 精餾段氣體平均密度 提留段氣體平均密度(2)液相平均密度的計算 塔頂:查得 進(jìn)料板:查得 塔釜:查得 則精餾段液相平均密度: 提餾段液相平均密度:4、4液相平均表面張力計算(1)塔頂:由查得 (2)進(jìn)料板:查得 (3)塔釜:查得 精餾段液相平均表面張力: 提餾段液相平均表

12、面張力:4、5液體平均粘度計算 液相平均粘度依下式計算,即(1)塔頂液相平均粘度的計算 由查得 (2)進(jìn)料板液相平均粘度的計算 查得 (3)塔釜液相平均粘度查得 精餾段液相平均粘度: 提餾段液相平均粘度:5、精餾塔塔體工藝尺寸計算5、1、塔徑的計算(1)精餾段 精餾段的氣液相體積流率: 最大空塔氣速,其中,可由斯密斯關(guān)聯(lián)圖查得。 橫坐標(biāo) 取板間距,板上清液層高度,則,查斯密斯圖得。 則氣體負(fù)荷因子 最大空塔氣速 取安全系數(shù)為0.6,則 塔徑 按照標(biāo)準(zhǔn)塔徑規(guī)整后 塔截面積為 實際空塔氣速:(2)提餾段 提餾段氣液相體積流率 最大空塔氣速,其中,可由斯密斯關(guān)聯(lián)圖查得。 橫坐標(biāo) 取板間距,板上清液層

13、高度,則,查斯密斯圖得。 則 最大空塔氣速 取安全系數(shù)為0.6,則 塔徑 按照標(biāo)準(zhǔn)塔徑規(guī)整后 塔截面積為 實際空塔氣速:5、2、精餾塔有效高度的計算 精餾段有效高度: 提餾段有效高度: 在進(jìn)料板上方開一人孔,其高度為0.8m,則精餾塔的有效高度為 6、塔板主要工藝尺寸計算6、1溢流裝置計算 因塔徑D0.7m,可選用單溢流弓形降液管,采用凹形受液盤。各項計算如下:(1)堰長 (2)溢流堰高度 選用平直堰,堰上液層高度hOW,取E1,則 精餾段:hOW 提餾段:hOWm (3)弓形降液管寬度和截面積 由查圖得, 故, 依式驗算液體在降液管中的停留時間 精餾段:s5s 提餾段:5s,故降液管設(shè)計合理

14、 4降液管底隙高度 取降液管底隙流體流速 精餾段: 提餾段: 故降液管設(shè)計高度合理 選用凹形受液盤,深度6、2塔板的布置(1)分塊 因D800mm,故塔板采用整塊式。(2)邊緣區(qū)寬度的確定:(3)開孔區(qū)面積計算 開孔區(qū)面積按照式計算,其中 6、3浮閥計算及排列(見附圖2)(1)閥孔氣速 ,在9至12之間,取 精餾段:(2)浮閥數(shù) 精餾段:,所以取N30 提餾段:,所以取N28 (3)開孔率 塔板開孔率 (4)閥孔的排列 浮閥排列方式采用等邊三角形叉排。去同一橫排的孔心距t75mm0.075m,則估算排間距t7、浮閥塔流體力學(xué)性能驗算1、 氣體通過浮閥塔的靜壓頭精餾段:(1)干板靜壓頭 (2)板

15、上層阻力 (3)液體表面張力所造成的靜壓頭 ,由于很小可忽略不計。提餾段:(1)干板靜壓頭 (2)板上層阻力 (3)液體表面張力所造成的靜壓頭 ,由于很小可忽略不計。2、液泛、液沫夾帶、漏液(1)液泛 塔板設(shè)置進(jìn)口堰 所以得 (2)液沫夾帶 泛點率 ×100%泛點率(精) ×100%53.87%泛點率(提) ×100%53.80%計算出的泛點率都在80%以下,故可知霧沫夾帶量能夠滿足液|kg汽的要求。(3)漏液 錯流型的塔板在正常操作時,液體應(yīng)沿塔板水平流動,與垂直向上流動的氣體接觸后由降液管流下。但當(dāng)上升氣流速度減少時,氣體通過閥孔的動壓不足以阻止板上液體從閥孔

16、流下時,便會出現(xiàn)漏夜現(xiàn)象。發(fā)生漏夜時,由于上層板上的液體未與從下層板上升的氣體進(jìn)行傳質(zhì),就漏落在濃度較低的下層板上,這勢必降低了塔板效率。漏夜嚴(yán)重時會使塔板上不能積液而無法正常操作。所以為保證塔的正常操作,漏夜量不能超過某一規(guī)定值,一般不能大于液體流量的10%。漏夜量大于10%的氣流速度稱為漏夜速度,這是塔操作的下限氣速。 造成漏夜的主要原因是氣速太小和板上液面落差所引起的氣流分布不均,比如在塔板的液流入口處由于有液層較厚而往往出現(xiàn)漏夜,這也是在此處設(shè)置不開孔的安定區(qū)的原因之一。 當(dāng)液體橫向流過板面時,由于要克服板上部件的局部阻力和摩擦阻力,需要一定液位差才能維持這一流動,這樣板上液體進(jìn)、出口

