填料塔乙醇连续精馏塔化工原理课程设计说明书Word文件下载.docx
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6.石油化学工业规划设计院.塔的工艺计算.北京:
石油化学工业出版社,1997
7.化工设备技术全书编辑委员会.化工设备全书—塔设备设计.上海:
上海科学技术出版社,1988
8.时钧,汪家鼎等.化学工程手册,.北京:
化学工业出版社,1986
9.上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京:
10.大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连:
大连理工大学出版社,1994
概述:
一精馏过程简述…………………………………………………..1
二精馏意义…………………………………………………………1
第一部分:
工艺设计
一设计任务…………………………………………………………1
二全塔物料衡算……………………………………………………2
(1)确定关键组分………………………………………………2
(2)换算成摩尔百分比…………………………………………3
(3)平均摩尔质量………………………………………………3
(4)全塔物料衡算………………………………………………3
三确定NT………………………………………………………….4.
(1)相平衡曲线…………………………………………………..4
(2)确定NT………………………………………………………4
四计算板效率ET……………………………………………………4
五摩尔流率的计算………………………………………………….5
六热量衡算………………………………………………………….5
七填料的选择……………………………………………………….7
八塔径的确定……………………………………………………….7
九调料层高度的确定……………………………………………...12
第二部分
一填料塔附件………………………………………………………..12
二塔道………………………………………………………………..12
三换热气……………………………………………………………..15
四贮罐………………………………………………………………..18
五泵…………………………………………………………………..18
第三部分
一总体校核……………………………………………………………19
二数据总汇……………………………………………………………20
三评价与说明……………………………………………………………21
三主要参考文献………………………………………………………21
年产4000吨填料塔乙醇连续精馏塔
设计内容:
乙醇精馏流程及意义:
1流程简述:
本流程为连续精馏,采用泡点进料,原料在预热器中预热至泡点后送入精馏塔,在进料位置与塔上部回流液汇合后,流入塔底的再沸器,回流液体在填料表面与上升气体相接触,进行热质传递过程。
塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余作为产品流出。
塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
2精馏意义:
乙醇作为常用溶剂广泛的应用于化工、药用行业,为了降低原料消耗和产品成本,通常设置乙醇回收装置,将使用过的或未反应的乙醇予以提浓回收,根据医药产品特点和工厂实验经验,设计乙醇连续精馏装置。
第一部分工艺设计
一设计任务:
年产量D=4000T/y;
原料液浓度为35%;
产品浓度为94%;
塔釜液中乙醇含量<
1%;
(以上均为质量分数)
操作压力:
常压;
二全塔物料衡算
1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率:
D=4000T/y;
WD=94%;
WF=35%;
WW<
这里取WW=1%;
说明:
(以上平均为质量分数)
分子量乙醇46g/mol;
水18g/mol;
2换算成摩尔百分比
由XA=aA/MA/(aA/MA+aA/MB)
XF=0.35/46/〔(0.35/46+(1-0.35)/18〕=0.174;
XD=0.94/46/〔(0.94/46+(1-0.94)/18〕=0.8597;
XW=0.01/46/〔(0.35/46+(1-0.01)/18〕=0.0039;
3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
由M=A×
XA+B×
XB得
MF=46×
0.174+18×
(1-0.174)=22.872;
MD=46×
0.0.8597+18×
(1-0.8597)=42.0744;
MW=46×
0.0039+18×
(1-0.0.0039)=18.1092;
4全塔物料衡算
每年以300个工作日计算;
DM=4000×
1000/(3600×
24×
300)=0.1543kg/s;
D=DM×
WD/46+DM×
(1-WD)/18=0.1543×
0.94/46+0.1543×
(1-0.94)/18=13.2024kmol/h;
总物料衡算F=D+W;
乙醇组分物料衡算FXF=DXD+WW;
联系上面的数据,并代入以上数据,得
W=53.2415kmol/h;
F=66.4439kmol/h;
三根据乙醇-水的汽液平衡数据做出Y-X曲线并确定理论板数NT。
1由乙醇-水的汽液平衡数据做Y-X曲线;
(见咐图)利用课本第71页数据数据作图得
曲线
(注意:
此图用大一些座标纸绘制,并列在说明书的附图中)
2确定Rmin及生产用R的选择
在相平衡曲线上,过点a(XD,XD)作相平衡曲线的切线,得挟点B,在坐标纸上查得此切线的Y轴截距XD/(Rmin+1)=0.2665,解之得Rmin=2.2236.由于R=(1.2∽2)Rmin,若取R=1.5×
Rmin=3.3394,经圆整,取R=4.
