乙醇—水连续精馏塔的设计--化学化工学院化工原理课程设计.doc
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1、化工原理课程设计任务书 题目:乙醇水连续精馏塔的设计 班级: 专业:化学工程与工艺 姓名: 学号: 指导老师: 设计时间:2016.1设计任务书一、设计任务:试设计一连续浮阀精馏塔以分离乙醇水混合物。具体工艺参数如下:1、生产能力:原料处理量 45000吨/年 乙醇产品。 2、原料液中含乙醇 30 %(质量),其余为水。3、产品要求:馏出液中的乙醇含量为 93 %(质量)。 釜液中的乙醇含量不高于 1 %(质量)。 设备的年运行时间平均为300天(7200小时)。二、设计条件:1、加热方式:直接蒸汽加热,蒸汽压力为 1.02.0kg/cm2。2、操作压力:常压。3、进料状况: 冷夜进料 。4、
2、冷却水进口温度: 30 ,出口温度 50 。5、塔板形式:浮阀塔板。三、应完成的工作量:1、确定全套精馏装置的流程,绘制工艺流程示意图,标明所需的设备、管线及有关控制或观测所需的主要仪表与装置。2、精馏塔的工艺设计,塔的结构尺寸设计。3、辅助装置的设计和选型;估算冷却水用量和冷凝器的换热面积、水蒸气用量。4、编写设计说明书一份。5、绘制精馏塔的装配图一张(一号图纸)。指导老师: 毛桃嫣 2016年1月 日目录课程设计任务书 2绪论 5第一章 设计方案的确定 71.1设计方案原则71.2 设计步骤 71.3设计方案的内容81.4操作压力81.5加热方式81.6进料状态91.7回流比 91.8热能
3、利用 101.9工艺流程示意图 10第二章 精馏塔全塔物料衡算 122.1 设计任务和条件 122.2 工艺计算 122.2.1 精馏塔的物料衡算 122.2.2 塔板数的确定 132.3热量衡算 19第三章精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 213.1操作压力的计算 213.2操作温度的计算 213.3平均摩尔质量计算 213.4平均密度计算 223.5液体平均张力计算 243.6液体平均粘度计算 25第四章 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 26第五章 溢流装置的计算 295.1 溢流堰295.2受液盘305.3 弓形降液管的宽度和横截面积315.4降液管底隙高度h0 325.5塔板布置及浮阀数
4、目与排列33第六章 塔板的流体力学计算386.1 气体通过浮阀塔板的压降386.2 液泛406.3 雾沫夹带426.4 漏液校核456.5 塔的负荷性能图46第七章 精馏塔的结构设计 537.1筒体与封头 537.2 裙座 567.3人孔 577.4吊柱 587.5除沫器 597.6操作平台与梯子 617.7接管 617.8法兰的选择 647.9塔总体高度的设计 657.10冷凝器1 677.11冷凝器2 68第八章 设计结果汇总69参考文献 72结束语 73绪论 精馏过程的基础是传质,即在能量剂的驱动下,使气液两相多次直接接触和分离,利用液相混合物中各组分挥发度的不同,使易挥发组分由液相向气
5、相转移,难挥发组分由气相向液相转移,实现原料混合液中各组分的。该过程是同时进行传质。传热的过程。 在本设计中我们使用浮阀塔,浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的,它主要的改进是取消了升气管和泡罩,在塔板开孔上设有浮动的浮阀,浮阀可根据气体流量上下浮动,自行调节,使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面,又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛应用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm,使用效果均较好。国外浮阀塔经,大者可达10m,塔高可达80m,板数有的多达数百块。 浮阀塔之所以这样广泛
6、的被采用,是因为它具有下列特点:(1) 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加20-40,而接近于筛板塔(2) 操作弹性大,一般约为5-9,比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多(3) 塔板效率高,比泡罩塔高15左右(4) 压强小,在常压塔中每块板的压强降一般为(5) 液面梯度小(6) 使用周期长。黏度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作(7) 结构简单,安装容易,制造费为泡罩塔板的,为筛板塔的 本次设计中,我们进行的是乙醇-水二元混合物系的精馏分离,我们采用该的精馏装置有精馏塔,冷凝器等设备,热量从塔釜输入,物料在塔内进行精馏分离,余热由塔顶产品冷凝器中的冷却介质带走,为了减少热量,能量的
