毕业论文设计--乙醇丙醇筛板精馏塔设计化工原理课程设计.doc

吉林化工学院化工原理课程设计 吉 林 化 工 学 院 课 程 设 计设计题目：乙醇-丙醇筛板精馏塔设计课程设计任务书1、设计题目：乙醇丙醇二元筛板精馏塔设计2、设计基本条件：（1）操作平均压力：常压；（2）进料温度：tF=0.25（泡点）；（3）塔顶产品含量：xD=0.98 (质量分率)；（4）塔釜液含量0.035（质量分数）（5）加料热状况q=0.99 (6) 回流比R=(1.12.0)（7）塔顶采用全冷凝、泡点回流；（8）单板压降0.7 ；3、设计任务：（1）完成精馏塔工艺设计计算、设备设计计算（物料衡算、能量衡算和设备计算）；（2）精馏塔附属设备的简单计算和选用（3）撰写设计说明书（word文档上机打印）；（4）绘制乙醇丙醇精馏工艺流程图目录摘要5绪论6第一章 精馏塔的工艺条件及有关物性计算71.1：设计条件的确定：71.2：精馏塔全塔物料衡算71.2.1：温度的确定：71.2.2：饱和蒸汽压p的计算81.2.3:物料相对挥发度的计算：81.2.4密度的计算91.2.5: 塔顶液相平均表面张力的计算111.2.6: 粘度的计算121.3.1：理论板数的确定131.3.2:实际塔板数的确定141.4.:气液负荷计算：151.4.1精馏段的气液体积流率：151.4.2提馏段的气液体积流率15第二章 热量衡算162.1.比热容及汽化热的计算162.1.1塔顶温度下的比热容162.1.2进料温度下的比热容162.1.3塔底温度下的比热容172.1.4塔顶温度下的气化潜热172.2.热量衡算：172.2.10时塔顶上升的热量172.2.2回流液的热量（此点为泡点回流）182.2.3塔顶馏出液的热量182.2.4进料的热量182.2.5塔底残液的热量182.2.6冷凝器消耗的热量182.2.7再沸器提供的热量18第三章 塔板设计计算193.1塔体工艺尺寸的计算193.1.1精馏塔塔径的计算193.1.2精馏塔有效塔高的计算213.2塔板工艺尺寸的计算213.2.1溢流装置的设计21第四章 筛板塔的流体力学验证244.1：塔板压降244.2，雾沫夹带量的验算254.3.泛液的验算25第五章 塔板负荷性能图275.1：液沫夹带线275.2,，液泛线285.3.液相负荷上限线315.4.漏液线（气相负荷下限线）315.5.液相负荷下限线33第六章 附属设备设计356.1：塔封头356.2.塔顶空间356.3.塔顶空间356.4.人孔356.5.进料板处板间距366.6.裙座366.7.塔体总高度366.8主要接管尺寸的选取36第七章 结果汇总表39主要符号说明41主要符号说明表41结束语43化工原理课程设计教师评分表45摘要在这次任务中，设计的是筛板精馏塔和预热器。塔满足的要求：对摩尔分数为0.25的乙醇丙醇混合液进行分离，塔顶采出产品中，乙醇所占摩尔分率为0.98；釜液苯的摩尔分率为0.035。先进行物料衡算，据物料的物理性质及相关参考资料，选择适当的回流比和塔效率，初步求出塔的理论板数和实际板数，建立塔的框架。以此为基础，展开物料物理性质和塔工艺尺寸的计算：塔径，精馏段板间距，提馏段板间距；选用单溢流弓形降液管和凹形受液盘；并用流体力学对筛板进行验算，干板阻力、液沫夹带量、漏液量和液泛等均在工程设计要求范围之内，设计出了合格的精馏塔。塔顶采用全凝器，进料液用釜液预热。关键词：乙醇丙醇、筛板精馏塔、计算机编程和图解、精馏段、提馏段。绪论化工生产中，产品一般为混合物，要得到高纯度组分则必须对粗产品进行分离；如液固的分离有过滤操作，混合气体的分离有吸收操作；同样混合液体的分离操作有蒸馏和精馏。对工厂大批量生产过程中，精馏操作广泛用于液体混合物的分离；精馏塔又分为筛板塔、浮阀塔和喷射型塔等。相比之下：筛板塔具有容易堵塞，漏液量较大和操作弹性小的缺点；但它结构简单、设计简便、操作容易、生产能力大、压降小又经济的优点；故在生产尤其是中试装置中应用颇多。这次设计将让学生深深体会到知识在生产中的应用，很大的提高学生的自学能力，在设计过程中初步了解理论在世纪中的应用的重要，对实际过程有了初步的了解，增强我们动手能力也提高了我们的综合应用知识的能力。这次设计对学生的就业和考研深造均有很大帮助。