2万吨年乙醇连续精馏塔课程设计可编辑Word文档格式.docx

2万吨年乙醇连续精馏塔课程设计可编辑Word文档格式.docx

《2万吨年乙醇连续精馏塔课程设计可编辑Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2万吨年乙醇连续精馏塔课程设计可编辑Word文档格式.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

90%,92%,94%;

塔顶产品中乙醇的回收率:

99%

生产时间:

300天（7200h）

冷却水进口温度:

30℃

加热介质:

0.6MPa饱和水蒸汽

课程设计的进度安排

查找资料,初步确定设计方案及设计内容,1-2天

根据设计要求进行设计,确定设计说明书初稿,2-3天

撰写设计说明书,总装图,答辩,4-5天

课程设计考核方式与评分方法

指导教师根据学生的平时表现、设计说明书、绘图质量及答辩情况评定成绩,采用百分制。

其中:

平时表现20%

设计说明书40%

绘图质量20%

答辩20%

指导教师

学科部负责人:

年月日

组次F/万吨/年xD/wt.%备注

11.5901-4

21.5925-8

31.5949-12

41.759013-16

51.759217-20

61.759421-24

729025-28

829229-32

929433-36

摘要:

设计一座甲醇-水连续精馏塔,根据物性特征,产品产量和工程、经济合理性来确定塔型和操作条件;

通过对原料,产品的要求和物性参数的确定以及对塔体主尺寸的计算,工艺设计和附属设备选型的设计,完成对苯-甲苯精馏工艺流程和主体设备的设计。

关键词:

塔型,塔体,设备,流程

Abstract:

Ineedtodesignanethanol-watercontinuousdistillation.Accordingtothecharacteristicsofproperties,productproductionandengineering,economicrationalitytodeterminethetypeofthetowerandoperationalconditions.Thinkingabouttherequirementsofrawmaterialsandproductandthedeterminationofphysicalparameters,Icancalculateofthesizeofthecolumn,designtheprocessandselecttheancillaryequipment,thencompletetheethanol-waterdistillationprocessandthedesignofthemainequipmentKeywords:

type,size,ancillaryequipment,process

一、概述7

1.1设计背景7

1.2设计条件8

1.3设计要求8

1.4设计说明书的主要内容8

二、计算过程9

1.塔型选择9

2.操作条件的确定9

2.1操作压力9

2.2进料状态10

2.3加热方式10

2.4热能利用10

3.物料的工艺计算10

3.1相对挥发度11

3.2回流比R的确定13

3.3物料平衡15

3.4理论塔板层数的确定15

4.基本物性数据计算16

4.1精馏段16

4.2提馏段18

4.3全塔的流量19

5.塔径的计算20

6.1确定塔板的流型22

6.2塔板尺寸22

6.3弓形降液管23

6.3.1堰上液流高度23

6.3.2堰高24

6.3.3溢流管底与塔盘间距离h024

6.4浮阀数目及排列25

6.4.1浮阀数目25

6.4.2排列25

6.4.3校核26

7.塔高的计算26

8.流体力学验算27

8.1气体通过浮阀塔板的压力降单板压降27

8.2干板阻力27

8.4由表面张力引起的阻力27

8.5漏液验算27

8.6液泛验算28

8.7雾沫夹带验算28

9.操作性能负荷图29

9.1雾沫夹带上限线29

9.2液泛线29

9.3液体负荷上限线29

9.4漏液线30

9.5液相负荷下限线30

9.6操作性能负荷图30

10.有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表731

11.各接管尺寸的确定32

11.1进料管32

11.2釜残液出料管33

11.3回流液管33

11.4塔顶上升蒸汽管33

11.5水蒸汽进口管34

三、辅助设备的计算及选型34

12.1冷凝器热负荷34

12.2再沸器热负荷35

12.3原料预热器35

12.4泵的选择36

12.5法兰的选用36

一、概述

1.1设计背景

塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。

塔设备的设计和研究,已经受到化工行业的极大重视。

在化工生产中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各个方面,都有非常重大的影响。

精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。

即在同一温度下,各组分的饱和蒸汽压不同这一性质,使液相中的轻组分转移到汽相中,汽相中的重组分转移到液相中,从而达到分离的目的。

因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。

为了加强工业技术的竞争力,长期以来,各国都在加大塔的研究力度。

如今在我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等。

填料种类出拉西、环鲍尔环外,阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。

更加强了对筛板塔的研究,提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。

同时我国还进口一些新型塔设备,这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工作,加速了我国塔技术的开发。