7、损失,我们在进料前设置了节能器,把塔底热产品先与进料进行热交换,然后再冷却,最后完成传热传质 辅助设备主要进行的有泵的选取,各处接管尺寸的计算并选型同时考虑各处费用的节省等。第一章 设计方案的确定1.1 确定设计方案原则总的原则是尽可能多地采用先进的技术,使生产达到技术先进、经济合理的要求,符合优质、高产、安全、低能耗的原则,具体考虑以下几点:(1) 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化,因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性,可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位,以便能通过这些仪表来观测和控制生产
8、过程。(2) 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗,减少设备与基建的费用,如合理利用塔顶和塔底的废热,既可节省蒸汽和冷却介质的消耗,也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响,因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响,减少冷却水用量,操作费用下降,但所需传热设备面积增加,设备费用增加。因此,设计时应全面考虑,力求总费用尽可能低一些。(3) 保证生产安全 生产中应防止物料的泄露,生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外,为能抵抗大自然的破坏,塔设备应具有一定刚度和强度。1.2 设计步骤板式精馏塔的设计大体按以下步骤进行:(1)
9、确定设计方案;(2) 平衡级计算和理论塔板的确定;(3) 塔板的选择;(4) 实际板数的确定;(5) 塔体流体力学计算;(6) 管路及附属设备的计算与选型;(7) 撰写设计说明书和绘图。1.3 设计方案的内容设计方案包括精馏流程、设备的结构类型和操作参数等的确定。例如组分的分离顺序(多组分体系)、塔设备的形式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸气的冷凝方式、余热利用的方案、安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。限于篇幅,仅对其中一些内容作些阐述,其他内容可见参考文献。1.4 操作压力塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题,而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质,兼顾技术上的可行性和经济上
10、的合理性来综合考虑,一般有下列原则:(1) 压力增加可提高塔的处理能力,但会增加塔身的壁厚,导致设备费用增加;压力增加,组分间的相对挥发度降低,回流比或塔高增加,导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时,塔顶蒸气可以用普通冷却水进行冷却,一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa 才能使普通冷却水冷却塔顶蒸气时,应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后,确定适宜的操作方式。(2) 考虑利用较高温度的蒸气冷凝热,或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝,且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加,可以使用加压操作。(3) 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用,
11、而且由于真空下气体体积增大,需要的塔径增加,因此塔设备费用增加。本设计是分离乙醇和正丙醇的混合物,由于两者都是液体,因此操作压力可以确定为常压,即是常压精馏。1.5 加热方式塔釜一般采用间接蒸汽加热,但对塔底产物基本是水,可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是:可利用压力较低的蒸汽加热,塔釜只须安装鼓泡管,一般可节省设备费用和操作费用。但由于直接蒸汽加入,对釜内溶液起一定稀释作用,在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下,釜液浓度相应降低,故需在提馏段增加塔板以达到生产要求。间接加热方式的优点是可以提供足够的热量,而且不会稀释釜内溶液的浓度。本次设计采用直接加热。1.6 进料状态进料状态