3确定理论塔板NT
过a点作截距Y=XD/(R+1)的直线,取泡点进料,则q=1,所以q线为过点(XF,0)且垂直于X轴的一条直线,求得此二直线的交点E.连结AC.其中C点坐标为(XW,XW)则为精馏操作线.在此坐标纸上,在操作线和相平衡线画理论板数,作图结果理论板数N=18块,其中精馏段理论板16块,第17块板为加料板,提馏段理论板1块.
四全塔效率ET
由Y-X-T图查表:
塔顶:
YA=XD=0.8598,XA=0.8493,TD=78.23°
C;
进料:
YF=0.5131,XF=0.1740,TF=83.9°
塔釜:
YW=0.0349,XW=0.0039,TW=100°
TM=(TW+TD)/2=(100+78.23)/2=89.1。
在此温度下查得水和乙醇黏度:
μ水=0.3112,μ醇=0.25;
μL=μ醇×
XF+μ水×
XF=0.3112×
0.25=0.3006mpa/s.
塔顶组成的相对挥发度为
α顶=YA/YB/(XA/XB)=0.8598/(1-0.8598)/〔0.8493/(1-0.8493)〕=1.0882;
加料组成的相对挥发度为
α中=YA/YB/(XA/XB)=0.5131/(1-0.5131)/〔0.1740/(1-0.1740)〕=5.0026;
塔底组成的相对挥发度为
α底=YA/YB/(XA/XB)=0.0349/(1-0.0349)/〔0.0039/(1-0.0039)〕=9.2362;
平均相对挥发度为
α=(α顶α中α底)1/3=(1.088×
25.0026×
9.2362)1/3=3.691;
ET=0.49×
(α×
μL)-0.245=0.49×
(3.691×
0.3006)-0.245=46.65%;
也可以用p118页图10-20查出。
或用ET=51-32.5lg(α×
μL)计算。
五.摩尔流率的计算:
精馏段液相摩尔流率为
L=R×
D=4×
13.2024=52.8096kmol/h;
精馏段气相摩尔流率为
V=(R+1)×
D=5×
13.2024=66.012kmol/h;
提馏段液相摩尔流率为
L=L+qF=52.8096+1×
13.2024=119.2535kmol/h;
提馏段气相摩尔流率为
V=V-(1-q)×
F=66.012kmol/h;
七、填料的选择:
由于鲍尔环具有生产能力大,阻力低,效率高,操作弹性大等优点,故选择鲍尔环作为填料。
选取25×
25mm瓷质乱堆的鲍而环,其比表面积a=220m2/m3,空隙率ε=0.76m3/m3。
堆积密度ρp=505kg/m3。
填料因子Ф=300m-1。
八.塔径的确定:
液体密度:
(1)乙醇(X24.2,Y48.6)
D塔顶:
ρ1=736kg/m3;
F塔进料:
ρ1=731kg/m3;
W塔底;
ρ1=716kg/m3;
(2)水
ρ2=736kg/m3;
ρ2=731kg/m3;
ρ2=716kg/m3;
精馏段:
(1)液相密度计算:
由1/ρL=X1/ρ1+X2/ρ2得:
乙醇:
ρ均=(ρ1+ρ2)/2=(736+731)/2=733.5kg/m3;
X均=(X1+X2)/2=(0.35+0.94)/2=0.645;
水:
ρ均=(ρ1+ρ2)/2=(972.38+969.265)/2=970.8225kg/m3;
X均=(X1+X2)/2=(0.65+0.06)/2=0.355;
1/ρL=0.645/733.5+0.355/970.8225=>ρL=803.2kg/m3;
(2)气相:
平均摩尔质量为M均=(22.872+42.0744)/2=32.4732;
T均=(78.2+83.9)/2=81.1;
PV=NRT=(m/M)RT得ρV=PM/RT=101.325×
32.4732/〔80.314×
(273.15+81.1)〕=1.1173kg/m3;
(3)液相质量流量WL=L×
x×
46+L×
(1-x)×
46=4×
13.2024×
0.645×
46+4×
(1-0.645)×
18=1904.314kg/h;
其中:
x=(0.94+0.35)/2=0.645
WV=V×
Y×
46+V×
(1-Y)×
46=5×
0.8483×
46+5×
(1-0.8483)×
18=2756.16kg/h;
其中:
Y=(0.8598+0.5131)/2=0.8483;
(4)(WL/WV)(ρV/ρL)0.5=(1904.34/2756.16)(1.1173/803.2)0.5=0.259
(5)由填料塔泛点和压降的通用关联图查得(教材第142页)
u2фψρVμL0.2/(g×
ρL)=0.075
其中μL=0.3006mpa/s;