国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步,是因为已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构,而是主要取决与物系的性质,如:

挥发度、黏度、混合物的组分等。

国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下,保持适当的操作弹性和压力降,并尽量提高塔盘的效率。

”在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。

经过我国这些年的努力,在塔研究方面与国外先进技术的差距正在不断的减小

目前,精馏塔的设计方法以严格计算为主,也有一些简化的模型,但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的,我们此次所做的计算也采用严格计算法。

1.2设计条件

2万吨/年

塔顶产品中乙醇的质量分数92%

单板压降:

小于或等于0.7kpa

生产方式:

连续操作,泡点回流

全塔效率:

Et50%

1.3设计要求

1.撰写课程设计说明书一份

2.带控制点的工艺流程图一张

3.塔装备的总装图一张

设计说明书的主要内容

二、计算过程

1.塔型选择

根据生产任务,若按年工作日300天,每天开动设备24小时计算,由于产品粘度较小,流量较大,为减少造价,降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响,提高生产效率,选用浮阀塔。

2.操作条件的确定

2.1操作压力

压力为（Pa）

2.2进料状态

虽然进料方式有多种,但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响,塔的操作比较容易控制;

此外,饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同,无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易,为此,本次设计中采取饱和液体进料（q1）。

2.3加热方式

精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应;

由于甲醇~水体系中,甲醇是轻组分,水由塔底排出,且水的比热较大,故可采用直接水蒸气加热,这时只需在塔底安装一个鼓泡管,于是可省去一个再沸器,并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热,无论是设备费用还是操作费用都可以降低。

2.4热能利用

精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。

因此热效率较低,通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。

虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量,但是由于其位能较低,不可能直接用作为塔底的热源。

为此,我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。

3.物料的工艺计算

由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准,需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。

原料液的摩尔组成:

甲醇的摩尔质量为:

32kg/kmol

水的摩尔质量为:

18kg/kmol

以年工作日为300天,每天开车24小时计,进料量为:

进料液的平均摩尔数

根据公式

可求出

由全塔的物料衡算方程可写出:

求得

表1.原料液、馏出液与釜残液的流量

名称原料液馏出液釜残液

质量分数0.500.950.03

摩尔分数0.360.910.02

流量120.5646.0674.50

3.1相对挥发度可根据平衡线图（图1）查得塔顶、塔底温度

1?

汽相2?

液相

图1甲醇-水溶液的t-y-x图

或用计算法求得:

安托因方程:

ABC

甲醇7.197361574.99238.86

水7.074061657.46227.02

①进料处:

查图1得:

t77℃,利用安托因方程,

计算得出,

求得3.94

②塔顶:

查图得t65.5℃,同理求得,

此时的相对挥发度

③塔底:

查图得:

t97.9℃,同理求得,

此时的相对挥发度全塔的相对挥发度

3.2回流比R的确定

由于是泡点进料（q1）,

相平衡方程

当,求出夹紧点,,因此:

操作回流比

最少理论板数的确定:

利用芬斯克方程

由于设备的综合费用与NR+1有直接的关系,因此绘制NR+1~R图就可以求当R值时NR+1最小的为实际R

令,由不同β得到R值

利用吉利兰图~求出N值,进而能得到NR+1

图2吉利兰图

分别取β1.1、1.2、1.3、1.4、1.45、1.5、1.55、1.6、2,将查上图或计算出相应的值,见下表:

β1.11.31.51.71.81.92.0

R0.7920.9361.081.2241.2941.3681.44

0.040.1120.1730.2270.2500.2740.295

0.630.530.470.430.410.390.38

N15.220.5010.329.539.178.848.68

NR+127.2722.7921.4721.1921.0320.9321.18

验算:

若时,可以用下公式:

若则可查图2。

选取总成本最小时的R值。

计算结果表取1.9时总成本最小。

此时最适回流比为:

R1.368

3.3物料平衡

①精馏段操作方程:

精馏段液体的摩尔流量:

