乙醇正丙醇分離設(shè)計(jì)

1、. 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.設(shè)計(jì)題目：常壓連續(xù)篩板式精餾塔分離乙醇正丙醇二元物系的設(shè)計(jì)。2.原始數(shù)據(jù)及條件：進(jìn)料：乙醇含量0.5（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），其余為正丙醇，F(xiàn)=3400Kg/h,塔頂進(jìn)入全凝器，塔板壓降0.7Kpa。分離要求：塔頂乙醇含量0.90；回收率為0.95；全塔效率0.55。操作條件：塔頂壓強(qiáng)1.03atm(絕壓)； 泡點(diǎn)進(jìn)料； R/Rmin=1.6 。 3.設(shè)計(jì)任務(wù)：（1） 完成該精餾塔的各工藝設(shè)計(jì)，包括設(shè)備設(shè)計(jì)及輔助設(shè)備選型。（2） 畫出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、塔板版面布置圖、精餾塔設(shè)計(jì)條件圖。（3） 寫出該精餾塔的設(shè)計(jì)說明書，包括設(shè)計(jì)結(jié)果匯總和設(shè)計(jì)評價。.摘 要在本次任務(wù)中

2、，根據(jù)化工原理課程設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)的是乙醇-丙醇連續(xù)浮閥精餾塔，除了要計(jì)算其工藝流程、物料衡算、熱量衡算、篩板塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，以外，并對精餾塔的主要工藝流程進(jìn)行比較詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并畫出了精餾塔的工藝流程圖和設(shè)備條件圖。本次設(shè)計(jì)選取回流比R=1.8Rmin=1.6×1.34=2.144應(yīng)用圖解法計(jì)算理論版數(shù)，求得理論塔板NT為12塊（包括塔釜再沸器），第6塊為進(jìn)料板。設(shè)計(jì)中采用的精餾裝置有精餾塔 ,冷凝器等設(shè)備,采用間接蒸汽加熱，物料在塔內(nèi)進(jìn)行精餾分離,余熱由塔頂產(chǎn)品冷凝器中的冷卻介質(zhì)帶走,完成傳熱傳質(zhì). 塔的附屬設(shè)備中，所有管線均采用無縫鋼管。預(yù)熱器采用管殼式換熱器。用99.97塔釜液加熱

3、。料液走殼程，釜液走管程。本設(shè)計(jì)采用了篩板塔對乙醇-丙醇進(jìn)行分離提純，塔板為碳鋼材料，通過板壓降、漏液、液泛、液沫夾帶的流體力學(xué)驗(yàn)算，均在安全操作范圍內(nèi)。關(guān)鍵字： 乙醇-丙醇 篩板塔 物料衡算目錄第一章 概述51.1 精餾操作對塔設(shè)備的要求51.2 板式塔類型51.2.1 篩板塔51.2.2浮閥塔6第二章 塔板的工藝設(shè)計(jì)72.1 精餾塔全塔物料衡算72.1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率與物料衡算72.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾質(zhì)量72.2 理論塔板數(shù)的確定72.2.1 理論板層數(shù)NT的求取72.2.2 實(shí)際板層數(shù)的求取9第三章 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算103.1

4、操作壓力計(jì)算103.2 操作溫度計(jì)算103.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算103.4 平均密度計(jì)算113.5 液體平均表面張力的計(jì)算123.6 液體平均黏度計(jì)算14第四章 精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算154.1 塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算154.2 塔的有效高度的計(jì)算16第五章 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算175.1 溢流裝置計(jì)算175.2 塔板布置18第六章 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算206.1 塔板壓強(qiáng)降206.1.1 干板阻力計(jì)算。干板阻力由下式計(jì)算：206.2 液面落差216.3 霧沫夾帶量的驗(yàn)算216.4漏液的驗(yàn)算216.5 液泛驗(yàn)算21第七章 塔板負(fù)荷性能圖237.1 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）237.2 液沫夾帶線23

5、7.3 液相負(fù)荷下限線247.4 液相負(fù)荷上限線247.5 液泛線247.6 負(fù)荷性能圖25第一章 概述1.1 精餾操作對塔設(shè)備的要求精餾所進(jìn)行的是氣、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： () 氣、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 () 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 () 流體流動的阻力小，即

6、流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 () 結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 () 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 () 塔內(nèi)的滯留量要小。實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。1.2 板式塔類型 氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，本設(shè)計(jì)介紹板式塔。 板式塔為逐級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多

