化工原理课程设计精馏塔工艺设计-毕业论文.doc

生物科学技术学院生物工程专业课程设计化工原理课 程 设 计（2013-2014学年第一学期）题目名称： 精馏塔工艺设计 化工原理课程设计任务书专业：生物工程 同组成员：一题目：精馏塔工艺设计二设计条件：1基础数据：项目进料质量分率馏份质量分率残液质量分率冷却用水蒸汽流速年产量年工作日符号FDWT进T出uPn单位%m/sT/ad数据35900.009227520200003652操作条件：（加压 / 常压 / 减压）3进料热状态：（冷液进料 / 饱和液体进料 / 饱和蒸汽进料）三设计和计算内容全塔物料平衡计算（列出物料恒算表），塔内各点温度的确定，塔板数及进料位置的确定、塔径、塔高的计算及塔板结构尺寸的确定（含塔板布置图），塔板水力计算，塔板操作负荷性能校核，各主要接管的尺寸的选择计算、位置的确定，附属设备的选用计算和加热蒸汽及冷却用水消耗量的计算。四设计要求1写出设计计算说明书一份，包括：目录、任务书、前言、工艺流程图及流程说明，工艺设计计算结果汇总表，工艺管线接管尺寸汇总表，对设计结果的评价及问题的讨论，设计所用的参考书目（书名，著作，出版社，出版年月日）计算包括：主要设备的工艺计算（物料恒算，热量恒算，操作条件的确定，塔板数及进料位置的确定，必要的草图，选用的公式，经验公式要注明来源）。主要设备的结构尺寸的确定步骤，附属设备的选用计算。2附图：精馏塔的装配图（正视图，俯视图（管口位置），局部放大图），塔板布置图，酒精生产工艺流程图，操作负荷性能图，常压下乙醇水溶液的y-x 图（阶梯图，局部放大图）。图纸尺寸：A3 。 发出任务书时间： 年 月 日 完成设计时间： 年 月 日 指导教师：目录任务书2目录3前言4关键字4第一部分 设计方案的确定一、设计方案的内容5二、确定设计方案的原则5第二部分 板式精馏塔的工艺计算一、回流比的确定5二、实际塔板数的确定6三、物料衡算8四、热量衡算10第三部分 塔板和塔主要工艺尺寸设计一、初选塔板间距10二、塔径计算11三、塔板布置及板上液体流程12四、溢流装置12五、鼓泡区阀孔分布14第四部分 塔板的流体力学计算一、气相通过塔板的压降15二、降液管内液面高度16三、雾沫夹带16四、负荷性能图17第五部分 板式塔的结构设计一、塔板结构19二、接管结构19三、塔体、封头及入口20四、支座21五、补强圈22第六部分 塔式精馏塔的辅助设备设计一、冷凝器22二、加热蒸汽鼓泡管23三、除沫器23第七部分 设计结果汇总一、 工艺设计参数表24二、 塔和塔板的主要尺寸表25三、 板式塔结构参数表26第八部分 参考文献及设计论述27前言化工、石油、轻工业生产过程中，常要将均相液体混合物分离，以达到分离或回收有用组分的目的，分离均相液体混合物的方法中，常用蒸馏分离法，其在工业中应用范围十分广泛，是分离液体混合物的重要单元操作之一。各种混合物分离的方法，都是造成一个离相物系，利用均相混合物中各组分的某种物性的差异使其中某个组分或某些组分从一相向另一相传递，以达到分离的目的。蒸馏就是利用均相混合物中各组分挥发性的差异进行分离的一种单元操作。在一定的总压下，将均相混合物直接加热，使其部分汽化，使他们达到一定程度的分离，将液体部分汽化或部分冷凝后，最终得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较难挥发的组分。精馏塔是进行精馏的一种塔式气液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。 蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取用。塔底流出的液体，其余的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。 精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。 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，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，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重要的。 