17、側(cè)的液面就會出現(xiàn)高度差,即液面落差,亦稱水力學(xué)坡度。 液面落差主要與塔板結(jié)構(gòu)有關(guān)外,泡罩塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜,液體在板上流動阻力大,液面落差也就大;浮閥塔結(jié)構(gòu)較簡單,液面落差則較小,篩板塔結(jié)構(gòu)最簡單,所以液面落差最小。但在塔徑不大時,液面落差常忽略。 液面落差除與塔板結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與塔徑、液流量有關(guān)。當(dāng)塔徑與液流量很大時,也會造成較大的液面落差。對于大塔,可采用單溢流或階梯流,以減少液面落差。4塔板上液面的返混 在塔板上,液體的主流方向是從入口端橫向流至出口端,但因氣體攪拌及某些局部障礙,液體會發(fā)生局部的反向流動。這種與主流方向相反的流動稱為返混。當(dāng)返混嚴(yán)重時,板上液體會均勻混合,各點的液體濃度將趨于

18、一致。當(dāng)濃度均勻的氣體與板上各點的液體進(jìn)行接觸傳質(zhì)后,則離開各點的氣體濃度也會相同。這是一種理想情況。另一種理想情況是板上液體呈活塞流流動,完全沒有返混。這時板上液體沿液流方向上液體濃度最大,在塔板進(jìn)口處液體濃度大于出口濃度。當(dāng)濃度均勻的氣體與板上各點液體接觸傳質(zhì)后,離開塔板各點的氣體濃度也不相同,進(jìn)口處的液體濃度出口出的濃度高。理論與實踐都證明了在這種情況下,塔板的效率比液體完全混合時高。實際上,塔板上液體并不處在完全混合與完全沒有返混的兩種理想狀態(tài),而是處于部分混合狀態(tài)。3、塔板的負(fù)荷性能圖1精餾段漏夜線(線1) 精餾段: 提餾段:2精餾段過量霧沫夾帶線(線2) F1 整理得則有: 提餾段

19、過量霧沫夾帶線 則有:S3液相負(fù)荷下限線,故4液相負(fù)荷上限線 35s 取4s 解得5液泛線 精餾段: 則有: 提餾段: 則有: 由上述五條線可畫出負(fù)荷性能圖 精餾段 提餾段由圖知(1)從塔板負(fù)荷性能圖可看出,按生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣相和液相流量所得到的操作點P,處在適宜操作區(qū)的位置,說明塔板設(shè)計合理。(2)因為液泛線在霧沫夾帶線的上方,所以塔板的氣相負(fù)荷上限由霧沫夾帶控制,操下限由漏夜線控制。(3)按固定的液氣比,從負(fù)荷性能圖中查得氣相負(fù)荷上限Vs,氣相負(fù)荷下限Vsmin,所以可得 操作彈性Vs/Vsmin8塔板的這兩操作彈性在合理的范圍(35)之內(nèi),由此也可表明塔板設(shè)計是不合理的現(xiàn)將塔板設(shè)計計算結(jié)

20、果匯總?cè)鐖D項目內(nèi)容-數(shù)值或說明備注精餾段提餾段塔徑D/m0.70.6板間距HT/m0.460.46塔板形式單溢流弓形降液管整塊式塔板空塔氣速u/m/s0.98701.471堰長lw/m0.490.42堰高h(yuǎn)w/m0.055280.05142板上液層高度hL/m0.060.06降液管底隙高度h0/m0.0074520.01807浮閥數(shù)N/個3028等腰三角形叉排閥孔氣速u0/m/s10.7712.65臨界閥孔氣速uoc/m/s10.2412.23孔心距t/m0.0750.0625同一豎排的孔心距降液管內(nèi)清液層高度Hd/m0.060.06泛點率/%53.8756.80液相負(fù)荷上VS/m3/s0.8

21、7050.2422霧沫夾帶控制氣相負(fù)荷下VSmin/m3/s0.98150.3152漏液控制操作彈性3.593.11后面為提餾段8、塔附件設(shè)計1、接管 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87):【4】(2)塔頂蒸汽出口管dvqv 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87):【4】(3)回流液管dR qR 經(jīng)圓整選取焊接鋼管(GB3091-93):【4】(4)釜液排出管徑dw qw 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87):【4】(5)、飽和蒸汽管徑ds0 加熱蒸汽壓力為0.3Mpa查1.65kg/m3【4】 Vs0 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87):小結(jié) 兩個星期的時間,我們完成了甲醇-水精餾塔的設(shè)計,一份設(shè)計書和一張流程圖、一張裝配圖。過程很復(fù)雜且長,在設(shè)計精餾塔的過程中,我們以從未有過的熱情投入到化工原理的復(fù)習(xí)中。剛開始時,很迷茫,覺得自己根本沒有能力去完成這么復(fù)雜的東西。我想這就是老師想我們做初次鍛煉,我們通過對蒸餾知識的復(fù)習(xí)與鞏固,加上查閱資料、網(wǎng)上搜集材料,最終完成了精餾塔的工藝設(shè)計書。并且完成了流程圖預(yù)裝配圖。 我們所設(shè)計的精餾塔是用于甲醇-水的分離