化工原理课程设计完整版..doc
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化工原理课程设计完整版..doc
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————大学
化工原理课程设计
说明书
专业:
班级:
学生姓名:
学生学号:
指导教师:
提交时间:
成绩:
化工原理课程设计任务书
专业班级设计人
一、设计题目
分离乙醇-水混合液(混合气)的填料精馏塔
二、设计数据及条件
生产能力:
年处理乙醇-水混合液(混合气):
0.7万吨(开工率300天/年);
原料:
乙醇含量为40%(质量百分率,下同)的常温液体(气体);
分离要求:
塔顶乙醇含量不低于(不高于)93%;
塔底乙醇含量不高于(不低于)0.3%。
建厂地址:
沈阳
三、设计要求
(一)编制一份设计说明书,主要内容包括:
1、前言;
2、流程的确定和说明(附流程简图);
3、生产条件的确定和说明;
4、精馏(吸收)塔的设计计算;
5、附属设备的选型和计算;
6、设计结果列表;
7、设计结果的讨论与说明;
8、注明参考和使用的设计资料;
9、结束语。
(二)绘制一个带控制点的工艺流程图(2#图)
(三)绘制精馏(吸收)塔的工艺条件图(坐标纸)
四、设计日期:
2012年03月07日至2012年03月18日
沈阳化工大学化工原理课程设计目录
目录
前言 1
第一章流程确定和说明 2
1.1加料方式的确定 2
1.2进料状况的确定 2
1.3冷凝方式的确定 2
1.4回流方式的确定 3
1.5加热方式的确定 3
1.6再沸器型式的确定 3
第二章精馏塔设计计算 4
2.1操作条件与基础数据 4
2.1.1操作压力 4
2.1.2气液平衡关系与平衡数据 4
2.1.3回流比 4
2.2精馏塔工艺计算 5
2.2.1物料衡算 5
2.2.2热量衡算 9
2.2.3理论塔板数的计算 12
2.2.4实际塔板数的计算 13
2.3精馏塔主要尺寸的设计计算 15
2.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件 15
2.3.2.塔体工艺尺寸的计算 18
2.3.3填料层高度的计算 21
2.3.4填料层压降的计算 22
2.3.5填料层的分段 24
第三章附属设备及主要附件的选型计算 25
3.1冷凝器的选择 25
3.1.1冷凝剂的选择 25
3.2再沸器的选择 26
3.2.1间接加热蒸气量 26
3.2.2再沸器加热面积 26
3.3塔内其他构件 27
3.3.1接管的计算与选择 27
3.3.2液体分布器 29
3.3.3除沫器的选择 30
3.3.4液体再分布器 31
3.3.5填料及支撑板的选择 31
3.3.6裙座的设计 31
3.3.7手孔的设计 32
3.3.8塔釜设计 32
3.3.9塔的顶部空间高度 32
3.4精馏塔高度计算 32
第四章设计结果的自我总结和评价 34
4.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表 34
4.2精馏塔主要工艺尺寸 34
4.3同组数据比较 35
4.4设计结果的自我总结与评价 35
附录 37
一、符号说明 37
二、不同设计条件下设计结果比较 38
沈阳化工大学化工原理课程设计前言
前言
在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中,气液传质设备必不可少。
塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。
填料塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。
填料的上方安装填料压板,以防被上升气流吹动。
液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。
气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。
填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。
当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集中的趋势,使得塔壁附近的液流量逐渐增大,这种现象称为壁流。
壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均,从而使传质效率下降。
因此,当填料层较高时,需要进行分段,中间设置再分布装置。
液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分,上层填料流下的液体经液体收集器收集后,送到液体再分布器,经重新分布后喷淋到下层填料上。
填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。
