化工原理课程设计乙醇—水混合物.docx

课程名称化工原理课程设计设计题目乙醇回收塔学生姓名专业班级学号设计日期 2023 年 1 月 2 日至 2023 年 1月 13 日设计体系： 乙醇水混合物设计条件:原料处理量：100 吨/天原料浓度：含醇 10.5%w%，其余为水原料温度：20设计要求：乙醇回收率 98% 操作条件：直接蒸汽加热指导教师2023 年11 月 10 日10名目一、 前言4二、 设计说明书符号表5三、 设计方案确实定6四、 物性参数6五、 回收塔的物料衡算8六、 回收塔理论板数 Nt 确实定9七、 回收塔工艺条件及有关物性数据计算11八、 回收塔主要工艺尺寸计算13九、 液体分布器及其他设备简要设计14十、 回收塔的关心设备计算18十一、 设计计算结果总表21十二、参考资料21 前言乙醇用途广泛，是根底的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取医药、染料、洗涤剂、涂料的重要原料之一。塔设备在肯定条件下，将能到达气液共存状态的混合物实现分别,纯化的单元操作设备。广泛用于炼油，精细化工，环境工程，医药工程和轻纺织工程等行业和部门中。塔设备与化工工艺密不行分，不管多好的工艺路线，没有良好的与之匹配的化工设备，就不会到达预期的设计效果，实现不了预期的设计指标。因此，塔设备是工艺过程得以实现的载体，直接影响生产产品的质量和效益。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。生产上对塔器在工艺上及构造上提出的要求大致有以下几方面：1生产力量大2分别效率高3操作弹性大4气体阻力小5构造简洁、设备取材面广等。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和修理等方面的因素。板式塔的争论起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据牢靠。尽管与填料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于构造简洁、造价较低、适应性强、易于放大等特点，因而在70 年月以前的很长一段时间内，塔板的争论始终处于领先地位。然而，70 年月初期消灭的世界能源危机迫使填料塔技术在近 20 年来取得了长足进展。由于性能优良的填料相继问世，特别是规整填料和型塔内件的不断开发应用和根底理论争论的不断深入，使填料的放大技术有了的突破，转变了以板式塔为主的局面。在我国，随着石油化工的不断进展，传质分别工程学的争论不断深入，使填料塔技术及其应用进入了一个崭的时期，其工业应用与兴旺国家并驾齐驱，进入世界先进展列。填料塔由填料，塔内件及筒体构成。填料塔的进展史中最主要的就是填料的进展史。由早期的碎石进展成为拉西环，弧鞍形填料等型填料。与板式塔相比，型的填料塔性能具有如下优点：生产力量大，分别效率高，压力降小，操作弹性大，持液量小等优点。本设计综合考虑流程，产量，分别要求，操作掌握等因素，承受填料塔实现乙醇回收目标。Mn摩尔质量，kg/kmol。填料层分层数。NT理论塔板数。p压强，Pa。p压降，Pa。Q换热器的热负荷，W。Re雷诺数，无量纲。t温度，。t对数平均温度差，。T确定温度，K。u空塔气速，m/s。uf空塔气体泛速，m/s。U喷淋密度，m3/(m2·h)。Umin最小喷淋密度，m3/(m2·h)。xD塔顶产品浓度。im二 设计说明书符号表L液相摩尔流量，kmol/h。F进料量流量，kmol/h。V汽相摩尔流量，kmol/h。D塔顶产品流量，kmol/h。V汽相摩尔流量，kmol/h。W塔底残液流量，kmol/h。W质量流量，kg/h。x液相摩尔分数。a质量百分比。A面积，m2。cp比热容，kJ/kg·K。d管径，mm。D塔径，m。d圆筒内径，mm。DN公称直径，mm。Hd塔顶空间高度不包括封头，m。HETP等板高度，m。K传热系数，W/(m2·)。l管长，m。LhLh,min液体喷淋量，m3/h。最小液体喷淋量，m3/h。三 设计方案确实定本设计任务为分别乙醇-水混合物，从而到达回收乙醇的目的， 承受回收塔操作。设计中承受泡点进料，将原料通过预热器加热 至泡点后送入回收塔内。乙醇常压下的沸点为 78.3，故可承受常压操作。塔顶上升汽承受全凝器冷凝。因所分别物系的重组分 为水，应选用水蒸气直接蒸汽加热方法，釜液直接排放。选取 125Y 型金属孔板波浪填料。四物性参数水和乙醇的物理性质名 分子式相 对 密 度 沸点 比 热 容 粘度称分 子 20 (101.33Kp 20 20 质量kg / m 320)Kg/(kg. mPa.s导热系数20/(m.外表张力20N/m水H2O18.029981004.1831.0050.59972.8乙C2H5OH46.0778978.32.391.150.17222.8醇常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表常压下乙醇水系统 txy 数据如表 16 所示。