1、90%,92%,94%; 塔顶产品中乙醇的回收率:99% 生产时间: 300天（7200 h） 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1 1.5 90 1-42 1.5
2、92 5-83 1.5 94 9-124 1.75 90 13-165 1.75 92 17-206 1.75 94 21-247 2 90 25-288 2 92 29-329 2 94 33-36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: I need to design an ethanol - water continuous distillati
3、on. According to the characteristics of properties, product production and engineering, economic rationality to determine the type of the tower and operational conditions .Thinking about the requirements of raw materials and product and the determination of physical parameters, I can calculate of th
4、e size of the column , design the process and select the ancillary equipment , then complete the ethanol - water distillation process and the design of the main equipmentKey words: type, size, ancillary equipment, process一、概述 71.1 设计背景 71.2 设计条件 81.3 设计要求 81.4 设计说明书的主要内容 8二、计算过程 91. 塔型选择 92. 操作条件的确定
5、 92.1 操作压力 92.2 进料状态 102.3 加热方式 102.4 热能利用 103. 物料的工艺计算 103.1相对挥发度 113.2回流比R的确定 133.3 物料平衡 153.4 理论塔板层数的确定 154. 基本物性数据计算 164.1 精馏段 164.2 提馏段 184.3 全塔的流量 195. 塔径的计算 206.1 确定塔板的流型 226.2 塔板尺寸 226.3 弓形降液管 236.3.1 堰上液流高度 236.3.2 堰高 246.3.3 溢流管底与塔盘间距离h0 246.4 浮阀数目及排列 256.4.1 浮阀数目 256.4.2 排列 256.4.3 校核 267
6、. 塔高的计算 268. 流体力学验算 278.1 气体通过浮阀塔板的压力降单板压降 278.2干板阻力 278.4 由表面张力引起的阻力 278.5漏液验算 278.6 液泛验算 288.7 雾沫夹带验算 289. 操作性能负荷图 299.1 雾沫夹带上限线 299.2 液泛线 299.3 液体负荷上限线 299.4 漏液线 309.5 液相负荷下限线 309.6 操作性能负荷图 3010.有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7 3111. 各接管尺寸的确定 3211.1 进料管 3211.2 釜残液出料管 3311.3 回流液管 3311.4 塔顶上升蒸汽管 3311.5 水蒸汽进口管
7、34三、辅助设备的计算及选型 3412.1 冷凝器热负荷 3412.2 再沸器热负荷 3512.3 原料预热器 3512.4 泵的选择 3612.5 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
8、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
9、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
10、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
11、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。
12、 原料液的摩尔组成: 甲醇的摩尔质量为:32 kg/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 0.50 0.95 0.03摩尔分数 0.36 0.91 0.02流量 120.56 46.06 74.503.1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:A B C甲醇 7.19736 1574.99
13、238.86水 7.07406 1657.46 227.02 进料处:, 查图1得:t 77,利用安托因方程, 计算得出, 求得3.94 塔顶: 查图得t65.5, 同理求得, 此时的相对挥发度 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+1R图就可以求当R值时NR+1最小的为实际R 令,由不同得到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1.1、1
14、.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: 1.1 1.3 1.5 1.7 1.8 1.9 2.0R 0.792 0.936 1.08 1.224 1.294 1.368 1.440.04 0.112 0.173 0.227 0.250 0.274 0.2950.63 0.53 0.47 0.43 0.41 0.39 0.38N 15.22 0.50 10.32 9.53 9.17 8.84 8.68NR+1 27.27 22.79 21.47 21.19 21.03 20.93 21.18 验算:若时,可以用下公式: 若 则可 查图2。
15、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:R1.3683.3 物料平衡 精馏段操作方程: 精馏段液体的摩尔流量: 气体的摩尔流量: 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
16、质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/ 81 69.5密度/kg/ 0.85 1.087874.34 763.77 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/ 26.89 28.729平均密度/ 819.055 1.017体积流量/ 2.069 3081.104.2 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/ 96.4 77密度/kg/0.85874.34
17、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/ 20.66 22.478平均密度/ 912.675 0.761体积流量/ 4.155 3221.654.3 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
18、: 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
19、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（660mm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50100mm,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55mm6.4 浮阀数目及排列 采用F1型重阀,重量为33g,孔径为39mm。6.4.1
20、 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811,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n636.4.2 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911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
21、,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: 0.7kpa8.5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
22、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
23、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
24、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1.52.5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0.51.0取适宜的输送速度,则 经圆整选取热轧无缝钢管
25、GB 8163-87,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0.20.5,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1220,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 r1rixi10500.9132+（1-0.91）24001834464KJ/Kmol 故Q109.0734464/36001044.16KJ/s 又由于QKAtm则 因为 K2800J/s?m2?K所以12.