要想把低浓度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干塔板或填充一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实施整个操作。本设计是针对工业生产中常用的精馏操作而作的，对精馏操作的设备和工艺计算进行了初步的设计，设计的具体内容见以下章节。关键字：精馏塔 课程设计 化工原理第一部分 设计方案的确定一、 设计方案的内容：（一） 操作压力.确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。减压蒸馏应用于热敏性物料，减压操作组分之间相对挥发度较大有利于分离；加压蒸馏应用于沸点低，常压下呈气态的物料；本次设计用的料液为乙醇水溶液，无特殊要求，可选用常压蒸馏。（二） 进料状态本次设计采用泡点进料，泡点进料塔的操作比较容易控制，不致受季节气温影响。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计上和制造上比较方便。（三） 加热方式本次设计进料为乙醇水溶液，塔底产物基本上是水，且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大，所以采用直接蒸汽加热。节省设备费，且可用较低温度的蒸汽加热。（四） 热能利用 蒸馏过程中的特性是重复的进行汽化和冷凝，因此热效低，塔顶蒸汽和塔底残液都有余热可以利用，但在利用这些热量时需分别考虑这些热量的特点。二、 确定设计方案的原则总原则是在可能的条件下，采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进经济上最合理的要求。符合优质、高产、安全、低消耗的原则。（一） 满足工艺和操作的要求流程和设备首先必须保证产品达到要求，质量要稳定，其次，设计方案要有一定的操作弹性，流量应能在一定范围内进行调节，再次要考虑必须装置的仪表及其装置位置。（二） 满足经济上的要求（三） 保证安全生产第二部分 板式精馏塔的工艺计算一、 回流比的确定（一） 绘制相平衡曲线（见附图）（二） 各种组成的确定MA=46g/mol, MB=18g/mol XF=17.4%XD=77.885%XW=0.009%2.50.0035%（三） 温度的确定进料温度塔顶温度tD=78.354（四） 确定最小回流比Rmin在附图中，过（X0,Y0）点作相平衡曲线的切线，得截距B=40.66B= Rmin= -1=0.9155（五） 确定最小理论塔板数Nmin全回流情况下作图得Nmin=8（六） 确定回流比R取R为（1.22.5）Rmin查图得4-3，计算NN*RminR1.2Rmin1.5Rmin2.0Rmin2.5Rmin1.09861.373251.8312.28875(R-Rm)/（R+1）0.087360.19290.32340.4176(N-Nm)/(N+1)0/56170.45490.35450.2928N19.5315.5112.9411.73吉利兰图：0.75-0.75*N=根据R-N关系示意图，R= 取R=1.6 二、 实际塔板数的确定（一） 理论塔板数NTD=L=RD=1.669.78=111.648V=(R+1)D=2.667.68=181.428V=V0=V=181.428L=W=L+FF*xFL=W=L+F=111.648+321.05=432.698精馏段操作线方程=提馏段操作线方程在图1中，过（）点和（0，29.9558）作精馏线，过()做提级，到x2.4HT200300300350350450450600500800取HT=400mm，塔径的计算需求，C由下式计算：,由smith图查取，取板间距HT=0.4m，取板上液层高度hL=70mm，则HL-hL=400-70=330mm=0.33m史密斯关联图图中 HT塔板间距，m； hL板上液层高度，m；V ,L分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s； V，L 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 。