填料塔也有一些不足之处,如填料造价高;当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面,使传质效率降低;不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料;对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
但近年来又倾向于认为在一定塔径范围内,采用新型高效填料(如鲍尔环或鞍型填料)可以得到很好的经济效果。
总之根据不同的具体情况(特别是在小直径塔,或压降有一定限制,或有腐蚀情况时),填料塔还是具有很多适用的。
本次课程设计就是针对乙醇-水体系而进行的常压二元填料精馏塔的设计及相关设备选型。
由于此次设计时间紧张,本人水平有限,难免有遗漏谬误之处,恳请老师指出以便修正。
39
沈阳化工大学化工原理课程设计第一章流程确定和说明
第一章流程确定和说明
选择精馏设备,首先应从经济考虑,在充分考虑整个系统热能的利用,降低操作费用。
另外还应考虑到它对操作稳定性的影响,塔的操作如不稳定就不能保证产品质量的均匀,具体情况如下:
1.1加料方式的确定
加料方式有两种:
高位槽加料和泵直接加料。
采用高位槽加料,通过控制液位高度,可以得到稳定的流量和流速,通过重力加料,可以节省一笔动力费用,但由于多了高位槽,建设费用相应增加;采用泵加料,受泵的影响,流量不太稳定,流速也忽大忽小,从而影响了传质效率,但结构简单,安装方便。
如果采用自动控制泵来控制泵的流量和流速,其控制原理较复杂,且设备操作费用高。
本设计采用高位槽进料。
1.2进料状况的确定
进料状况一般有冷液进料和泡点进料。
对于冷液进料,当组成一定时,流量一定,对分离有利,节省加热费用。
但冷液进料受环境影响较大,对于沈阳地区来说,存在较大温差,冷液进料会增加塔底蒸汽上升量,增加建筑费用。
采用泡点进料,不仅对稳定塔操作较为方便,且不受季节温度影响。
综合考虑,设计上采用泡点进料。
泡点进料时,基于恒摩尔流假定,精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等,故精馏段和提馏段塔径基本相等,制造上较为方便。
1.3冷凝方式的确定
塔顶冷凝采用全冷凝器,用水冷凝,在常压下乙醇和水不反应,且容易冷
凝,故用全冷凝器符合要求。
1.4回流方式的确定
回流方式可分为重力回流和强制回流。
对于小塔型,回流冷凝器一般安装在塔顶,其优点是回流冷凝器无需支撑结构,其缺点是回流冷凝器回流控制较难。
如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时,回流冷凝器不适合于塔顶安装,且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。
在此情况下,可采用强制回流,塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。
本次设计为小型塔,故采用重力回流。
1.5加热方式的确定
加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热,直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内,由于重组分是水,故省略加热装置。
但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用,使理论塔板数增加,费用增加。
间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化,维持原来的浓度,以减少理论板数,缺点是增加加热装置。
本次设计采用间接蒸汽加热。
1.6再沸器型式的确定
再沸器的形式选用立式再沸器,在相同传热面积下,此种再沸器的体积小,节省费用,此外,蒸发釜的物料始终维持恒定的压力,传热情况稳定。
在塔釜和蒸发釜以及相接管道内的落热量少,可以减少物料的停留时间,避免长期受热。
沈阳化工大学化工原理课程设计第二章精馏塔设计计算
第二章精馏塔设计计算
2.1操作条件与基础数据
2.1.1操作压力
精馏操作按操作压力可分为常压、加压和减压操作。
精馏操作中压力影响非常大,当压力增大时,混合液的相对挥发度将减小,对分离不利;当压力减小时,对分离有利。
但当压力太低时,对设备要求太高,设备费用增加。
因此在设计时一般采用常压蒸馏乙醇—水系统在常压下挥发度相差较大,较易分离,故本设计采用常压精馏。
2.1.2气液平衡关系与平衡数据
表2-1常压下乙醇-水的气液平衡与温度关系
液相乙醇摩尔分数(x)
气相乙醇摩尔分数(y)
温度/
0
0
100.0
0.0190
0.1700
95.5
0.0721
0.3891
89.0
0.0966
0.4375
86.7
0.1238
0.4704
85.3
0.1661
0.5089
84.1
0.2337
0.5445
82.7
0.2608
0.5580
82.3
0.3273
0.5826
81.5
0.3965
0.6122
80.7
0.5079