沸点 t/乙醇摩尔数/%表 16乙醇水系统 txy 数据液相气相1000095.50.0190.17890.0720.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23370.544582.30.26080.55881.50.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943图 2.x-y 平衡图图 1 水-乙醇平衡体系 t-x-y 图图 3 局部放大的 x-y 平衡图五 回收塔的物料衡算图 4 流程乙醇摩尔质量M=46g/mol水的摩尔质量M=18g/mol乙醇F = 100 吨/天 =198.98kmol/h原料液乙醇的摩尔分率：xF =0.105M 平均=0.105*46+(1-0.105)*18=20.94H2On=m/M 平均=4.78*106总n=0.105*n 总=0.5019*106乙醇n=(1-0.105)* n 总=4.296*106水F = D + WW = F = 198.98kmol/h对组分乙醇进展物料衡算得：Fx =Dx +WxFDWx(Fx - Dx)/WW =FD又由于 = Dx / Fx 得Dx = FxDFDF所以 x = x - Fx /W=(1- ) x =(1-98%)*10.5%=2.1*10-3WFFF六 回收塔理论板 Nt 确实定0.350.300.250.200.150.100.050.000.000.010.020.030.040.050.060.070.08图 5NT 确定，气相组成图解法图 6 局部放大图进气量变化对应 y 的不同取值1序号V kmol/h0F/V”y1153.893.690.38260.233.300.34368.272.910.30478.762.520.26593.072.130.226113.751.740.187146.251.360.148204.750.970.10V kmol/h0NT60.231068.277进气量的变化与理论板数的关系78.76693.075113.754146.253204.753图 7在流量到达 93.07 kmol/h 后，增加气量对理论板数影响不大，且进气量越大， 塔顶汽相组成越小，塔径越大，因此选择理论塔板数NT = 5，进气量 V0 =93.07kmol/h。提馏线方程：y=2.138x-0.0044897F=W=L=55.27mol/sD= V0=V=26.03mol/s七 回收塔工艺条件及有关物性数据计算1. 操作温度计算塔顶温度 tD=92.2塔底温度 tW=100 平均温度 t=( tD+ tW)/2=96.12. 平均摩尔质量计算由x =y =0.22,查平衡曲线得 x=0.027D1M=y M+1-y M1=24.16kg/kmolVD1乙醇1水M=x M+1-x M=18.756kg/kmolLD1乙醇1水由于塔底 x很小，塔底可看成只有主份水，故M=MWVW水=M=18kg/kmolLW全塔平均摩尔质量：M = (M+M)/2=21.08kg/kmolVVDVWM = (M+M)/2=18.378kg/kmolL3. 平均密度计算气相平均密度计算：LDLW由抱负气体状态方程得=PM /(RT)=101.3*21.08/8.314*(96.1+273.15)= 0.696kg/m3vV液相平均密度计算：由于操作过程中乙醇在液相中浓度很小可近似取 =960kg/m3l4. 液体平均外表张力计算液体平均外表张力依据 l= x 计算ii塔顶液相平均外表张力的计算：由t =92.2，查手册得 =1.61*10-3N/m, =61.79*10-3N/mD乙醇水=x +1-x =61.16*10-3N/mLD1乙醇1水塔底液相平均外表张力的计算：由t =100, 查手册得 W=15.5*10-3N/m, =58.84*10-3N/m乙醇水 LW=xW 乙醇+1-xW 水=58.74*10-3N/m平均外表张力为： =(+)/2=59.95*10-3N/mLLDLW5. 液体平均粘度计算液相平均粘度计算，即 = xi Li塔顶液相平均粘度计算：由t =92.2, 查手册得，=0.358mPa·s=0.3387 mPa·sD乙醇水=x +(1-x )LD1乙醇1水解得=0.898 mPa·sLD塔底液相平均粘度计算：由t =100, 查手册得，W=0. 3214mPa·s=0.2838 mPa·s乙醇水=x +(1-x )LWW乙醇W水解得=0.28 mPa·sLW液体平均粘度为： =+/2=0.589 mPa·sLLDLW八 回收塔的塔体主要工艺计算1. 塔径的计算承受气相负荷因子法计算适宜的空塔气速液相质量流量为： =LM =60.19*10-3*3600*18.1428=3931.25kg/hLL气相质量流量为： =VMV=30*10-3*3600*19.204=2074.032kg/hV流淌参数为： = / ( / )0.5 0.0489LVVL=查波浪填料的最大负荷因子图得，C=0.25smaxC =0.8 C=0.8*0.25=0.2ssmax由 C =u s/( L- )0.5 得u=C / /( - VVsVL)0.5=0.0976/0.696/(960-0.696)0.5=7.736m/sVD=4Vs/ u0.5=4*19753.64/(0.696*3600)/(3.14*3.152)0.5=0.385m圆整塔径，取 D=400mm 2.