《化工原理课程设计》报告-乙醇水填料塔精馏装置设计.docx

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1、化工原理课程设计报告 乙醇水填料塔精馏装置设计目 录151、设计依据 /3 2、设计任务及要求 /3 3、设计计算 /43.1工艺物料计算 /43.1.1 原料液的组成 /43.1.2 最小回流比,操作回流比的计算 /53.1.3 塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算 /73.1.4 全凝器冷凝介质的消耗量 /74、主体设备计算 /84.1 塔径的计算 /84.1.1 泛点气速的计算 /8 4.1.2 塔径的计算 /94.2 塔高的计算 /94.2.1 计算塔高 /9 4.2.2 填料塔压降 /105、塔主要附属构件结构尺寸计算设计 /115.1 液体分布器 /115.1.1 计算喷淋密度

2、 /115.1.2 设计计算 /115.2 导流板 /115.3 各接管尺寸的确定 /115.3.1 进料管 /125.3.2 釜残液出料管 /125.3.3 回流液管 /125.3.4 塔顶上升蒸汽管 /135.3.5 水蒸气进口管 /136、主要辅助设备扬程 /136.1 进料泵 /136.1.1 泵的基本计算 /136.1.2 泵的选用 /146.2 再沸器 /14 6.3 冷凝器 /14 1、设计依据本设计依据于教科书的设计实例,对所提出的题目进行分析并做出理论计算。2、设计任务及要求原料:乙醇水混合溶液,日产量35吨 乙醇含量:35%(质量分数),原料液温度:25,压力:常压条件:泡

3、点进料,刚鲍尔环填料,塔顶压强为5kPa(表压) 加热蒸汽为压力0.17MPa(表压)的饱和水蒸气,冷却介质为25循环冷却水。设计要求:塔顶的乙醇含量不小于94.5%(质量分数) 塔底的乙醇含量不大于0.25%(质量分数)表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700

4、.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0表2 钢鲍尔环的结构特性参数公称直径/16253850个数/(1/)14300055900130006500堆积密度/()216427365395孔隙率/0.9280.9340.9450.949比表面积/()239219129112.3填料因子/()2992691531313、设计计算计算之前进行对物性数据的查询,部分物性数据列于表1、表2中,其

5、它数据见参考资料与互联网上资源。3.1 工艺物料计算3.1.1 原料液组成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。原料液的摩尔组成: 同理可求得: 原料液的平均摩尔质量: 同理可求得: 查表可得在25时,原料液中 ,由此可查得原料液、塔顶和塔底混合物的沸点,列表3 表3 原料液、溜出液、釜液的流量和温度名称原料液溜出液釜残液x/3594.50.25摩尔分数0.17400.87050.0010平均摩尔质量()22342.37418.208沸点()83.8378.1831.2 最小回流比、操作回流比的计算根据乙醇和水的两相平衡数据做汽液平衡图如下:由泡点进料,

6、可知,过点e(0.174,0.174)做一条直线X=0.174交平衡线与点d,读取,因此: 但是,当回流比减小到某一数值时,精馏段操作线首先与平衡线相切于e点,此时即使无穷多块等效塔板也不能跨越切点,故该点回流比为最小回流比,又过点a(0.8705, 0.8705)作平衡线的切线,切点为,读得其坐标为,因此: 而取(),操作线如下图:由此图作图可得填料塔等效塔板数为18块,精馏段15块,提馏段3块。精馏端操作线方程: 提馏段操作线方程: 3.1.3 塔顶产品产量、釜液量、及加热蒸汽量的计算每天开车24小时计,进料量为: 由全塔的物料衡算方程可得(设加热蒸汽量为,直接蒸汽加热): 可知,代入数据

7、解得: 且 3.1.4 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷:可以查得,所以:取水为冷凝介质,其进出冷凝器的温度分别为25和35则平均温度下的比热,于是冷凝水用量可求:4、主体设备计算4.1 塔径的计算4.1.1 泛点气速的计算计算泛点气速采用埃克特泛点气速关联图法,先求得横坐标: 然后查埃克特泛点气速关联图得对应的纵坐标,有: 根据纵坐标的计算式可以求出泛点气速u,再根据就可求出塔径。精馏段:冷凝器为全凝器,故可得:质量流速计算塔顶与进料口的算术平均值: 注:进料处的气相组成由乙醇-水的两相平衡数据表差得,再根据组成计算平均摩尔质量,计算方法与前面相同,故不列出。塔顶组成为,根据乙醇-水