ψ=ρ水/ρ醇=(972.38+969.265)/(736+731)=1.3235;
Ф=300;
ρV/ρL=1.1173/803.2;
解之得泛点气速为
uF=2.254m/s;
一般空塔气速为泛点气速得(0.5~0.8)倍,这里取70%,则设计气速为u=uF×
0.7=2.254×
0.7=0.911m/s;
气体的体积流量Vs=WV/(3600×
ρV)=2756.16/(3600×
1.1173)=0.685m3/s;
D=[4×
Vs/(π×
u)]0.5=[4×
0.685/(3.14×
0.911)]0.5=0.979m;
(6)精馏段压降:
在设计气速下u2фψρVμL0.2/(g×
ρL)=0.9112×
300×
1.1173×
1.3235×
0.30060.2/(9.81×
803.2)=0.036;
以0.036为纵坐标,以0.259为横坐标,的点落在填料ΔΡ=420Pa;
(7)实际板数的确定:
由精馏塔全塔效率关联图可知:
αμL=3.691×
0.3306=1.110
可以查出ET=48%;
所以实际板数N=14/48%=29.2=30块板。
提馏段:
(1)液相:
ρ均=(ρ1+ρ2)/2=(731+716)/2=723.5kg/m3;
X均=(X1+X2)/2=(0.35+0.01)/2=0.18;
ρ均=(ρ1+ρ2)/2=(969.265+959.021)/2=964.143kg/m3;
X均=(X1+X2)/2=(0.65+0.99)/2=0.82;
1/ρL=0.18/723.5+0.82/964.143=>ρL=909.681kg/m3;
M均=(18.1092+22.872)/2=20.4906;
T均=(83.9+100)/2=92;
由PV=nRT=(m/M)RT得ρV=PM/RT=101.325×
20.4906/〔8.314×
(273.15+92)〕=0.6848kg/m3;
(3)WL=L×
46=119.2535×
0.18×
46+119.2535×
(1-0.18)×
x=(0.01+0.35)/2=0.18
0.6515×
(1-0.6515)×
18=2392.4kg/h;
Y=(0.7899+0.5131)/2=0.6515
(4)(WL/WV)(ρV/ρL)0.5=(2747.6/2392.4)(0.6848/909.68)0.5=0.315
(5)由填料塔泛点和压降的通用关联图查得
ρL)=0.064
其中uL=0.3006mpa/s;
ψ=ρ水/ρ醇=964.143/723.5=1.3326;
ρV/ρV=0.6848/909.681;
解之得uF=2.254m/s;
0.7=1.482×
0.7=1.14m/s;
ρV)=2392.4/(3600×
0.6848)=0.970m/s;
0.970/(3.14×
1.14)]0.5=1.041m;
ρL)=1.142×
1.3326×
0.6848×
909.681)=0.031;
以0.031为纵坐标,以0.315为横坐标,的点落在填料ΔΡ=380Pa;
总结:
取较大塔径作为填料的内径D=1.041m,圆整后为D=1.2m;
九填料塔填料层高度的确定:
填料层高度计算采用理论板当量高度法
填料层高度为
H=NT×
HETP;
HETP-等板高度(即分离效果相当于一块理论板的填料层高度);
采用工业设备等板高度经验数据,25mm鲍尔环的等板高度一般为0.4~0.45,这里取0.4;
H=NT×
0.4=15×
0.4=7m;
第二部分辅助设计
一.填料塔的附属元件设计:
1填料支承装置:
填料塔在塔内无论是乱堆或整砌均需要放在支承装置上,支承装置要有足够的机械强度,才能承装置的自由截面积应大于填料层的截面积,否则流速增大时,将首先在支承处出现液泛现象。
本系列采用驼峰式支承装置。
驼峰式支承装置为单体组合式结构,它是目前最好的散装填料支承装置,没个单元体的尺寸为:
宽:
290mm;
高:
300mm;
能从人孔送入塔中。
单元体在塔中放置由凸台为边距,间隙10mm,以使液体自由流下。
2液体再分布器:
液体在填料内的均匀分布非常重要,它直接影响填料表面的有效利用率,如果特体分布不均,填料表面不能充分润湿,塔的效率就会下降,为此,必须在塔顶设置液体分布器,向填料层上面提供良好的液体出事分布,以保证有足够的分布均匀的喷淋点。
本设计选用分体盘式液体再分布器。
气相通过升气管进入上段填料段,从上层填料下来的液体则完全被收集,进而从盘底小孔分布到下层填料中,升气管一般高200mm,升气管上沿与挡夜板间距50mm左右,升气管直径为100~150,每排升气管间应设置液孔,分体盘式液体灾分布器,适用于不易堵塞的物料。