我一定尽我所能完成此设计任务，不辜负大学里这种锻炼自己的机会，不辜负老师中对我们的指导，争取给老师一份满意的答卷，给自己满意的作品！第一章 精馏塔的工艺条件及有关物性计算1.1：设计条件的确定：1.2：精馏塔全塔物料衡算：（表1一1）乙醇丙醇平衡数据（三：物性函数计算：p=101.325kPa）序号液相组成气相组成沸点/序号液相组成气相组成沸点/10.0000.00097.1670.5460.71184.9820.1260.24093.8580.6000.76084.1330.1880.31892.6690.6630.79983.0640.2100.33991.60100.8440.91480.5950.3580.55088.32111.0001.00078.3860.4610.65086.251.2.1：温度的确定：利用上表中的数据，用数值插值法确定。进料温度：=89.67C1.2.2：饱和蒸汽压p的计算由安托因公式得：由温度-气相组成关系得：由（1）（2）（3）得塔顶：=78.66， =102.7, =48,12塔底：=96.24， =198.24， =97.68进料：=89.67， =156.17， =75.741.2.3:物料相对挥发度的计算：由以求得的饱和蒸汽压得， ，精馏段的平均相对挥发度：提留段的平均相对挥发度：平均相对挥发度： 1.2.4密度的计算：利用式 计算混合液体密度和混合气体密度。塔顶温度：=78.66气相组成：进料温度：塔底温度：表1-2 不同温度下乙醇丙醇类密度表：708090100110754.2742.3730.1717.4704.3759.6748.7737.5723.1714.2利用上表中数据利用数值差值法确定进料温度，塔顶温度，塔底温度下的乙醇（o）和水（w）的密度。1.2.5: 塔顶液相平均表面张力的计算温度t,708090100110,mN/m19.2718.2817.2916.2915.28,mN/m20.3419.4018.4517.5016.57进料板液相平均表面张力的计算塔底液相平均表面张力的计算精馏段的平均表面张力：提留段的平均表面张力：1.2.6: 粘度的计算表3-4 .混合物的粘度名称温度6080100乙醇0.6010.4950.361丙醇0.8990.6190.444根据图表1-3 和公式已知全塔平均温度t=88.57纯乙醇：纯丙醇：1.3.1：理论板数的确定由以上的计算得相平衡方程： 又q=0.96 q线方程：(2)由（1）（2）求得x=0.25 y=0.41则平衡方程： （1）精馏段操作线： （2）提留段操作线： （3） 第一块塔板上的气相组成：第一块下降的液相组成由（1）求取：=0.959 第二块塔板上升的气相组成由（2）求取：=0.962=924依次由（1）（2）式求得：=0.934=0.870=0.888=0.793=0.824=0.693=0.579=0.645=0.467=0.552=0.373=0.474=0.303因，依次使用（1）（3）式，求得：由于=0.0240.9m,故采用分块式塔板区边缘宽度，安定区宽度依式而代入（5）开孔数n及开孔率由于所处理的唔系无腐蚀性，可选用板厚为的钢板，取筛孔的孔径为孔中心距t，t=15mm，筛孔成正三角形排列筛孔数n：开孔率：每层塔板上的开孔面积气体通过筛孔的气速： 第四章 筛板塔的流体力学验证4.1：塔板压降气象通过筛板压降相当的液柱高度（1）干板压降相当的液柱高度依，查平筛孔的流量系数表知，根则：精馏段提馏段：（2）气体通过板上液层压降相当的液柱高度精馏段：由充气系数与的关联图，查取板上液层充气系数依式：提馏段：由充气系数与的关联图，查取板上液层充气系数依式（3）克服液体表面张力压降相当的液柱高度依式故：则单板压降：精馏段：（设计允许值）提留段：（设计允许值）4.2，雾沫夹带量的验算：已知公式依式：则精馏段液/kg气0.1kg液/kg气提馏段：液/kg气0.1kg液/kg气故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带4.3.泛液的验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清夜层高度精馏段：取，则故精馏段：则在设计负荷下不会发生液泛提馏段：取，则故提馏段，则在设计负荷下不会发生液泛根据以上塔板的各项流体力学验证，可以认为精馏段与提馏段塔径及各工艺尺寸是合格的。