二、塔径的计算1、 精馏段塔径计算查上表 C20=0.065表面张力计算混合物的临界温度计算查表得，Tc乙醇=243K，Tc水=374K气体负荷参数：U允许=空塔速度初步估算塔径为：由表，圆整取2、 提馏段计算查C20图：取C20=0.07表面张力计算：查图混合物的临界温度25时，乙醇水溶液表面张力气体负荷参数空塔速度:初步估计：由表 圆整D=1000mm最后取塔径D=1400mmHT=400mm三、塔板布置及板上液体流程D=1400mm查表得 液流程数为单流塔板，塔盘结构形式为分块塔板四、 溢流装置（一） 降液管1、 降液管面积查表 2、液体线速度：3、液体在降液管中的停留时间（1）精馏段（2）提馏段（二） 溢流堰1. 堰长：参照表 取 在0.60.8之间2. 堰高平堰上液流高度E液流收缩系数，一般取1how堰上液流高度Lh液流量Lw堰长（1） 精馏段（2） 提馏段堰高（1） 精馏段（2） 提馏段降液管底部与下一塔板的间隙h(三)受液盘及入口堰 采用凹形受液盘 深度为50mm由于受液盘对改变液体流向具有缓冲作用，所以不用设置入口堰（四）安定区与边缘区的安排1、 安定区安定区宽度Ws取90mm2、 边缘区边缘区宽度Wc取60mm五、鼓泡区阀孔分布1阀孔孔径d0按JB118-68选取孔径为39mm2.塔板上浮阀数与开孔率取（F0）c=12(1) 精馏段 在10%14%内（2）提馏段经计算，精馏段和提馏段的开口率均在10%14%之间查表得n=168块，t1=65mm，。3、 阀孔的排列按等腰三角形排列，采用叉排三角形底边t固定为75mm查表，取高度h=t1=65mm第四部分 塔板的流体力学计算一、 气相通过塔板的压降1. 干板压降hc（1） 精馏段（2） 提馏段2、 塔板上液层有效阻力hl （1） 精馏段有效阻力液柱（2） 提馏段有效阻力液柱3、塔底压力精馏段压降：提馏段压降：由前面求的Np=29块，精馏段塔板数ND=18块，提馏段塔板数Nw=11块塔底压降： 二、降液管内液面高度无入口堰（1） 精馏段液层高度 符合要求（2） 提馏段液层高度 符合要求三 液沫夹带液相流程长气相负荷因数 K：物性系数 CF泛点负荷因数K由P32得k=1 由板上液流面积：大塔：F1必须小于80%F1=48.52%液沫夹带量ev可控制在10%以下四 负荷性能图（一）气相下限操作线（1）漏液线当阀孔动能因数F0为56时，泄漏量接近10%，可作为确定气相负荷下限值的依据。取 取F0=5时 (二)过量雾沫夹带线（2线）F1=80%时，由（三） 液相下限线（3线）对平堰取堰上液流高度how=6mm作为液相负荷下限条件故方程为：（四） 液相上限线（4线）根据对液相在降液管内停留时间的要求取t=5s（五） 液泛线（5线）(六)操作负荷线（操作线）本设计中在负荷图上，通过l0（0，0）作操作线OAB符合画图时由于VS与LS相差有1000倍，特取10VS=100LS作图第五部分 板式塔的结构设计一 塔板结构（一）塔板结构塔径D=1400800所以采用单流分块式塔板塔板厚度为4mm。由黄皮书P-46 表8-1塔板分为4块：其中弓形板2块，通道板1块，矩形板1块。1、矩形板 短边长为420mm长边长L1=Dg-2b-56=1400-2（Dg是塔出标直径，b是弓形板宽Wd）2、通道板 短边长为400mm长边长L1=894mm3、弓形板 因为Dg2000mm，m=20mm 弧边直径D=Dg-2m=1400-220=1360mm 弓形板矢高e=0.5Dg-377(n-3)-18(n-1)-400-2m=0.51400-377(4-3)-18(4-1)-400-220=264.5mm （二） 受液盘结构本设计采用凹形受液盘，受液盘深度为50mmDg=1400mm 在8001400mm之间 所以取=4mm开两个直径为10mm的泪孔 （三） 降液板结构降液板长度就是堰长tw=1.029mm （四） 支承板和支承圈结构支承板厚度取10mm，宽度取50mm材料选用A3钢 （五）紧固件结构（1.两种龙门楔子承固件2.螺纹卡极紧固件）本设计用龙门楔子承固件，其结构简单，装拆方便，不需特殊钢材。