0.6564
79.8
0.5198
0.5732
0.6599
0.6841
79.7
79.3
0.6763
0.7385
78.74
0.7472
0.7815
78.41
0.8943
0.8943
78.15
2.1.3回流比
通常R=(1.1~2.0)Rmin,此设计取R=1.5Rmin
2.2精馏塔工艺计算
2.2.1物料衡算
⑴物料衡算图
图2-1物料衡算图
——原料流量,;——馏出液流量,;
——釜液流量,;——原料中易挥发组分的摩尔分数;
——馏出液中易挥发组分的摩尔分数;——釜液中易挥发组分的摩尔分数。
⑵物料衡算
已知:
质量分数:
,
所以:
=
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。
进料液、馏出液、釜残液的摩尔组成:
同理可求得:
原料液的平均摩尔质量:
同理可求得:
塔顶液相、气相、塔釜、进料的温度分别为:
,,
查表2-1,用内插法解得
塔顶液相:
解得:
气相解得:
塔釜:
解得:
进料:
解得:
精馏段平均温度:
提馏段平均温度:
原料液:
总物料衡算:
易挥发组分衡算:
解得
塔顶产品的的平均相对分子质量:
塔顶产品质量流量:
塔釜产品质量流量:
⑶相对挥发度的计算
①精馏段:
液相组成:
解得:
气相组成:
解得:
精馏段:
②提馏段:
液相组成:
解得:
气相组成:
解得:
提馏段:
⑷求最小回流比及操作回流比
由于泡点进料所以。
由气液平衡数据表2-1,用内插法求
即解得:
⑸精馏段的气液相负荷
⑹物料衡算结果
表2-2物料衡算结果(a)
物料
流量
摩尔分数
进料
塔顶产品
塔底釜液
表2-3物料衡算结果(b)
物料
物流
精馏段上升蒸气量
提馏段上升蒸气量
精馏段下降液体量
提馏段下降液体量
2.2.2热量衡算
⑴加热介质的选择
常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。
饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。
由于饱和水蒸气冷凝时的传热系数很高,可以通过改变蒸汽压力准确地控制加热温度。
燃料燃烧所排放的烟道气温度可达到100~1000,适用于高温加热。
烟道气的缺点是比热容及传热系数很低,加热温度控制困难。
本设计选用300KPa(温度为140)的饱和水蒸气作加热介质。
原因,水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管,不但成本相应降低,塔结构也不复杂。
⑵冷凝剂的选择
常用的冷却剂是水和空气,应因地制宜地加以选用。
受当地气温限制,冷却水一般为10~25。
如需冷却到较低温度,则需采用低温介质,如冷冻盐水、氟利昂等。
本设计建厂地区为沈阳。
沈阳市夏季最热月份平均气温为。
故选用的冷却水的冷却水,选升温,故冷却水的出口温度是。
⑶热量衡算
塔顶温度,塔底温度,进料温度
①时塔顶气体上升的焓
塔顶以为基准,
②回流液的焓
注:
此为泡点回流,求得组成下的泡点,用内插法求得回流液组成下的。
求得
此温度下:
注:
回流液组成与塔顶组成相同
③塔顶流出液的焓
因馏出口与回流口组成一样,所以
④冷凝器消耗的焓
⑤进料口的焓
⑥塔底残液的焓
⑦再沸器
塔釜热损失为10%,η=0.9
设再沸器损失能量
加热器实际热负荷
解得:
表2-4热量衡算表
项目
进料
冷凝器
塔顶流出液
塔底残液
再沸器
平均比热
热量
2.2.3理论塔板数的计算
精馏段操作线方程:
由图解法求理论塔板数,根据乙醇—水的气液平衡数据可作气液相平衡方程,由
图2-2可知理论板数(包括再沸器),进料位置为第9块板,精馏段理论板数,提馏段理论板数。
图2-2理论板数图解法
2.2.4实际塔板数的计算
用康奈尔法对全塔效率进行估算:
表2-5不同温度下乙醇—水的粘度
温度/
根据表2-5,利用内插法计算得:
乙醇:
解得:
水:
解得:
乙醇:
解得:
水:
解得:
因为
精馏段粘度:
提馏段粘度:
⑴塔板效率的估算
塔板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关,它反应了实际塔板上传质过程进行的程度。
塔板效率可用奥康尔公计算。
式中:
——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度;
——塔顶与塔底平均温度下的液相粘度
精馏段:
已知:
,
所以
同理可知提馏段:
已知,
所以
⑵实际塔板数
块
块
实际塔板数块
全塔效率:
2.3精馏塔主要尺寸的设计计算
2.3.1塔和塔板设计的主要依据和条件
表2-6不同温度下乙醇—水的密度
⑴塔顶条件下的流量及物性参数
⑵进料条件下的流量及物性参数
精馏段:
提馏段:
⑶塔底条件下的流量及物性参数
⑷精馏段的流量及物性参数
⑸提馏段的流量及物性参数
⑹体积流量
塔顶:
进料:
塔底:
精馏段:
提馏段:
⑺液体平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算,即错误!
