化工原理课程设计(二).docx

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1、化工原理课程设计(二) 化工原理课程设计（二）说明书乙醇水系统浮阀精馏塔设计学生姓名：? 学校：? 专业班级：? 101 学号：10412041 指导老师：? 时间：2022.07.06 化工原理课程设计任务书学生姓名： 王亮 学号： 10412041设计题目：板式精馏塔设计一、乙醇水系统精馏塔设计试按塔底条件，设计用乙醇水溶液的 常压浮阀精馏塔。原料为含乙醇 30%（质量 分率，下同）的液体，处理量为 6000kg/h， 要求馏出液含乙醇 94%，馏出液中乙醇的回 收率为 98%， 可取回流比 5， 进料温度 20， 总板效率 0.6，塔板数计算方法选择逐板计 算法（用软件编程） 。2 目录

2、第一章 前言. 4 1.1 化工原理课程设计的目的及要求. 4 1.2 塔设备简介. 4 1.3 设计方案简介 . 5 第二章 设计内容. 5 2.1 设计方案的确定和论证. 5 2.1.1 塔型的选择 . 5 2.1.2 板型的选择 . 6 2.1.3 回流比的选择 . 6 2.1.4 压力的选择 . 7 2.1.5 加热剂的选择 . 7 2.1.6 冷却剂的选择 . 7 2.1.7 进料状态的选择 . 8 2.1.8 工艺流程说明 . 8 2.2 精馏塔的工艺计算. 9 2.2.1 物料衡算 . 9 2.2.2 塔板数的计算 . 11 2.2.3 塔径的计算 . 12 2.2.4 塔高的计

3、算 . 14 2.3 塔板结构设计. 15 2.3.1 溢流形式，降液管及溢流堰尺寸的确定 . 15 2.3.2 浮阀个数的计算及排列 . 16 2.4 塔板流动性能校核. 17 2.4.1 塔板流动性能的校核 . 17 2.4.2 塔板负荷性能图 . 19 2.5 辅助设备的设计. 22 2.5.1 辅助设备的计算 . 22 2.5.2 主要接管尺寸的确定 . 23 2.6 设计计算结果汇总表. 24 第三章 设计自我评述. 25 3.1 设计结果评述. 25 3.2 个人体会. 25 主要符号说明. 26 附录. 28 附录 1 乙醇水相平衡 t-x-y 图. 28 附录 2 浮阀塔工艺条

4、件图. 28 附录 3 乙醇水工艺流程图. 303 第一章前言1.1 化工原理课程设计的目的及要求课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用 本门课程及有关课程的基础知识去解决某一任务的一次训练。通过这一训练，学 生掌握化工单元过程及设备设计的基本程序和方法， 熟练查阅和正确使用技术资 料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强工程观念和实 践能力。为此，学生应在进行课程设计的实践过程中，以实事求是的科学态度严 谨，认真的工作作风完成设计方案简介、主要设备的工艺设计计算、辅助设备的 选型、工艺流程图、工艺条件图等内容。1.2 塔设备简介精馏塔是进行精馏的一种

5、塔式气液接触装置， 其工作原理是根据各混合气体 的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。 化工生产常需进行液体混合物的分离已达到提纯或回收有用组分的目的， 精 馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，掌握气液 相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种 参数是非常重要的。 精馏塔按传质元件区别可分为两大类，即板式精馏塔和填料精馏塔。为保证 精馏过程能稳定，高效地操作，适宜的塔型及合理的设计是十分关键的。为使精 馏塔具有优良的性能以满足生产的需要，通常考虑以下几方面因素。 （1）生产能力大：即单位塔截面可通过较大的气、

6、液相流量，不会产生液 泛等不正常流动。 （2）效率高：气、液两相在塔内流动时能保持充分的密切接触，具有较高 的塔板效率或较大的传质速率。 （3）流动阻力小：流体通过塔设备的阻力小，可以节能、降低操作费用。4 在减压操作时，易于达到所要求的真空度。 （4）有一定的操作弹性：当气、液相流量有一定波动时，两相均能维持正 常的流动，且不会使效率产生较大的变化。 （5）结构简单，造价低，安装检修方便。 （6）能满足物系某些工艺，如腐蚀性、热敏性、起泡性等特殊要求。1.3 设计方案简介本次设计是乙醇水系统的精馏， 要想把乙醇含量为 30%的溶液提升到高纯 度，需用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不

7、大。精馏是多次分离过 程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可使混合液得到几乎完全 的分离。 设计选用的浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备。 此设计针对二元物系 的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。 设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、工艺参 数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。辅助设备的选型、工艺流程 图、 主要设备的工艺条件图等内容。 通过对精馏塔的运算， 调试出塔的工艺流程， 生产操作条件及物性参数。以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。第二章设计内容2.1 设计方案的确定和论证 2.1.1 塔型的选择板