二、接管结构（一）进料管液体流速uf=0.6m/sdF= 0.06879m=68.79mm取进料管如下（mm）内管dg1*S1外管dg2*S2abcH1H276*4108*41570305120150uF=0.52m/s(二) 回流管UL=0.45m/sdL=0.0644m=64.4mm取dL=65mm 外径D=76mm 壁厚=4mmUL=0.49m/s（三）塔釜金出料管Uw=0.6m/sdw=0.0696m=69.6mm取dw=65mm，D=76mm，壁厚=4mmUw=0.687m/s（四）进气管U=20m/sd=311.07mm取d=300mm，D=325mm，壁厚=8mmU=21.5m/s三、塔体、封头及人孔1、塔体 查表4-11塔体公称直径为1400mm 筒体壁厚为6mm；材料为A3钢2、封头公称直径Dg曲面高度h1直边高度h2内表面积F容积V1400mm350mm40mm2.29m0.421m 材料为A3钢，厚度为6mm，重量为106kg3、人孔 每隔9块塔开一人孔，人孔处两板间距为800mm公称直径DgDD1HH1Abb1S螺栓及螺母数量直径*长度5006005602331403251210616M16*45公称直径Dg标记常压人孔常压回转盖人孔总重kg标准图号总重kg标准图号500人孔Dg50042.1HG-21515-95-343HG21517-95-3四、支座（一）座体座体厚度SG基础环厚度S环地脚螺栓个数及公称直径4.0mm15.7mmZ-M:8-36圆整SG=4mm S环=15mm 座体高度取1700mm（二）基础环（是块圆形垫极将塔底传递下来的重量传递到基础上去） 由上螺栓尺寸M36裙座名义直径（mm）D1（mm）D2cm2D0cm2F环*102W环*1041400173016001200121.939.8（三）螺栓座螺栓直径M27d1d2s1sah1ll1D1b344026123001201+50D环外-130（D环外-D座外）/2（四）管孔选圆人孔d0=450mm 2个引出管通孔 250*S环排气管孔 4个五、补强圈接管公称直径100125500接管外径108133530补强圈内径112137534补强圈外径200250840第六部分 精馏塔的辅助设备设计一、冷凝器（一）冷凝器的放置方式卧式冷凝器（二）冷凝器的选型冷凝水走管程K=550w/m2冷却水进出口温度分别为20和70= Qc=7.224 106kJ/h所以A= 取一个A计=183m2的固定管板式换热器各换热器的基本参数如下：公称直径Dg=1000mm，管程数管子数量为801 管长l为6000mm换热面积公称值为180m2选用碳钢管25*2.5其管程通道截面积为0.2516m2公称压力pg=6kg/cm2二、加热蒸汽鼓泡管（直接蒸汽加热）（一）加热蒸汽用量GB=3.27 103kg/h（二）计算加热蒸汽管直径及孔数1、直径由前算得d=300mm2、孔数N0孔径d0=10mm 空心距t=8d0=80mmN0= 3、有效长度L=D-20=1400-20=1380mm4、排列孔数n= =17.25 185、孔的行数=N0/n=实际排列数n=实际排列数你n排列孔数n所以成立三、除沫器（一）除沫器结构选用大型除沫器，安装在塔顶人孔以下（二）除沫器直径气速u=0.107=m/s 在13m/s内除沫器直径D=四、输送机称离心泵的选取F-热料 m3/h G-冷却水 m3/h第七部分 设计结果汇总一、工艺设计参数表名称符号单位数值进料质量百分率（轻组分）aF35%馏出液质量百分率（轻组分）aV90%残液质量百分率（轻组分）aw0.009%进料中易挥发组分的摩尔分率XF17.4%产品中易挥发组分的摩尔分率XD77.885%釜液中易挥发组分的摩尔分率Xw0.0035%进料温度tF83.75塔顶温度tD78.354塔底温度tW99.992最小回流比Rmin0.9155最小理论塔板数Nmin块8回流比R1.6理论塔板数NT块14全塔效率ET45.6%实际塔板数NP块29进料平均分子量MFg/mol22.872塔底液相平均分子量g/mol18.00塔顶液相平均分子量g/mol39.8078塔底汽相平均分子量g/mol18.01塔顶汽相平均分子量g/mol41.08精馏段汽相密度Kg/m31.425提馏段汽相密度Kg/m30.5885进料液密度Kg/m3871.84塔顶液相密度Kg/m3757.804塔底液相密度Kg/m3958.382进料的摩尔流率FKmol/h321.05塔底产物的摩尔流率WKmol/h432.698塔顶产物的摩尔流率DKmol/h69.78精馏段液相摩尔流率LKmol/h111648提馏段液相摩尔流率L,Kmol/h432.698精馏段汽相摩尔流率