第五章 塔板负荷性能图5.1：液沫夹带线精馏段：取液沫夹带极限值液/kg气其中 （1）近似取 （2）已知并将式（1）（2）代入则：整理得：在操作范围内，任取几个值，依上式算出相应的值列于下表中表5-1 精馏段雾沫夹带线计算结果1.6461.5741.5141.460提馏段取液沫夹带极限值液/kg气 （1）近似取故 （2）已知并将式（a）（b）代入则整理得：在操作范围内，任取几个值，依上式算出相应的值列于下表中表5-2 提馏段雾沫夹带线计算结果1.8421.7041.6121.5355.2,，液泛线（1）精馏段：联立式（3-99）及式（3-73）得近似取故 （3）由式整理则整理：故（4）由式 （5）则将及式（3）（4）（5）代入与式即 整理得：（2）在操作范围内取若干值，依式（2）计算值，列于下表，依表中数据作出液泛线（2）如“精馏段负荷性能图“中的（2）所示表5-3 液泛线计算结果（精馏段）5.204.654.243.84（2）提馏段联立式（3-99）及（3-73）得近似取故： （）由式则：整理： (d)由式：将代入即得：整理得： （）在操作范围内，取值，依式（）计算值，列于下表中，仪表中数据作出泛液线（）如“提馏段负荷性能图”中的（）表5-4 液泛线计算结果（提馏段）4,774.314.003.735.3.液相负荷上限线精馏段：取液相在降液管中停留时间为4s，则液相负荷上限线（3）在坐标图上为与气体流量无关的垂直线，如（3）所示提馏段：取液相在降液管中停留时间为4s，则该液相负荷上限线（）在提馏段坐标图上为与气体流量无关的垂直线，如（）所示5.4.漏液线（气相负荷下限线）精馏段：由，代入漏点气速式：则前已算出为0.0791 ，代入上式并整理得：此即气相负荷下限线关系式，在操作范围内任取n个值，依式计算相应的值，列于下表中，依表中数据做气相负荷下限线（4）如精馏段负荷性能图所示表5-5 漏液线（气相负荷下限线）（精馏段）0.5820.6170.6390.657提馏段：由，代入漏点气速式：则前已算出为0.0791 ，代入上式并整理得：此即气相负荷下限线关系式，在操作范围内任取n个值，依式计算相应的值，列于下表中，依表中数据做气相负荷下限线（）如提馏段负荷性能图所示表5-6漏液线（气相负荷下限线）（提馏段）0.5140.5480.5700.5875.5.液相负荷下限线精馏段：取平直堰，堰上液层高度作为液相负荷下限线条件，取依式整理得： （5）此值在图上做线（5）即为液相负荷下限线提馏段：取平直堰，堰上液层高度作为液相负荷下限线条件，取依式整理得： （）此值在图上做线（）即为液相负荷下限线将精馏段5条线与提馏段5条线分别绘于（）图，5条线所围区域为精馏段（提馏段）塔板操作区，p为操作点，op为操作线，op线与线（1）的交点相应气相负荷为，可知本设计塔板上限有无沫夹带控制，下限由漏液精馏段负荷性能图 提馏段负荷性能图临界点的操作弹性：临界点的操作弹性：第六章 附属设备设计塔总体高度利用下式计算6.1：塔封头本实验采用椭圆形封头，由公称直径，查化工原理课程设计（王卫东编）附录2得曲面高度，直边高度，内表面积A=1.7117 ，容积V=0.2714 ，则封头高度6.2.塔顶空间设计中取塔顶间距，考虑到需要安装除沫器，所以选取塔顶空间1.2m。6.3.塔顶空间塔底空间高度是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m，则：6.4.人孔对的板式塔，为安装，检修的的需要，一般每隔6到8塔板设一个人孔，本塔中共有45块塔板，须设5个人孔，每隔人孔直径为450mm，在设置人孔处板间距塔板分块数塔径,mm 8001200140016001800200022002400塔板分块数 34566.5.进料板处板间距考虑在进口处安装防冲设施，取进料板处间距。6.6.裙座考虑到再沸器，取裙座高6.7.