7、，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔、篩板塔，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此在此討論浮閥塔與篩板塔的設(shè)計(jì)。1.2.1 篩板塔篩板塔是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。處理能力大，

8、比同塔徑的泡罩塔可增加1015。塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。本設(shè)計(jì)采用其進(jìn)行二元物系的分離。1.2.2浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。國外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)

9、數(shù)百塊。浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)： 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加2040，而接近于篩板塔。操作彈性大，一般約為59，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多。塔板效率高，比泡罩塔高15左右。壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為400660N/m2。 液面梯度小。 使用周期長。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的6080,為篩板塔的120130。其缺點(diǎn)是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操 作工程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率下降。 第二章 塔板的工藝設(shè)計(jì)2.1 精餾塔全塔物料衡算2.1

10、.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率與物料衡算乙醇的摩爾質(zhì)量MA=46KgKmol,正丙醇的摩爾質(zhì)量MB=60KgKmol總物料F = D + W 易揮發(fā)組分 FF = DD + WW 若以塔頂易揮發(fā)組分為主要產(chǎn)品，則回收率為 式中 F、D、W分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃毫髁浚琸mol/h；F、D、W分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率。已知原料乙醇組成: XF =0.5塔頂組成: XD=0.92 F=3000Kg/h =0.95原料處理量 F=56.09 D= 22.77Kmol/h物料衡算式:F=D+W 64.15=33.86+W F XF=D XD+W XW 64.15&

11、#215;0.5=0.90×33.86+ W XW聯(lián)立代入求解: W=32.37Kmol/h XW=0.04832.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾質(zhì)量 MF=0.5×46+0.5×60=54.4Kg/kmolMD=0.9×46+0.1×60=47.12Kg/kmolMW=0. 053×46+0.947×60=59.33Kg/kmol2.2 理論塔板數(shù)的確定2.2.1 理論板層數(shù)NT的求取本設(shè)計(jì)采用圖解法求解理論塔板數(shù)。 由手冊查得乙醇正丙醇?xì)庖浩胶鈹?shù)據(jù)，繪出x-y圖，見圖2-1X/ 液相00.126 0.188 0.2

12、10 0.358 0.461 0.546 0.600 0.663 0.884 1.0 Y/ 氣相00.240 0.318 0.349 0.550 0.650 0.711 0.760 0.799 0.914 1.0 圖2.1乙醇-正丙醇x-y關(guān)系 求最小回流比與操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖2.1中對角線上，自點(diǎn)e（0.5,0.5）作垂線ef即為進(jìn)料線，該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為yq=0.671，xq=0.50故最小回流比為=取操作回流比為R=1.6=1.6×1.34=3.12 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷上升蒸汽量： =(2.144+1) ×33.86=93.81Kmol/

13、h下降液體量： =2.144×33.86=71.04Kmol/h上升蒸汽量： =V=93.81Kmol/h 下降液體量=L+F=72.60+64.15=126.18Kmol/h 求操作線方程精餾段操作線方程： 提餾段操作線方程： 5.圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論塔板數(shù)，如圖2.2所示.求解結(jié)果為總理論板層數(shù)N精=13.5 進(jìn)料板位置NT=62.2.2 實(shí)際板層數(shù)的求取精餾段實(shí)際板層數(shù)N精=5/0.555=11.5312提餾段實(shí)際板層數(shù)N提=7/0.555=12.513第三章 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 3.1 操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力PD=101.3kpa每層塔板壓降

14、P=0.7 kpa進(jìn)料板壓力PF=101.3+0.7×10=109.3 kpa精餾段平均壓力Pm=（101.3+108.3）/2=105.5 kpa塔釜壓力Pm=101.3+0.7×23=117.4 kpa提餾段平均壓力Pm=(108.3+117.4)/2=112.85 kpa3.2 操作溫度計(jì)算 進(jìn)料板溫度 塔頂溫度 塔釜溫度 精餾段平均溫度 提餾段平均溫度 3.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算由理論板的計(jì)算過程可知，x1=0.85 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算由理論板的計(jì)算過程可知，精餾段的平均摩爾質(zhì)量為 3.4 平均密度計(jì)算（1）氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方

15、程式計(jì)算，即（2）液相平均密度計(jì)算表 溫度 （）020406080100乙醇(kg/m3)829.1808.9787.9765.7742.3717.4正丙醇(kg/m3)828.9810.1790.6770.2748.7726.1液相平均密度計(jì)算依下式計(jì)算，即：塔頂液相平均密度的計(jì)算。由，查液體在不同溫度下的密度表得： 進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算。 由，查液體在不同溫度下的密度表得： 由，查液體在不同溫度下的密度表得： 精餾段的平均密度為：提餾段的平均密度為：3.5 液體平均表面張力的計(jì)算表 32溫度 （）020406080100乙醇(mN/m)2624.1122.1920.2518.2816.