VKmol/h181.428提馏段汽相摩尔流率V,Kmol/h181.428加热蒸汽摩尔流率V0Kmol/h181.428进料的体积流量FSm3/s2.34塔底产物的体积流量WSm3/s2.28塔顶产物的质量流量Kg/h2777.78精馏段汽相体积流量VSm3/s1.428提馏段汽相体积流量VS，m3/s1.542精馏段液相体积流量LSm3/s1.629提馏段液相体积流量LS,m3/s2.257塔底的摩尔汽化潜热rv,kJ/kmol40669.82塔顶的摩尔汽化潜热rvkJ/kmol39818.02冷却剂的质量流率GCKg/h3.27加热蒸汽的质量流率GBKg/h3.27加热蒸汽的冷凝潜热rBkJ/kg2258.02冷却剂的比热CPkJ/kg4.174冷却剂进口温度t122冷却剂出口温度t275冷凝器的热负荷QCKJ/h7.224加热蒸汽热负荷QBKJ/h7.38二、塔和塔板的主要尺寸表名称符号单位数值塔径Dmm1400塔板间距HTmm400堰长lwmm1029弓形宽度Wdmm225堰高howmm60降液管面积Afcm21609.79受液盘深度hmm60安定区Wsmm90边缘区Wcmm60阀孔孔径d0mm39阀孔个数n个168开孔率13.04%塔板上液层有效阻力hem液柱0.035精馏段干板压降hcm液柱0.052提馏段干板压降hcm液柱0.041塔底压力Pwkpu120.83精馏段液层高度Hdm0.156提馏段液层高度Hdm0.148泛点率F148.52%三、板式塔结构参数表名称符号单位数值塔板厚度mm4矩形板短边长mm400矩形板长边长L1mm894弓形板弧边直径Dmm1360弓形板矢高emm264.5进料管径dFmm144回流管径dLmm100塔釜出料管径dwmm80进气管径dmm400塔体壁厚mm4封头曲面高度h1mm350直边高度h2mm40封头内表面积Fm22.29封头容积Vm30.421人孔孔径Dgmm500座体厚度Scmm4基础环厚度S环mm15四、板式精馏塔辅助设备参数表名称符号单位数值冷凝器传热系数Kw/m2550冷凝器换热面积Am2194.2336冷凝器公称直径Dgmm1000冷凝器管长lmm6000管子数量S根801加热蒸汽鼓泡管孔数N0个1261有效长度Lmm1380实际排列数n列28除沫器气速um/s2.465除沫器直径Dm0.86第八部分 参考文献及设计论述一、 参考文献1. 王志魁等化工原理（第四版） 化学工业出版社2万惠萍主编浮阀式精馏塔设计 大连工艺大学化工原理教研室3其他参考书二、 设计论述 通过为期两周的课程设计实践学习环节，我组对于精馏单元操作的认识得到了进一步的升华。本次化工原理课程设计是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。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；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我们真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。在课程设计中，我组使用到了大量以前没有细化的知识，比如塔板工艺尺寸中，溢流堰高的计算、塔板间距的确定、塔体钢板的壁厚、封头的选型与补强等等。它让我们意识到了各门各科之间内在错综复杂的联系，提升了我们知识统合为一的能力。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。在实际计算过程中，我们还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我们在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我们直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，可以进一步再完善一下。 通过本次课程设计的训练，让我们对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。 最后还要感谢指导老师张良老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。第27页，共