液体喷淋密度的验算U=Lh/(0.785D0.5)=3931.25/960/(0.785*0.40.5)=8.256m3/(· h)>0.2m3/( ·h) 3.填料层高度计算对 125Y 型金属孔板波浪填料，查手册得，每米填料理论板数为 11.2 块，取n =1t则 HETP=1/n =1mt填料侧层高度Z=Nt·HETP=5*1=5m Z´=1.3*3=6.5m4. 填料层的分段填料层的分段高度 h=(1520)HETP> Z´=6.5m故该填料层无需分段5. 填料层压降计算对于对 125Y 型金属孔板波浪填料，查手册得，每米填料层压降为 p/Z=2.0*10-4MPa/m填料层总压降为: p=6.5*2.0*10-4MPa=1.3kPa九 液体分布器及其他设备简要设计1 液体分布器选择布液点数为 n= (D/2)2*40=3.14*(0.4/2)2*40=5 点由于塔径D=0.4m<1.2m,故可用如图管式喷淋器布液计算：由Ls= /4d2n (2g H)0.5取 =0.65 ， H=160mmd=4Ls/ n /(2g H)0.50.5=4*100*1000/(3600*960*3.14*5*0.65)/(2*9.81*0.16)0.50.5=0.08m取 d=80mm故液体分布器如以下图所示：2 除沫器选择气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液滴能重返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。常用的除沫器有折流板式和填料层式。在此选用丝网膜除沫器9.1 管道设计与选择为削减气液进出塔对塔内操作的冲击，管径选取按下述条件：液体流速：uL蒸汽流速：u0= 0.11 m/s= 3050m/s9.2 塔顶蒸汽出口管径取 u=38m/s则蒸汽出口管管径： d=4D/( u)O.5=4*30/(3.14*38*640)0.5=V0.0396m圆整后 d=40mm选择 40×4 的管子9.3 进料管管径取 uL=0.7m/s则进料管管径： d=4F/( uLLF)0.5=4*60.19/(3.14*0.7*960)0.5=0.0337m圆整后 d=38mm选择 38×3 的管子9.4 塔釜出料管管径取 uL=0.7m/s则出料管管径：d=4WL/( uL LW)0.5= 4*60.19/(3.14*0.7*960)0.5=0.0337m圆整后 d=38mm选择 38×3 的管子9.5 塔釜进蒸汽管管径取 u=38 m/s则蒸汽进口管管径：d=4V/(u)O.5=4*30/(3.14*38*675)0.5=0.0396mV塔顶蒸汽出口管管径/mm 40×4进料管管径 38×3塔釜出料管 38×3塔底蒸汽进管 40×4圆整后 d=40mm选择 40×4 的管子管道规格表9.6 其他附件选择.1 筒体pD圆筒计算厚度， d = i2 s t f - p考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应在计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度 C2。由此得到筒体的设计厚为ddpD i+=C2 s t f - p2d式中d头系数.-圆筒设计厚度,mm； D -圆筒内径,mm； p-容器设计压力，MPa；f-焊接ipD由于 p 与 t 比很小,承受简写式:： d=s if + Cd2t2设计温度为 96.1，承受碳素钢钢板，查得钢号为 Q235-B，钢板标准为 GB912， 在此设计温度下的许用应力为 113MPa，计算压力p = 0.78 + 1 0 .13 2 5= 1 0 .20 0 K5 P a圆筒内径Di= 800mm焊接头系数f = 0.85= i则dpD+ Cd2 s t f2=0.10 ´ 800+ 2 = 2.416mm 2 ´113´ 0.85圆整后为 4mm，在钢号为 Q235-B，钢板标准为 GB912 的厚度 34mm 范围内。常温强度指标使用状钢号钢板标准厚度 mm100下的许用应态bMPasMPa力MPaQ235-BGB912热轧34mm375235113表压力容器用碳素钢钢板的需用压力2 封头选用标准椭圆形封头这种封头是由半个椭圆球和一段高度为 h0 的圆柱形筒节构成。曲面深度h=225mm查表，封头直边高度h0= 25mm封头高度：Z封= (h + h0)´ 2 = (225 + 25)´ 2 = 500mm.3 法兰由于在常压下操作 ,全部法兰均承受标准管法兰平焊法兰。选择公称压力PN=0.78MPa，公称直径为 400mm 的标准法兰。