化工原理课程设计-年产3.3万吨乙醇浮阀精馏塔设计.doc
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1、 内蒙古科技大学课程设计说明书前言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并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。本次课程设计为年产3.3万吨乙醇浮阀精馏塔设计,塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触,达到相际传质及传热的目的。乙醇水是工业上最常见的溶剂,也是非常重要的化工原料之一,是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能,而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来,由于燃料价格的上涨,乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势,且已很多城
2、市的公交、出租车行业内被用作燃料。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔,20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究,逐步掌握了筛板塔的性能,并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比,板式精馏塔具有下列优点:生产能力(20%40%)塔板效率(10%50%)而且结构简单,塔盘造价减少40%左右,安装,维修都较容易。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节,通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法;学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧;掌握各种结果的校核,能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性,还要考虑生产上
3、的安全性、经济合理性。在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求,另外还要有一定的潜力。节省能源,综合利用余热。经济合理,冷却水进出口温度的高低,一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响,因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算,工艺计算,结构设计和校核。2010年7月6日前言1第一章 :设计方案的确定31.1 塔型选择31.2.设计依据41.2.1塔板类型:41.2.2操作压力:41.2.3进料状态:31.2.4加热方式:31.2.5热能利用方式:51.2.6回流方式
4、:5第二章 浮阀精馏塔工艺计算32.1工艺计算物料性质32.2 精馏塔的物料衡算62.2.1 全塔物料衡算62.3 操作线方程确定32.3.1 精馏段操作线方程32.4 理论塔板数的确定(图解法)32.5 实际塔板数确定112.5.1 计算塔板总效率112.6、塔及塔板主要工艺尺寸的计算132.6.1 设计中所用参数的确定132.6.2 初选塔板间距172.6.3 塔径的计算(以精馏段数据为准)172.6.4 塔径的圆整192.6.5 溢流装置与流体流型32.6.6塔板设计 24第三章板式塔的结构与附属设备33.1 塔体结构33.1.1 塔顶空间33.1.2 塔底空间33.1.3 人孔33.1
5、.4 塔高33.2 塔板结构3参考文献:3设计结果统计:34致 谢3第1章 :设计方案的确定1.1 塔型选择根据生产任务,若按年工作日330天,每天开动设备24小时计算,产品流量为由于产品粘度较小,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。故选用浮阀塔。 1.2.设计依据1.2.1塔板类型:浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点,而且操作弹性大,操作灵活,板间压降小,液面落差小, 浮阀的运动具有去污作用,不容易积垢堵塞,操作周期长,结构简单,容易安装,操作费用较小,其制造费用仅为泡罩塔的60%80%;又由于F1型浮阀塔结构简单,制造方便,节省材料,性能良好;另外轻阀压
6、降虽小,但操作稳定性差,低气速时易漏液。综上所述,选择F1型重阀浮阀塔。1.2.2操作压力: 对于乙醇水体系,在常压下已经是液态,且乙醇水不是热敏性材料,在常压下也可成功分离,所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加,尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用,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。综上所述,选择常压操作。1.2.3进料状态: 进料状态有五种,如果选择泡点进料,即q=1时,操作比较容易控制,且不受季节气温的影响,此外,泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同,设计和制造时比较方便。故本设计选用泡点进料。1.2.4
7、加热方式: 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热,设置再沸器。直接蒸汽加热只能用于塔底产物基本是水,由于蒸汽的不断通入,对塔底溶液起了稀释作用,在塔底易挥发物损失量相同的情况下,塔底残液中易挥发组分的浓度应较低,因而塔板数稍有增加,成本增加。故采用间接加热。1.2.5热能利用方式: 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。1.2.6回流方式: 泡点回流易于控制,设计和控制时比较方便,而且可以节约能源。第二
8、章 浮阀精馏塔工艺计算2.1工艺计算物料性质 1、文献,整理有关物性数据(1) 水和乙醇的物理性质物质 性质 分子式摩尔质量()乙醇C2H50H46.07水H2018.01表2.1、设计参数物性表2.2 精馏塔的物料衡算2.2.1 全塔物料衡算设备处理能力为3.3万吨/年,每年按330天计算,每天24小时连续运转。单位转换为:故原料液流量以()为单位:进料液组成: 出料液组成:釜残液组成塔顶的平均摩尔质量:原料液处理量: 故,由全塔物料衡算知:代入数据为:解得: , , .全塔物料衡算数据如下:F414.71kmol/h0.2069D101.84kmol/h0.8182W372.87kmol/
9、h0.007923表2-2全塔物料衡算数据2.3 操作线方程确定2.3.1 精馏段操作线方程2.3.1.1 最小回流比Rmin及操作回流比R的确定1、确定最小回流比Rmin由气液平衡相图可知: 由公式,知:2、选择适当回流比R(1)、塔顶挥发度的确定aD:求解塔顶相对挥发度因为,则查气液平衡相图,查得根据公式:代入数据 得:(2)、塔底挥发度的确定aW:由 查气液平衡相图,查得 根据公式:代入数据 得:(3)、全塔平均相对挥发度am全塔平均相对挥发度采用公式计算,得:2.3.1.2计算最小理论板数由公式:代入数据,得:图解法确定实际操作回流比随机选取R=(1.1-2.0)Rmin,即R1=1.