气体的摩尔流量:

②提馏段操作方程:

液体的摩尔流量:

q线方程:

3.4理论塔板层数的确定

精馏段操作线方程:

提馏段操作线方程:

线方程:

相平衡方程:

利用逐板法计算理论塔板层数:

进料板

从上计算中可以得出理论塔板层数块（含塔釜）

其中,第3块为进料板。

由条件知全塔效率

则可计算出实际塔板层数（含塔釜）

4.基本物性数据计算

4.1精馏段整理精馏段的已知数据列于表3见下页,由表中数据可知:

表3精馏段的已知数据

位置进料板塔顶第一块板

质量分数

摩尔分数

摩尔质量/

温度/℃8169.5

密度/kg/0.851.087

874.34763.77

①液相平均摩尔质量:

液相平均密度为:

精馏段的液相负荷

汽相平均摩尔质量:

汽相平均密度为:

精馏段的汽相负荷

精馏段的负荷列于表4。

表4精馏段的汽液相负荷

名称液相汽相

平均摩尔质量/26.8928.729

平均密度/819.0551.017

体积流量/2.0693081.10

4.2提馏段

整理提馏段的已知数据列于表5,采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷,结果列于表6。

表5提馏段的已知数据

位置塔釜进料板

温度/℃96.477

密度/kg/0.85

874.34

液相平均密度:

提馏段的液相负荷

提馏段的汽相负荷

表6提馏段的汽液相负荷

平均摩尔质量/20.6622.478

平均密度/912.6750.761

体积流量/4.1553221.65

4.3全塔的流量由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大,为便于制造,我们取两段的塔径相等。

有以上的计算结果可以知道:

汽塔的平均蒸汽流量:

汽塔的平均液相流量:

汽塔的汽相平均密度:

汽塔的液相平均密度:

5.塔径的计算

塔径可以由下面的公式给出:

由于适宜的空塔气速,因此,需先计算出最大允许气速。

初步设定板间距

板上清夜层高度取0.06m

功能参数:

从史密斯关联图查得:

由于,需先求平均表面张力:

全塔的平均温度:

在此温度下,平均摩尔分数为

查《化工原理》书379页液体表面张力共线图并计算出液体表面张力

史密斯关联图是按液体表面张力的物系绘制的,若所处物系的表面张力为其他值,则需按式校正查出的负荷系数,即:

取安全系数为0.7

则取适宜的空塔气速

塔径的确定:

气相流量

塔径

根据塔径系列尺寸圆整为

6.1确定塔板的流型由于塔径大于800mm,所以采用单溢流型分块式塔板。

6.2塔板尺寸

选取,而0.7

所以0.63m

即

然后根据上表弓形降液管的宽度与面积即可查出

从而计算出:

塔板总面积

弓形溢流管宽度

弓形降液管面积

液体在精馏段降液管内的停留时间

液体在提馏段降液管内的停留时间

6.3弓形降液管

6.3.1堰上液流高度

本设计采用平堰,则堰上液头高应在（6~60mm之间）。

对于平堰,则堰上液头高可用佛兰西斯公式计算:

对于式中液流收缩系数E可用下表差得.03

则计算

当平堰上液头高时,采用平堰。

6.3.2堰高

采用平直堰,一般应使塔板上得清夜层高度50~100mm,而清夜层高度,因此有:

取,则

6.3.3溢流管底与塔盘间距离h0

由取0.07

则0.0017/（0.720.07）0.03373m0.02m取30mm

故降液管底隙高度设计合理

选用凹形受夜盘,深度55mm

6.4浮阀数目及排列

采用F1型重阀,重量为33g,孔径为39mm。

6.4.1浮阀数目

阀孔数n取决于操作时的阀孔气速,而由阀孔动能因数决定。

浮阀数目

气体通过阀孔时的速度

一般8~11,对于不同工艺条件,也可以适当调整。

取动能因数,那么,因此

个取n63

6.4.2排列

阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。

按等腰三角形排列:

取三角形底边固定为75mm

开孔鼓泡区面积:

则计算可得到

则t0.755/1150.07582.050取t70mm,画图知通道板上可排阀孔63个。

6.4.3校核

气体通过阀孔时的实际速度:

实际动能因数:

