化工原理课程设计乙醇-丙醇连续筛板式精馏塔的设计.doc
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1、吉林化工学院化工原理课程设计吉林化工学院 化工原理 课 程 设 计题目:乙醇-丙醇连续筛板式精馏塔的设计教 学 院 化学与制药工程学院 专业班级 生物制药1301班 学生姓名 杨鑫龙 学生学号 1310226123 指导教师 张振坤 2015年12月27日 课程设计任务书设计题目:乙醇-丙醇连续筛板式精馏塔的设计任务要求:设计一连续筛板精馏塔以分离乙醇-丙醇具体工艺参数:1、原料加料量: 2、溜出液组成: 3、进料组成: 4、釜液组成: 5、塔顶压力: 6、单板压降: 工艺操作条件:常压精馏,塔顶全凝器,塔底间接加热,泡点进料,泡点回流。 主要设计内容1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3
2、、主要设备工艺尺寸设计(1)塔径及精馏段塔板结构尺寸的确定(2)塔板的流体力学校核(3)塔板的负荷性能图(4)总塔高4、辅助设备选型与计算5、设计结果汇总6、工艺流程图及精馏塔设备条件图摘要精馏是一种最常用的分离方法,原理是多次部分冷凝、多次部分汽化。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的,精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同,借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。所以,掌握气液相平衡关系,熟悉各种塔型的操作特性,对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常必要的。塔设备是化工、炼油生产中最重要
3、的设备类型之一。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的汽液传质设备。此设计针对二元物系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,该设计方法被工程技术人员广泛的采用。本设计主要包括设计方案的选取和流程说明、全塔物料衡算和热量衡算、主要设备工艺尺寸设计、辅助设备选型与计算、设计结果汇总、工艺流程图以及设备条件图的绘制等内容。在该设计中,工艺参数选定泡点进料、泡点回流,操作回流比取最小回流比的1.5倍,计算出所需实际塔板数共计33 块(包括再沸器),其中精馏段10块,提馏段21块;精馏塔和提馏塔塔径均为1.200m,全塔总塔高为19.163m,筛孔数目为3965个。通过对精馏
4、塔的塔板流体力学校核,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、物性参数及塔板的结构尺寸设计都是合理的,各种接管尺寸也是合理的,这样,既保证了精馏过程的顺利进行,也提高了全塔及精馏效率,为工业生产实际应用提供了良好的装置设备。关键词:乙醇;丙醇;精馏段;提馏段;筛板塔。目录第一章 前言1第二章 流程的设计和说明52.1 装置流程的确定52.2 操作压力的选择52.3 进料状况的选择52.4 加热方式的选择62.5 回流比的选择6第三章 精馏塔的设计计算73.1物料衡算73.2回流比的确定163.3板块数的确定163.4汽液负荷计算183.5精馏塔工艺尺寸计算193.6筛板流体性能校
5、核233.7塔板负荷性能图25第 四 章 主要计算结果列表28 4.1塔板主要结构参数表和主要流动性能参数表28 4.2主要符号说明29辅助设备选型与计算30参考文献32结束语33化工原理课程设计教师评分表34I第一章 前言1.1精馏原理及其在工业生产中的应用精馏是多级分离过程,即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物,是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中,精馏主要用于以下几种目的:1)获得馏出液塔顶的产品;2)将溶液多级分离后,收集馏出液,用于获得甲苯,氯苯等;3)脱出杂质
6、获得纯净的溶剂或半成品,如酒精提纯,进行精馏操作的设备叫做精馏塔。精馏过程中采用连续精馏流程,原料液经预热器加热到指定温度后,送入精馏塔的进料板,在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后,逐板溢流,最后流入塔底再沸器中。在每层板上,回流液体与上升蒸汽互相接触,进行热和质的传递过程。操作时,连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品,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被全部冷凝,并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体,其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知,单有精馏塔还不能完成精馏操作,必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器,有时还有配原料液,预热器、回流液
7、泵等附属设备,才能实现整个操作。1.2精馏操作对塔设备的要求 (一)生产能力板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现,塔板的开孔率一般占板截面积的7%-10%;而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液体接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上,而填料层的孔隙率则超过90%,一般液泛点较高,故单位塔截面积上填料塔的生产能力一般均高于板式塔。板式塔与填料塔的比较(二)分离效率一般情况下,填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为28级。而常用的板式塔,每米理论板最多不超过2级。研究表明,在压力小于0.3Mpa时,填料塔的分
8、离效率明显优于板式塔,在高压下,板式塔的分离效率略优于填料塔。(三)塔压降填料塔由于空隙率高,故其压降远远小于板式塔。一般情况下,板式塔每个理论级的压降为0.41.1kPa,填料塔为0.010.27kPa。通常,板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用,节约能耗,还可以使塔釜温度降低,有利于热敏物系的分离。(四)操作弹性一般来说,填料本身对气液负荷变化的适应性很大,故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计,特别是液体分布器的设计,因而可根据实际需求确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制,一般操作弹性较小。(五)结构、制造及造价等一般来说,