未找到引用源。
塔顶液相平均表面张力的计算
查手册得,
均表进料板平面张力的计算
查手册得
精馏段液相平均表面张力的计算
塔底液相平均表面张力计算
提馏段液相平均表面张力的计算
2.3.2.塔体工艺尺寸的计算
⑴填料选择
填料塔内所用的填料应根据生产工艺技术的要求进行选择,并对填料的品种、
材质及尺寸进行综合考虑,应尽量选用技术资料齐全,使用性能成熟的新型塔填料。
对性能相近的填料,应根据它们的特点进行技术、经济评价,使所选用的填料既能满足生产要求,又能使设备的投资和操作费用最低或较低。
填料是填料塔中汽液接触的基本构件,其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素,因此,塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。
鲍尔环由于环壁开孔,大大提高了环内空间,及环内表面的利用率,气流阻力小液体分布均匀,与拉西环相比,其通量可增加50%以上,传质效率可提高30%左右,鲍尔环是目前应用较广的填料之一。
对填料的基本要求有比表面积和孔隙率较大,堆积密度较小,有足够的机械强度,有良好的化学稳定行及液体的湿润性,价格低廉等
综合以上因素及鲍尔环的优点,本设计选用型填料。
表2-7填料尺寸性能表
填料名称
外径
高×厚
比表面积
空隙率
堆积个数
堆积密度
金属鲍尔环
注:
摘自《化学工程手册》第三卷P13-44表3-3
⑵精馏段
代入解得:
表2-8不同温度下水的密度
注:
摘自《化工原理》附录三P359
精馏段平均温度:
内插法:
解得:
又因,
查得注:
见《化工原理课程设计》P95表5-7
由
得
取解得
因为
因为常用的标准塔径最小是,故圆整后
式中——泛点气速,;
——重力加速度,;
、——气相、液相密度,;
——液体粘度,;
——泛点填料因子,;
——液体密度校正系数。
⑶提馏段
代入解得:
提馏段平均温度:
内插法:
解得:
取解得:
因为常用的标准塔径最小是,故圆整后,
所以取全塔塔径。
注:
应尽量使两段求得的相等。
若不等,可通过调整的取值,使两段相等且尽量圆整成小塔径,节省材料;若无法使两段相等,则将圆整为数值较大的。
⑷实际空塔气速的计算
①精馏段的计算
②提馏段的计算
2.3.3填料层高度的计算
⑴等板高度设计计算
①精馏段
式中——等板高度,;
——液体表面张力,;
——液体粘度,;
——常数;型其值为
已知:
,,
带入上式,
解得
②提馏段
已知:
,,
同理得:
采用上述方法计算出填料层高度后,还应留出一定安全系数。
根据设计经验,填料层的设计高度一般为,本次取。
——设计时的填料高度,;
——工艺计算时得到的填料高度,;
2.3.4填料层压降的计算
⑴精馏段
有上述计算可知
,,,,
查得(压降填料因子)
由前计算,查埃克特通用关联图见图2-3
⑵提馏段
有上述计算可知
,,,,
由前计算,查埃克特通用关联图见图3-1
,
全塔填料层总压强
图2-3埃克特通用关联图表
表2-9填料层高度和压降计算汇总表
项目
精馏段
提馏段
全塔
2.3.5填料层的分段
由于,故填料层分两段,每段。
沈阳化工大学化工原理课程设计第三章附属设备及主要附件的选型计算
第三章附属设备及主要附件的选型计算
3.1冷凝器的选择
本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器原理。
对于蒸馏塔的冷凝器,一般选用列管式,空冷凝螺旋板式换热器。
因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大,所以选用管壳式冷凝器,被冷凝气体走管间,以便于及时排除冷凝液。
冷却水循环与气体方向相反,即逆流式。
当气体流入冷凝器时,使其液膜厚度减薄,传热系数增大,利于节省面积,减少材料费。
3.1.1冷凝剂的选择
本设计建厂地址为沈阳,沈阳市夏季最热月份平均气温为。
冷却剂用深井水,冷却水出口温度一般不超过,否则易结垢,选择升温为,即冷却水出口温度为。
⑴冷却介质消耗
塔顶液相温,即;,即。
由表2-4可得
⑵计算冷却水流量
T1
⑶冷凝器的计算与选择
t2
T2
逆流:
t1
操作弹性为1.2,
查取有关数据如下
表3-1
管程数
管数
注:
摘自《金属设备》上册P118表2-2-5和P132表2-2-8。
3.2再沸器的选择
再沸器的选择决定于处理能力,操作条件及操作方法,本设计采用立式虹吸式再沸器,经处理后,放在塔斧内,选择蒸气选择133.3℃饱和水蒸气加热,传热系数取,。
3.2.1间接加热蒸气量
3.2.2再沸器加热面积
为再沸器液体入口温度;
为回流汽化为上升蒸气时的温度;
为加热蒸气温度;
为加热蒸气冷凝为液体的温度。
用潜热加热可节省蒸气量从而减少热量损失
因为
表3-2
管程数
管数
注:
摘自《金属设备》上册P118表2-2-5和P132表2-2-8。
3.3塔内其他构件
3.3.1接管的计算与选择
⑴进料管
本次加料选用高位槽进料,所以可取0.4~0.8m/s(见《浮阀塔》P195)。
本次设计取。
式中——进料液质量流量,;
——进料条件下的液体密度,。
圆整后内管重/(kg/m)
表3-4进料管参数表
内管
外管
半径
内管重
注:
摘自《浮阀塔》P197表5-3。
⑵回流管
冷凝管安装在塔顶是,回流液在管道中的流速一般不能过高,否则冷凝器高度也要相应提高,对于重力回流,一般取速度为,本次设计取。
圆整后
表3-5回流管参数表
内管
外管
半径
注:
摘自《浮阀塔》P197表5-3。
⑶塔顶蒸气接管
从塔顶至冷凝器的蒸气导管,尺寸必须适合,以免产生
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