8、式塔具有压力降大，空塔气速小，塔效率稳定，液气比适应范围大，持液 量大，安装维修较易，造价低，重量轻等特点。 填料塔具有压力降小，空塔气速大，持液量较小，安装维修较难，造价高， 重量重等特点。5 一般来说， 对于物系无特殊工艺特性要求， 且生产能力不是过小的精馏操作， 宜采用板式塔。所以本设计塔型选择板式塔。2.1.2 板型的选择（1）筛孔塔板：通常简称筛板。塔板的气相通道是在塔板上冲压出的许许 多多均匀分布的小孔。塔板工作时，气体通过筛孔分散穿过塔板上的液相层，在 液相层内气液相充分接触进行传热传质。这种塔板的突出优点是结构简单，造价 低，塔板阻力小。若设计合理并操作得当，能很好满足生产过程

9、的弹性要求，而 且塔板效率较高，目前已经发展为常用塔板之一。 （2）泡罩塔板：是工业上应用最早的塔板，其结构特征是塔板上的气体通 道由升气管和泡罩组成。工作时，塔板上的液层高度高于泡罩下端缝隙的高度， 形成液封，气体经过升气管穿过塔板，在泡罩的顶端回转并沿泡罩底端的缝隙均 匀地进入塔板上的液相层，进行两相传质。泡罩塔板不易堵塞，对物料的适应性 强，历史上应用广泛。但泡罩塔板的结构复杂，制造成本高，塔板阻力大，近年 来已逐渐被其他型式的塔板所取代，其应用已逐渐减少。 （3）浮阀塔板：结构特点是在塔板上开出一些较大的孔，称为阀孔。在阀 孔上安装可上下浮动的阀片称为浮阀。 浮阀的开度可根据气体通过阀

10、孔的气速自 动调节。操作时，气体通过阀孔上升，在阀片的阻挡作用下气流转向，经过阀片 与塔板之间的间隙沿水平方向进入液体层，在液体层内实现气液相间的传质过 程。这种塔板操作弹性大，生产能力大，塔板效率高。浮阀塔板的主要缺点是浮 阀长期使用后，由于频繁活动而易脱落或被卡住，操作失常。为避免腐蚀或浮阀 与阀孔被粘住，浮阀和塔板一般均采用不锈钢材料。 由于浮阀塔板性能优越，具有显著的优点，所以本设计选用浮阀塔板。2.1.3 回流比的选择由 2.2.1 物料衡算可得最小回流比 Rmin=1.78。因为工程设计一般取实际回 流比 R=(1.22.0) Rmin，所以实际回流比 R 的范围为 2.143.5

11、6。对于难分离 的物系，宜选用较大的回流比。因此，本次设计选用的回流比 R=5。6 2.1.4 压力的选择精馏操作可以在常压、加压或减压下进行，操作压力的大小应根据经济上的 合理性和物料的性质来决定。如果待分离混合物为气相，只有在较高的压力下或 很低的温度下才能液化，若采用蒸馏的方法进行分离，应提高其操作压力，以保 证精馏过程的实现。如果该塔再沸器要采用其他精馏塔塔顶排出的蒸汽作为热 源，而该塔塔釜温度稍高，则也可以通过降低该塔操作压力的方法满足传热的要 求。 常压精馏最为简单和经济。 若物料性质无特殊要求， 应尽可能在常压下操作。 本次设计选择常压操作。2.1.5 加热剂的选择由于作为热源的

12、饱和水蒸气相对比较容易生产，输送，控制，并且具有较高 的冷凝潜热和较大的表面传热系数，所以，再沸器的热源通常选择饱和水蒸气。 如果再沸器热源要求温位过高， 也可以选择其他加热剂， 如燃料加热的导热油等。 如果在系统内某些工艺热物流的温位及热流量可以满足再沸器的需要， 也可以选 作加热剂，回收系统的热量，实现过程能量集成，降低系统的能耗。 在一般情况下，加热剂不能与塔内物料混合，故常采用间壁式换热器。但若 釜液为水溶液，且水为难挥发组分时可采用水蒸气直接加热。直接加热蒸气具有 较高的传热效率，并且可省去再沸器，减少设备投资费，且所用水蒸气的温位也 可稍低一些。 本次设计选用再沸器热源饱和水蒸气加

13、热。温度为 120，压力 1MPa。2.1.6 冷却剂的选择精馏塔常以循环冷却水为冷却剂。将热量从塔顶冷凝器中移出。冷却水进口 温度，随生产厂所在地全年气象条件以及凉水塔能力而定。在设计中通常按夏天 出凉水塔的水温度而定，使装置在最恶劣条件下也能正常运行。冷却水换热后温 升一般在 5-10或稍高一些，但出口温度一般不超过 50左右。否则，溶于水 的无机盐将析出、结垢，影响传热效果。为便于清洗，循环冷却水一般走冷凝器 或冷却器的管程。7 如果塔顶蒸气温度较高， 可用于作为其他冷物流的热源， 则既可省去冷却剂， 同时又回收了系统热量，降低了生产的成本。 本次设计选用 25工业水作为冷却剂。2.1.