填料筒法兰查表选择如下参数：表 PN=1.0MPa 的甲型平焊法兰尺寸与质量法兰/mm螺柱对接筒体公称直径连接尺寸法兰盘厚度高颈尺寸质量数最小厚度DN/mm规格DD1D2D3D4d甲型平焊Hh12R/kg量/mm3004153803503403371826852512221212.5M16164.4 耳式支座AN 型耳式支座参数如下：表 AN 型耳式支座尺寸/mm支座本体适用容器高底板筋板螺栓(孔)支座支座允许载荷公称直径度质量号Q/(kN)DNHl1b1 1s1l2b2螺d/kg纹22205001000160125130840 100100524M201.55 塔总高度计算H = H+ Z + (n -1)H+ H =0.7+3.9+0+1.5=6.1mdfbdf式中：H 塔顶空间高度不包括封头，m。取 0.7 m。 H 液体再分布器的空间高度，m。bH 塔底空间高度，m。取 1.5 m。n填料层分层数。十 回收塔的关心设备计算1. 塔顶全凝器的计算与选择塔顶质量流量 =Dx M+1-x M =75*0.22*46+(1-0.22)*18=1812g/sDD乙醇D水查手册得，乙醇在水中摩尔浓度为 0.16 时，潜热为 1684.54J/g每秒塔顶组份完全冷凝所放出的热量：Q=1812*1684.54=3052386.48J用温度为 28的水冷凝，则t=28, t2=t =92.21D回凝器承受碳钢材质，查手册得 t=28,其热导率=51.36W/(m·)2t=92.2,其热导率=49.40W/(m·)1平均热导率：=(+)/2=50.38 W/(m·)m12管壁厚b=3mm=3*10-3m由Q=(t -t )/b/(A ) 得:12m mA =bQ/(t -t ) =3*10-3*2840134.44/(92.2-28)*50.38=2.631 m12取管内径d=80mm=0.08m,1由A = d L- d L/d /d 得:m2121L=A d /d / d - d =11.87mm2121取实际L=12m全凝器由 12 根 80mm*3mm 长为 1m 的碳钢构2. 进料换热器的计算进料质量流量 F=100*106/(24*3600)= 1157.4g/s进料时乙醇的浓度很底，故可将进料液看成全为水做近似运算查手册得 t =20时，水的比热容 C=4.18J/(g·)1进 料 加 热 到 泡 点 温 度tp=98.9 , 每 秒 所 需 热 量2Q=1157.4*4.18*(98.9-20)=381712.8348J用温度为 140的饱和水蒸气加热错流式 t ´=( t - t )/( t / t )=(140-98.9)-(100-20)/m2121(140-98.9)/(100-20)=58.4P = (t -t )/(T -t )=(98.9-20)/(140-20)=0.65752111R = (T -t )/(t -t )=(140-100)/(98.9-20)=0.5071221由P、R 查手册得 =0.95 t t = t ´=55.48m tm查手册得，热流体为水蒸气冷凝，冷流体为水的管壳式换热器的传热系数K 大致范围为 14204250W/(/),取 k=1500 W/(/)传热面积:A=Q/(k t )=1068789.34/(1500*55.48)=12.8 m取管内径d=0.08miL=A/( di)=12.8/( *0.08)=50.9m换热器由 33 根 80mm*3mm 长为 1.5m 的 1.5m 的碳钢管构成十一 设计计算结果总表气相平均密度Vkg/ m30.696液相平均密度L液相平均外表张力 Lkg/ m3N/m mPa/s96059.95*10-3液相平均粘度L0.589表 8-1 计算结果总表工程符号单位计算数据进料量流量Fmol/s55.27塔底残液流量Wmol/s55.27水蒸汽通入量V0mol/s26.03塔顶产品流量Dmol/s26.03液相摩尔流量Lmol/s55.27汽相摩尔流量Vmol/s26.03进料量浓度xF0.105塔底残液浓度xW2.1*10-3塔顶产品浓度xD0.22平均压强pmkPa101.7塔板数N块5塔的有效高度Zm6.5塔径Dm0.385空塔气速Um/s3.68塔内压降pPa780十一参考资料1 陈英男、刘玉兰.常用华工单元设备的设计M.上海：华东理工大学出版社， 2023、42 刘雪暖、汤景凝.化工原理课程设计M.山东：石油大学出版社，2023、5 3贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2023、8 4路秀林、王者相.塔设备M.北京：化学工业出版社，2023、15王明辉.化工单元过程课程设计M.北京：化学工业出版社，2023、6 6夏清、陈常贵.化工原理上册M.天津：天津大学出版社，2023、17 夏清、陈常贵.化工原理下册M.天津：天津大学出版社，2023、18 化学工程手册编辑委员会.化学工程手册气液传质设备M。北京：化学工业出版社，1989、79 刘光启、马连湘.化学化工物性参数手册M.北京：化学工业出版社，2023 10贺匡国.化工容器及设备简明设计手册M.北京：化学工业出版社，2023 11管国锋，赵汝溥。化工原理。其次版。北京：化学工业出版社，2023.