9、填料塔的结构较板式塔简单,故制造、维修也较为方便,但填料塔的造价通常高于板式塔。应予指出,填料塔的持液量小于板式塔。持液量大,可使塔的操作平稳,不易引起产品的迅速变化,故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和出料,而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太合适。对于比表面积较大的高性能填料,填料层容易堵塞,故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。1.3常用板式塔类型及本设计的选型塔板是板式塔的主要构件,分为错流式塔板和逆流式塔板两类,工业应用以错流式塔板为主,常用的主要塔板型式有:泡罩塔板;浮阀塔板;筛孔塔板;舌形塔板(斜孔塔板);网孔塔板;垂直浮阀;多降液管塔板;林德浮阀;无溢
10、流塔板。 泡罩塔板泡罩塔板的气体通道是由升气管和泡罩构成的。升气管是泡罩塔区别于其它塔板的主要结构特征。这种结构不仅结构过于复杂,制造成本高,而且气体通道曲折多变、干板压降达、液泛气速低、生产能力小。 浮阀塔板浮阀塔板是对泡罩塔板的改进,取消了升气管,在塔板开孔上访设置了浮阀,浮阀可根据气体的流量自行调节开度。气量较小时可避免过多的漏液,气量较大时可使气速不致过高,降低了压降。 筛孔塔板 筛孔塔板是最简单的塔板,造价低廉,只要设计合理,其操作弹性是可以满足生产需要的,目前已成为应用最为广泛的一种板型。 舌形塔板 舌形塔板是为了防止过量液沫夹带而设计的一种塔型,由舌孔喷出的气流方向近于水平,产生
11、的液滴几乎不具有向上的初速度。同时从舌孔喷出的气流,通过动量传递推动液体流动,降低了板上液层厚度和塔板压降。 网孔塔板 网孔塔板采用冲有倾斜开孔的薄板制造,具有舌形塔板的特点,并易于加工。 垂直浮阀 垂直浮阀是在塔板上开有若干直径为100-200mm的大圆孔,孔上设置圆柱形泡罩,泡罩下缘于塔板有一定的间隙,泡罩侧壁开有许多筛孔。气流喷射方向是水平的,液滴在垂直方向的初速度为零,液沫夹带量很小。 多降液管塔板 在普通浮阀上设置多根降液管以适应大液体量的要求,降液管为悬挂式。 林德浮阀 林德浮阀是专为真空精馏设计的高效低压降塔板,在整个浮阀上布置一定数量的导向斜孔,并在塔板入口处设置鼓泡促进装置。
12、 无溢流塔板 无溢流塔板是一种简易塔板,只是一块均匀开有一定缝隙或筛孔的圆形平板,无降液管,结构简单,造价低廉。综合考虑,本设计中使用筛板塔。筛板塔的优点有:结构简单,制造维修方便,造价低,相同条件下生产能力高于浮阀塔,板效率接近浮阀塔;其缺点:稳定操作范围窄,小孔径筛板易堵塞,不适宜处理粘性较大的,脏的和带固体粒子的料液。1.4本设计所选塔的特性(1) 结构简单,制造维修方便(2) 生产能力较大(3) 塔板压力降较低(4) 塔板效率较高(5) 合理设计的筛板塔可具有适当的操作弹性(6) 小孔径筛板易堵塞,故不宜处理脏的、黏性大的和带有固体粒子的料液。第二章 流程的设计和说明2.1 装置流程的
13、确定蒸馏装置包括精馏塔,原料预热器,蒸馏釜(再沸器),冷凝器,釜液冷却器和产品冷却器等设。按过程按操作方式的不同,分为联组整流和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏有生产能力大,产品质量稳定等优点,工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活,适应性强等优点,适合于小规模,多品种或多组分物系的初步分离。蒸馏通过物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝实现分离,热量自塔釜输入,由冷凝器中的冷却质 将余热带走。在此过程中,热能利用率很低,为此,在确定装置流程时应考虑余热的利用。譬如,用余料作为塔顶产品(或釜液产品)冷却器的冷却介质,既可以将原料预热,又可以节约冷却质。另外,为保持塔的操作稳定性,流程中除用泵
14、这节送入塔原料外也可以用高位槽送料,以免受泵操作波动的影响。塔顶冷凝装置可采用全冷凝器,分冷凝器两种不同的设置。甲醇和水不反应,且容易冷凝,故使用全凝器,用水冷凝。塔顶出来的气体温度不高,冷凝后回流液和产品温度不高,无需进一步冷却,此次分离也是希望得到甲醇,选用全凝器符合要求。 总之,确定流程时要较全面,合理地兼顾设备,操作费用,操作控制及安全诸因素。2.2 操作压力的选择蒸馏过程中按操作压力不同,分为常压蒸馏,减压蒸馏和加压蒸馏。一般地,除热明性物系,凡通过常压蒸馏能够实现分离要求,并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系,都能采用常压蒸馏;对敏性物系或者混合物泡点过高的物系,则宜采用减压
15、蒸馏;对常压下馏出物冷凝温度过低的物系,需提高塔压或者采用深井水,冷冻盐水作为冷却剂;而常压下呈气态的物系必须采用加压蒸馏。乙醇和丙醇在常压下就能够分离出来,所以本实验在常压下操作就可以。2.3 进料状况的选择进料状况一般有冷液进料,泡点进料。对于冷液进料,当组成一定时,流量一定对分离有利,节省加热费用。采用泡点进料不仅对稳定操作较为方便,且不受季节温度影响。综合考虑,设计上采用泡点进料。泡点进料时,基于恒摩尔流假定,精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等,故精馏段和提馏段塔径基本相等,制造上较为方便。2.4 加热方式的选择加热方式可分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热直接由塔底进入塔内。由
16、于重组分是水,故省略加热装置。但在一定的回流比条件下,塔底蒸汽回流液有稀释作用,使理论板数增加,费用增加。间接蒸汽加热使通过加热器使釡液部分汽化。上升蒸汽回流下来的冷液进行传质,其优点是釜液部分汽化,维持原来的浓度,以减少理论塔板数,其缺点是增加加热装置。本设计塔釡采用间接加热蒸汽,塔底产品经冷却后送至储罐。2.5 回流比的选择回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔,回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支持结构,其缺点是回流冷凝器回流控制较。如果需要较高的塔顶处理或塔板数较多时,回流冷凝器不宜安装在塔顶。因为塔顶冷凝器不已安装,检修和清理。在这种情况下,可采用强制回流,塔顶上
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