3喷头:
选用莲蓬式喷头
二.管道设计:
1进料管:
因为进料的性质与水相近,属低黏度液体,一般流速u取1.5~3.0m/s,这里取u=2m/s,
83.9°
C1/ρL=0.35/736+0.65/972.38
故ρL=871.84kg/m3
F=66.4439kmol/h;
MF=22.9kg/mol;
VF=F×
MF/(3600×
ρL)=66.4439×
22.9/(3600×
871.84)=4.84×
10-4m3/S;
d=[4×
VF/(π×
4.84×
10-4/(3.14×
2)]0.5=17.6mm=18mm;
故选取管径Ф22×
1.5mm;
校核:
d=4×
d2)=4×
0.0192)=1.708m/s;
2塔顶蒸汽出口管径:
常压气体流速u取10~20m/s;
此处取15m/s;
V=66.012kmol/h;
ρV=1.1173kg/m3d=[4×
u)]0.5=[4×
66.012×
42.08/(3.14×
15×
3600×
1.1173)]0.5=0.242m=250mm;
故选取管径Ф271.6×
10.8mm;
VS(π×
d2)=4×
42.08×
66.012/(3.14×
1.1175×
0.22)=14.08m/s;
3.回流液:
在78.21°
CF:
ρL=746.9kg/m3;
一般液体流速u取1.5~3.0m/s,这里取u=2m/s,VL=L×
MD/(3600×
ρL)=66.012×
42.08/(3600×
746.9)=10.33×
VL/(π×
10.33×
2)]0.5=0.0256mm=26mm;
故选取管径Ф28×
1mm;
9.6×
0.0262)=1.956m/s;
4.再沸器气体接管:
在在100°
ρV=0.6848kg/m3;
一般流速u取40~60m/s,这里取u=50m/s,VS=L×
ρL)=53.2627×
18.112/(3600×
0.6848)=0.391m/s;
0.391/(3.14×
50)]0.5=0.0998mm=100mm;
故选取管径Ф104×
2mm;
0.12)=49.81m/s;
三.贮罐选择:
原料液:
(1)原料液每天储藏量:
F=66.4439Kmol/h
m=F×
M×
24=66.4439×
22.872×
24=36472.9kg/day;
1/ρL=0.35/731+0.65/9969.265
故ρL=870.0kg/m3;
V=m/ρL=36472.9/870.0=41.6m3/day;
(2)产品每天储量:
D=13.2024Kmol/h;
1/ρL=0.94/736+0.06/972.38=>ρL=746.9kg/m3V=F×
24/ρL=13.2024×
24/746.9=17.85m3/day;
四.泵的选型:
选择:
因为V=1×
104m3/s=1.4m3/h;
所以选择IS50-32-125型:
流量V=3.75m3/h;
扬程H=5.4m;
η=43%;
轴功率0.13;
电机功率0.55;
必须气蚀余量2.0;
质量(泵/底座)32/38;
一总体校核:
1填料塔的操作范围的校核:
2板压降的校核:
(压将计算课本第142页例题)
(1)精馏段P=420Pa<
700Pa,所以符合要求。
(2)提馏段P=380Pa<
3全塔校核:
ET=48%>
40%,所以符合。
二数据总汇
数据总汇表
液体
质量分数
摩尔分数
摩尔流量(Kmol/h)
平均分子量(液体)
平均分子量(气体)
沸点°
с
进料液
35%
0.174
66.4439
22.872
32.41
83.9
产品液
94%
0.8598
13.2024
42.0744
41.84
78.2
残液
1%
0.0031
53.2415
18.1092
18.13
100
回流比
R=4
理论板
NT=15(块)第十二块为加料板
板效率
ET=48%
精馏段
L=52.8092Kmol/hV=66.012Kmol/h
提馏段
L=119.2523Kmol/hV=66.012Kmol/h
塔顶
进料
塔釜
相对挥发度
1.088
5.0026
9.2362
换热器
加热蒸汽用量或冷却水用量kg/h
热负荷kJ/h
塔底再沸器
1261.3
2.682×
106
预热器
163.8
3.484×
105
塔顶冷凝器
14170
0.595×
塔顶冷却器
1871.5
7.86×
104
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- 填料 乙醇 连续 精馏塔 化工 原理 课程设计 说明书