在9~11之间

开孔率:

开孔率在10%~14之间,满足要求。

7.塔高的计算

塔的高度可以由下式计算:

已知实际塔板数为块,板间距由于料液较清洁,无需经常清洗,可取每隔7块板设一个人孔,则人孔的数目为:

个

取人孔两板之间的间距,则塔顶空间,塔底空间,进料板空间高度,那么,全塔高度:

8.流体力学验算

8.1气体通过浮阀塔板的压力降单板压降

气体通过浮阀塔板的压力降单板压降

8.2干板阻力

浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为:

因为

所以8.3板上充气液层阻力

取板上液层充气程度因数,那么:

8.4由表面张力引起的阻力

由表面张力导致的阻力一般来说都比较小,所以一般情况下可以忽略,所以:

0.7kpa

8.5漏液验算

动能因数,相应的气相最小负荷为:

其中

所以

可见不会产生过量漏液。

8.6液泛验算

溢流管内的清液层高度

其中,

所以,

为防止液泛,通常,取校正系数,则有:

可见,,即不会产生液泛。

8.7雾沫夹带验算

泛点率

查得物性系数,泛点负荷系数

泛点率71.7%

取两值中较大值71.7%80%可见,雾沫夹带在允许的范围之内

9.操作性能负荷图

9.1雾沫夹带上限线

取泛点率为80%代入泛点率计算式,有:

整理可得雾沫夹带上限方程为:

9.2液泛线

液泛线方程为

代入上式化简后可得:

9.3液体负荷上限线

取,那么

9.4漏液线

取动能因数,以限定气体的最小负荷:

9.5液相负荷下限线

取代入的计算式:

整理可得:

9.6操作性能负荷图

由以上各线的方程式,可画出图塔的操作性能负荷图。

根据生产任务规定的气液负荷,可知操作点P0.00146,1.103在正常的操作范围内。

连接OP作出操作线,由图可知,该塔的雾沫夹带及液相负荷下限,即由漏液所控制。

由图可读得:

所以,塔的操作弹性为

10.有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7

表7浮阀塔工艺设计计算结果

项目数值与说明备注

塔径0.9

板间距0.3

塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板

空塔气速1.397

溢流堰长度0.63

溢流堰高度0.0515

板上液层高度0.060

降液管底隙高度0.030

浮阀数个63等腰三角形叉排

阀孔气速11.637

阀孔动能因数10.972

临界阀孔气速11.20

孔心距0.075同一横排的孔心距

排间距0.07相临二横排的中心线距离

单板压降577

液体在降液管内的停留时间精馏段

提馏段

降液管内的清液高度0.146984

泛点率,%71.7

气相负荷上限1.20雾沫夹带控制

气相负荷下限0.39漏夜控制

开孔率,%12.47

操作弹性3.0873

11.各接管尺寸的确定

11.1进料管

进料体积流量

进料管内适宜流速一般取1.5~2.5取适宜的输送速度,故

经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87,规格:

实际管内流速:

11.2釜残液出料管

釜残液的体积流量:

塔釜出料管内适宜流速一般取0.5~1.0取适宜的输送速度,则

经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87,规格:

11.3回流液管

回流液体积流量

利用液体的重力进行回流适宜流速一般取0.2~0.5,取适宜的回流速度,那么

经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87,规格:

11.4塔顶上升蒸汽管

塔顶上升蒸汽的体积流量:

塔顶蒸汽的适宜流速为:

常压操作时取12~20,取适宜速度,那么

11.5水蒸汽进口管

通入塔的水蒸气体积流量:

蒸汽的适宜流速为:

三、辅助设备的计算及选型

12.1冷凝器热负荷

按泡点回流设计,即饱和蒸汽冷凝且饱和回流,采用25℃的水作为冷却剂,逆流操作,则QWr1r1VMVDr1

查液体的汽化潜热图,可知塔顶温度77℃下,

乙醇汽化潜热:

rA1050KJ/kg

水的汽化潜热:

rB2400KJ/kg

r1∑rixi1050×

0.91×

32+（1-0.91）×

2400×

1834464KJ/Kmol

故Q109.07×

34464/36001044.16KJ/s

又由于QKAΔtm则

因为K2800J/s?

m2?

K所以

12.