14、7 进料状态的选择进料可以是过冷液体、饱和液体、饱和蒸气、气液混合物或过热蒸气。不同 的进料状态对塔的气、液相流量分布、塔径和所需的塔板数都有一定的影响，通 常进料状态由前一工序来的原料状态所决定。从设计角度来看，如果来的原料为 过冷液体，则可以考虑加设原料预热器，将料液预热到泡点，以饱和液体状态进 料。这时，精馏段和提留段的气相流率相近，两段的塔径可以相同，便于设计和 制造。另外，操作上也比较容易控制。对冷进料的预热器，可采用比再沸器热源 温位低的其他热源或工艺物流作为热源，从而减少过冷进料时再沸器热流量，节 省高品位热能，降低系统的有效能损失，使系统用能趋于合理。 本次设计选用预热器，将

15、20物料加热到泡点进料。 、2.1.8 工艺流程说明乙醇-水溶液经预热至泡点，进入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部 分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送到储槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器 供热，塔底产品经冷却后送入储槽。 精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却 器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分 离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。 乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板， 在进料 板上与自塔上部下降的回流液体汇合后， 逐板溢流， 最后流入塔底。 在每层板上， 回流液体与上升蒸气互相接触，进行热和质的

16、传递过程。8 2.2 精馏塔的工艺计算 2.2.1 物料衡算原料中乙醇含量的质量分率 wF =0.3，馏出量中乙醇含量的质量分率M M wD =0.94， 回收率 ?D =0.98， 进料量 F=6000Kg/h， 乙醇 =46g/mol， 水 =18g/mol。可得原料中乙醇含量的摩尔分率wF 0.3 M乙醇 46 xF ? ? ? 0.144 wF (1 ? wF ) 0.3 0.7 ? ? 46 18 M乙醇 M水xD馏出量中乙醇含量的摩尔分率0.94 46 ? ? 0.860 0.94 0.06 ? 46 18qnD x 0.144 ? ?D F ? 0.98 ? ? 0.164 qn

17、F xD 0.860 由 ， qnF ? qnD ? qnW qnW q ? 1 ? nD ? 1 ? 0.164 ? 0.836 qnF qnF可得又 qnF xF ? qnD xD ? qnW xW ，qnW q xW ? xF ? nD xD qnF ， 故有 qnF代入已知量得9 釜液中乙醇含量的摩尔分率 进料平均摩尔质量xw ?0.144 ? 0.164 ? 0.86 ? 0.00354 0.836M F ? 46 ? 0.144 ? 18 ? (1 ? 0.144) ? 22.03kg / molqnF ? 6000 ? 272.4kmol / h 22.03所以进料摩尔流量 由q

18、nF ? qnD ? qnW ， qnF xF ? qnD xD ? qnW xw 代入已知量得qnL ? R ? qnD ? 5 ? 44.67 ? 223.35kmol / h qnV ? (1 ? R) ? qnD ? 6 ? 44.67 ? 268.02kmol / hy? x R x ? D ? 0.83x ? 0.143 R ?1 R ?1qnD ? 44.67kmol / h ， qnW ? 227.73kmol / h精馏段因为 20物料加热到泡点进料，所以 q=1。 提馏段 qnL ? qnL ? qnF ? q ? 223.35 ? 272.4 ? 495.75kmol /

19、 h qnV ? qnL ? qnW ? 495.75 ? 227.73 ? 268.02kmol / h qnL q y ? x ? nW xW ? 1.85x ? 0.003 qnV qnV根据乙醇水 t-x-y 图查得y1 ? xD ? 0.86yF ? 0.496 yW ? 0.04由相对挥发度 ? ?x1 ? 0.84xF ? 0.144xW ? 0.00354y (1 ? x) 可得 ? D ? 1.17 ， ? F ? 5.85 ， ?W ? 11.72 x(1 ? y )所以平均相对挥发度? ? 3 ? D?W ? F ? 3 1.17 ? 5.85 ?11.72 ? 4.0由

20、于泡点进料，所以 xq ? xF ? 0.144yq ?最小回流比 Rmin ? xq ? xq ? (1 ? xq )?4.0 ? 0.144 ? 0.402 4.0 ? 0.144 ? (1 ? 0.144)xD ? yq yq ? xq0.86 ? 0.402 ? 1.78 0.402 ? 0.144又操作回流比 R ? (1.2 ? 2.0) Rmin ，所以 R 的范围为 2.143.56。10 2.2.2 塔板数的计算本次设计采用逐板法计算。已知精馏段方程 y ? 0.83x ? 0.143 ，提馏段方程y ? 1.85x ? 0.003 。相平衡方程 y ?4x 。 1 ? 3x

21、运用 Python 2.7 软件编程如下： xw = 0.00354 xF = 0.144 xD = 0.86 i = xD N = 1 a = 4 def J(x): y =0.83*x+xD/6 return y def T(x): y = 1.85*x - 0.003 return y def X(y): x = y/(a -(a -1)*y) return x i=x(xD) print 精馏段： print x1= %.4f,y1 = %.4f%(I,xD) while i = xF: y = J(i) i = X(y) N += 1 print x%d = %.4f,y%d = %.4f%(N,i,N,y) print 提馏段：11