8、系统t-x-y数据,用差值法计算塔顶温度: 解得塔顶温度,由此差得塔顶液相:,3,结合乙醇质量分数a=94.5,有: 在进料口有,乙醇质量分数a=35,有: 则 对于气相,根据,有: 塔顶 进料口 代入横坐标计算式有从埃克特图上查得纵坐标Y=0.21。查得塔顶粘度:,同样根据质量分数计算: 查得塔底粘度:,用相同方法计算: 由 代入以上数据解得: 提馏段: 提馏段与精馏段的计算方法一致,最后计算可得。4.1.2 塔径的计算对、安全系数取0.5-0.8,最终圆整可得u=1.2m/s。则有:4、2 塔高的计算4.2.1 计算塔高采用默奇等板高度经验公式: 取,。精馏段: 由之前的计算有: ,塔顶的

9、相对挥发度,进料口的相对挥发度,则 根据有:,代入数据解得: 精馏段填料高度:提馏段:提馏段的计算方法与精馏段一致,最终计算得,提馏段的填料高度塔釜高度:取装填系数为0.5,则有塔釜的高度:那么有塔高(不计入法兰和封头及群做的高度)。4.2.2 计算填料塔压降已经求出气速,再次利用埃克特压降通用关系图得精馏段的,在图上查得;提馏段的,在图上查到(注:)。所以可得精馏段的压降,而提馏段的压降。5、塔主要附属构件结构尺寸计算设计5.1 液体分布器槽式液体分布器具有较大的操作弹性和好的抗污堵性,具有优良的分布性能,应用广泛,故选用槽式液体分布器。51.1 喷淋密度的确定选用的钢鲍尔环的比表面积为23

10、9,查表4得没平方米喷淋点数为100 表4比表面积()125125300450700每喷淋点数100100806045-505.1.2 设计计算根据流体力学孔流公式,重力分布器的排液量与小孔数目及管径存在关系: 采用的打孔方式为冲孔,则,小孔以上的液高度h=0.025m,由于设计的Q很小,故采用规定中的最小值2.5mm。塔的筒体中使用锥形液体再分布器。52导流板由于此设计中的流体流速很小,故不需要设计导流板。5.3 各接管尺寸的确定5.3.1 进料管进料管的体积流量 取适宜的输送速度 ,可得: 经圆整选取冷轧无缝钢管,规格管内实际流速。5.3.2 釜残液出料管釜残液的体积流量 取适宜的输送速度

11、 ,可得: 经圆整选取冷轧无缝钢管,规格管内实际流速。5.3.3 回流液管回流液体的体积流量 取适宜的回流速度 ,可得: 经圆整选取热轧无缝钢管,规格管内实际流速。5.3.4 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量 取适宜的输送速度 ,可得: 经圆整选取热轧无缝钢管,规格管内实际流速。5.3.5 水蒸气进口管通入塔的水蒸气体积流量 取适宜的输送速度 ,可得: 经圆整选取冷轧无缝钢管,规格管内实际流速。6、主要辅助设备计算6.1 进料泵6.1.1 泵的基本计算泵的体积流量为,选取安全系数为1.2,则有。由伯努利方程可得: 扬程 可认为,据题有, ,代入解得: 取安全系数为1.1,则实际泵的扬程6.

12、1.2 泵的选用由介质为乙醇-水,性质接近水,选用单吸收式清水泵,根据计算所得的泵的流量和扬程,由IS型离心泵系列特性曲线可查得选用泵型为 IS50-32-160。因设计要求的泵的扬程和流量都较小,故所选泵符合要求,不必进行扬程和流量的校核。对泵进行轴功率校核,计算公式为,查样本泵可取,代入计算得,达到要求。6.2 再沸器查得在0.1MPa,100时水的汽化潜热为2257.2kJ/kg,且有相变的质量流量为,由此可得再沸器的热流量: 表压为0.17MPa的饱和水蒸气,查表得温度为130,使其温度降到100。则有,。 传热温度差 传热面积。6.3 冷凝器由前面的物料衡算可知冷凝器的热量流量: 表压为0.17MPa的饱和水蒸气,查表得温度为130,使其温度降到100。则有,。 传热温度差 传热面积。参考文献:1陈敏恒 丛德滋 方图南编著 化工原理 北京:化学工业出版社 2005.122刁玉玮 王立业 喻键良编著 化工机械设备基础 大连:大连理工大学出版社 2006.123黄璐 王保国编著 化工设计 北京:化学工业出版社 2000.24匡国柱 史启才编著 化工单元过程及设备课程设计 北京:化学工业出版社 2007.95李志国 马玉仲编著 AutoCAD2009基础教程 北京:清华大学出版社 2008.7

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