10、1Rmin、R2=1.2Rmin、R3=1.3Rmin、R4=1.4Rmin、R5=1.5Rmin、R6=1.6Rmin、R7=1.7Rmin、R8=1.8Rmin 、R9=1.9Rmin。、R10=2.0Rmin;当R1=1.1Rmin()2-1吉利兰图查吉利兰图,得:得: 同理,求得 R2=1.878、N2=10.1563R3=2.0345、N3=9.2212,R4=2.191、N4=8.6091,R5=2.3475、N5=8.0614,R6=2.504、N6=7.5583,R7=2.6605、N7=7.25,R8=2.817、N8=7.117,R9=2.974、N9=6.9764,R10
11、=3.13、N10=6.7089;做N-R图找到最佳回流比,如图估算实际回流比为:1 .精馏段操作线方程的确定精馏段操作线方程: 因 代入数据得: 故,精馏段操作线方程为:2 提馏段操作线方程的确定 本设计为泡点进料,故进料热状况参数 且, 由已知得: 因 提馏段操作线方程为 将以上数据代入上式得提馏端操作线方程为:2.4 理论塔板数的确定(图解法)参见附图1,可知理论塔板数为12(含再沸器)!,第10块板为进料板。2.5 实际塔板数确定2.5.1 计算塔板总效率1、操作平均温度下的粘度根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得: 塔顶: 塔底: 塔顶和塔底的算术平均温度:由化工原理上册(天津大学出
12、版社,夏青 陈常贵)书中附录7查得,在87.83下,根据公式:得:2、求算全塔操作温度tm下的相对挥发度由于,查气液平衡相图,得:根据公式:得:3、利用奥康奈尔关联式计算塔板总效率根据公式:得:4、计算实际塔板数根据公式:得: 则实际塔板数为29块。2.6、塔及塔板主要工艺尺寸的计算2.6.1 设计中所用参数的确定2.6.1.1 定性温度的确定定性温度分为精馏段定性温度和提留段定性温度两个参数 已知: 又由由化工原理上册(天津大学出版社,夏青 陈常贵) 得进料液温度: 则:精馏段平均温度提馏段平均温度2.6.1.2精馏段参数(1)平均组成精馏段平均温度,参考气液平衡相图可确定精馏段的平均气液相
13、组成,(2)精馏段气液相体积流率及密度的确定 即: 即:(3)精馏段液液相体积流率及密度的确定已知,查表知,则:并且:得:精馏段液液相体积流率为:即: (4) 精馏段液体表面张力的确定 塔顶温度tD=78.27C,由化工原理上册(天津大学出版社,夏青 陈常贵)书中附录7查得 2.6.1.3提馏段参数 (1)平均组成,参考气液平衡相图可确定提馏段的平均气液相组成:,(2) 提馏段气液相体积流率及密度的确定 即: 即:得:精馏段液液相体积流率为即: (4) 精馏段液体表面张力的确定 进料 查得, 2.6.1.3提馏段参数 (1)平均组成,参考气液平衡相图可确定提馏段的平均气液相组成:,(2) 提馏
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