16、29正丙醇(mN/m)26.7924.7923.1321.2719.417.5液相平均表面張力依下式計(jì)算，即：塔頂液相平均表面張力的計(jì)算。由，查液體表面張力共線圖得： 進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算。由，查液體表面張力共線圖得： 由，查液體表面張力共線圖得 精餾段平均表面張力為：提餾段平均表面張力為：3.6 液體平均黏度計(jì)算表 33溫度 （）020406080100乙醇(mPa·S)1.71.150.8140.6010.4950.361正丙醇(mPa·S)3.812.21.370.8990.6190.444液相平均黏度依下式計(jì)算，即：塔頂液相平均黏度的計(jì)算：由，查液體黏度共線

17、圖得： 精餾段液相平均黏度的計(jì)算：由，查液體黏度共線圖得： 精餾段液相平均黏度為： 第四章 精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算4.1 塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為：由，式中C由求取，其中由篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖查取，圖橫坐標(biāo)為取板間距，板上液層高度，則查篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖得取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為：按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為。塔截面積為： 4.2 塔的有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為：提餾段有效高度為：在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m，精餾塔的有效高度為：第五章 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算5.1 溢流裝置計(jì)算因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：（1）堰長取

18、 （2）溢流堰高度由 ， （3）選用平直堰，堰上液層高度由下式計(jì)算，即：近似取E=1，則取板上清液層高度故（3）弓形降液管寬度和截面積：由，查弓形降液管參數(shù)圖得： 則：，驗(yàn)算液體在降液管中停留時間，即：故降液管設(shè)計(jì)合理。（4）降液管底隙的高度取 ，則：故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤，深度。5.2 塔板布置（1）塔板的分塊。因，故塔板采用分塊式。（2） 邊緣區(qū)寬度確定：取，（3）開孔區(qū)面積計(jì)算。開孔區(qū)面積計(jì)算為：其中 故 （4）篩孔數(shù)與開孔率篩孔計(jì)算及其排列。由于正丙醇和異丙醇沒有腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：篩孔數(shù)目n為：開孔率為：氣體通過篩孔

19、的氣速為：第六章 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算6.1 塔板壓強(qiáng)降6.1.1 干板阻力計(jì)算。干板阻力由下式計(jì)算：由，查篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖得故6.1.2 氣體通過液層的阻力計(jì)算。氣體通過液層的阻力由下式計(jì)算，即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得故。6.1.3 液體表面張力的阻力計(jì)算。液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計(jì)算，即：氣體通過每層塔板的液柱高度按下式計(jì)算：氣體通過每層塔板的壓降為：6.2 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本設(shè)計(jì)的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。6.3 霧沫夾帶量的驗(yàn)算液沫夾帶按下式計(jì)算： 故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許的范圍內(nèi)。6.4漏液的驗(yàn)算對篩板塔，漏液點(diǎn)氣速按下式計(jì)算：實(shí)際孔

20、速穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。6.5 液泛驗(yàn)算為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從下式所表示的關(guān)系，即：乙醇異丙醇物系屬一般物系，取，則：而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，按下式計(jì)算：，故本設(shè)計(jì)中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。第七章 塔板負(fù)荷性能圖7.1 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）由得： 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表表7-1 漏液線計(jì)算結(jié)果 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 0.3892 0.4014 0.4163 0.4288 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線17.2 液沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：由在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表表7-2

21、 液沫夾帶線計(jì)算結(jié)果 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 1.218 1.158 1.081 1.016 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線27.3 液相負(fù)荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度=0.006作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn):據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線37.4 液相負(fù)荷上限線 以作為液體在降液管中停留時間的下限故據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。7.5 液泛線令由聯(lián)立解得忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得：式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表表7-3液泛線計(jì)算表 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 1.3639 1.2681 1.1310 0.99197.6 負(fù)荷性能圖項(xiàng)目數(shù)值123456789101112