12、有5种,可用进料状态参数q 值来表示。进料为过冷液体:q1;饱和液体(泡点):q1;气、液混合物:0q1;饱和蒸气(露点):q0;过热蒸气:q0。q 值增加,冷凝器负荷降低而再沸器负荷增加,由此而导致的操作费用的变化与塔顶出料量D 和进料量F 的比值D/F 有关;对于低温精馏,不论D/F 值如何,采用较高的q 值为经济;对于高温精馏,当D/F 值大时宜采用较小的q 值,当D/F 值小时宜采用q 值较大的气液混合物。如果实际操作条件与上述要求不符,是否应对进料进行加热或冷却可依据下列原则定性判断:(1) 进料预热的热源温度低于再沸器的热源温度,可节省高温热源时,对进料预热有利,但会增加提馏段的塔
13、板数;(2) 当塔顶冷凝器采用冷冻剂进行冷却,又有比较低的冷量可利用时,对进料预冷有利。冷液进料时的操作比较容易控制,且不用加热原料液;此外,冷液进料时所需塔板会相对其他进料方式所需的少,设计和制造时比较方便。本次设计以冷液进料方式进料。1.7 回流比影响精馏操作费用的主要因素是塔内蒸气量 V。对于一定的生产能力,即馏出量D 一定时,V 的大小取决于回流比。实际回流比总是介于最小回流比和全回流两种极限之间。由于回流比的大小不仅影响到所需理论板数,还影响到加热蒸汽和冷却水的消耗量,以及塔板、塔径、蒸馏釜和冷凝器的结构尺寸的选择,因此,适宜回流比的选择是一个很重要的问题。适宜回流比应通过经济核算决
14、定,即操作费用和设备折旧费之和为最低时的回流比为适宜回流比。但作为课程设计,要进行这种核算是困难的,通常根据下面3 种方法之一来确定回流比。(1) 根据本设计的具体情况,参考生产上较可靠的回流比的经验数据选定;(2) 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 倍,即R(1.12)Rmin;(上述考虑的是一般原则,实际回流比还应视具体情况选定。1.8热能利用精馏过程的热效率很低,进入再沸器的能量的95%以上被塔顶冷凝器中冷却介质带走,仅约5%的能量被有效地利用。采用热泵技术可使塔顶蒸气温度提高,提高了温度的蒸气再用于加热釜液,使釜液蒸发的同时,塔顶蒸气冷凝。该方法不仅
15、可节省大量的加热蒸汽,而且还节省了大量的冷却介质。当然,塔顶蒸气可用作低温系统的热源,或通入废热锅炉产生低压蒸汽,供别处使用。在考虑充分利用热能的同时,还应考虑到所需增加设备的投资和由此给精馏操作带来的影响。1.9 工艺流程示意图(1)精馏流程总图图1-1精馏流程总图全凝器冷液进料(2)原料液的物流走向图全沸器注:1、F为进料液物流;2、D为塔顶溜出液物流;3、W为塔底釜液物流。图1-2精馏工艺流程图(3)全凝器内物流的走向图塔顶蒸汽冷却水塔顶冷凝液冷却水注:全凝器内物料走壳程,冷却水走管程。图1-3全凝器物流流程图第二章 精馏塔的工艺计算2.1 设计任务和条件一、设计任务:试设计一连续浮阀精
16、馏塔以分离乙醇水混合物。具体工艺参数如下:1、生产能力:原料处理量 45000吨/年 乙醇产品。 2、原料液中含乙醇 30 %(质量),其余为水。3、产品要求:馏出液中的乙醇含量为 93 %(质量)。 釜液中的乙醇含量不高于 1 %(质量)。 设备的年运行时间平均为300天(7200小时)。二、设计条件:1、加热方式:直接蒸汽加热,蒸汽压力为 1.02.0kg/cm2。2、操作压力:常压。3、进料状况: 冷夜进料 。4、冷却水进口温度: 30 ,出口温度 50 。5、塔板形式:浮阀塔板。2.2 工艺计算2.1.1 精馏塔的物料衡算 a.原料液及塔顶塔底产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量水的摩尔质量
17、b.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 c.物料衡算 原料处理量 . 总物料衡算. 解得 式中 F-原料液流量 D-塔顶产品量 W-塔底产品量表2-1 物料衡算表含乙醇的摩尔分数塔顶xD0.839原料xF0.144塔底xW0.004平均摩尔流量(kg/mol)塔顶MD41.492原料MF22.032塔底Mw18.112流量(kmol/h)塔顶产品D47.56原料F283.68塔底产品W236.122.2 塔板数的确定2.2.1理论塔板数NT的求取 对于乙醇水溶液的物系,可用图解法求理论塔板数。(1) 由手册查得常压下乙醇水溶液气液相平衡数据(见下表2-2),绘出x-y图(图2-1)常压下乙醇
18、水溶液的气液平衡数据液相中乙醇的摩尔分数汽相中乙醇的摩尔分数液相中乙醇的摩尔分数汽相中乙醇的摩尔分数0.00.0000.450.6350.010.1100.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.3400.650.7250.080.3920.700.7550.100.4300.750.7850.140.4820.800.8200.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.001.0000.400.614 (2) 采用
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