塔体总高度=(38-1-5-1)*0.4+0.8+5*0.6+1.2+2.55+0.34+3=23.296.8主要接管尺寸的选取（1）进料管料液流速：F=100Kmol/h 料液密度：体积流率：取管内流速：(取值)则进料管的直径：取进料管的尺寸：进料管参数表abc45761040155120150（2）釜液出口管已知釜液流率为103.74 Kmol/h 釜液密度：则：取管内流速为：取管尺寸：塔釜出料管参数表abc891081580356120150（3）塔顶蒸汽管体积流速： 取取管尺寸塔顶蒸气管参数表abc273325252501208150200第七章 结果汇总表筛板精馏塔结果汇总表项 目符 号单 位计算数据精馏段提馏段平均分子量气相kg/kmol49.8456.30液相kg/kmol51.3957.01各段平均温度84.1792.96平均密度气相1.83740.25液相2.06732.39各段平均表面张力18.3118.00各段平均粘度105.95115.75平均流量气相m3/s1.03271.0287液相m3/s0.0021940.004681实际塔板数块2117板间距m0.40.4塔有效高度m810.8塔径m1.21.2空塔气速m/s0.910.93塔板液流形式单流型单流型项 目符 号单 位计算数据精馏段提馏段溢流装置溢流管形式弓形弓形堰长m0.780.78堰高m0.0460.037溢流堰宽度m0.14760.1476管底与受液盘距离m0.0310.067板上清夜层高度m0.060.06孔径mm55孔间距mm1515孔数个40304030筛孔流速m/s13.0613.01塔板压降kPa0.4520.454液体在降液管中停留的时间s15.2710.19降液管内清液层高度m0.13100.05142液沫夹带泛点率0.0240.026液相负荷上限 0.00757 0.00757液相负荷下限5.874 5.874弹性操作2.312.75 主要符号说明 主要符号说明表符 号说 明单 位符 号说 明单 位苯堰长甲苯溢流堰高度塔顶堰上层高度进料板弓形降液管高度塔釜截面积液相塔截面积气相液体在降液管中停留时间摩尔质量降液管底隙高度最小回流比边缘区高度实际塔板数开孔区面积压强孔中心距温度开孔率密度阀孔数目个表面张力气体通过阀孔气速粘度干板阻力塔板间距气体通过降液层阻力板上液层高度气体通过表面张力阻力空塔气速气体通过每层塔板液柱高度直径气体通过每层塔板的压降有效高度液沫夹带量 符 号说 明单 位符 号说 明单 位进料温度管中心距水蒸气温度管程流动面积逆流平均温差管内流体流速密度管内雷诺准数比热容管程压降传热系数管程给热系数粘度管束中心线的管数壳程流动面积修正系数壳程内流体流速估计传热系数壳程内诺准数传热面积壳程给热系数外壳直径管外流动摩擦系数公称压降取垢校正系数管程数挡板数管长壳程压降管数计算的传热系数挡板间距实际传热面积结束语参考文献：（1）张受谦，化工手册，济南，山东科学技术出版社，1984年（2）王卫东，化工原理课程设计，化学工业出版社，2006年（3）赵红玲，王风坤，陈圣坤等译，吴江涛审定，原著第五版，气液物性估算手册，化学工业出版社（4）王志魁，化工原理，第三版，北京，化学工业出版社，2004年（5）贾绍义，柴诚敬，化工单元过程及设备设计课程设计，天津，天津大学出版社，2002年，3871，101133。 化工原理课程设计教师评分表评价单元评价要素评价内涵满分评分平时成绩20%出勤能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。10纪律学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料。10说明书质量30%说明书格式符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、量和单位及各种资料引用规范等。10工艺设计计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算，附属设备的选型等。20制图质量30%制图图形图纸的布局、线形、字体、箭头、整洁等。20制图正确性符合化工原理课程设计任务书制图要求，正确绘制流程图和工艺条件图等。10答辩20对设计方案的理解答辩过程中，思路清晰、论点正确、对设计方案理解深入，主要问题回答正确20指导教师综合评定成绩：实评总分；成绩等级 指导教师（签名）： 2011 年 月 日 注：按优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分以下）五级评定成绩。化工原理教学与实验中心 年 月 日45