乙酸乙酯-乙酸丁酯篩板精餾塔的設計

...---可修編.化工原理課程設計題目乙酸乙酯-乙酸丁酯別離板式精餾塔的設計系〔院〕化學與化工系專業(yè)化學工程與工藝班級2009級1班學生毋瑞仙學號2009010825指導教師賈冬梅職稱副教授二〇一一年十二月十日課程設計任務書一、課題名稱乙酸乙酯—乙酸丁酯別離板式精餾塔設計二、課題條件〔原始數(shù)據(jù)〕原料：乙酸乙酯、乙酸丁酯溶液處理量：5萬t/a原料組成：23%〔乙酸乙酯的質量分率〕料液初溫：2操作壓力、回流比、單板壓降：自選進料狀態(tài)：冷液體進料塔頂產(chǎn)品濃度：98%〔質量分率〕塔底釜殘液乙酸丁酯回收率為96%〔質量分率〕塔頂：全凝器塔釜：飽和蒸汽間接加熱塔板形式：篩板生產(chǎn)時間：300天/年，每天24h運行冷卻水溫度：20℃設備形式：篩板塔廠址：濱州市三、設計容〔包括設計、計算、論述、實驗、應繪圖紙等根據(jù)目錄列出大標題即可〕1、設計方案的選定2、精餾塔的物料衡算3、塔板數(shù)確實定4、精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算〔加熱物料進出口溫度、密度、粘度、比熱、導熱系數(shù)〕5、精餾塔塔體工藝尺寸的計算6、塔板主要工藝尺寸的計算7、塔板的流體力學驗算8、塔板負荷性能圖〔精餾段〕9、換熱器設計10、餾塔接收尺寸計算11、制生產(chǎn)工藝流程圖〔帶控制點、機繪，A2圖紙〕12、繪制板式精餾塔的總裝置圖〔包括局部構件〕〔手繪，A1圖紙〕13、撰寫課程設計說明書一份〔設計說明書的根本容：⑴課程設計任務書；⑵課程設計成績評定表；⑶中英文摘要；⑷目錄；⑸設計計算與說明；⑹設計結果匯總；⑺小結；⑻參考文獻〕14、有關物性數(shù)據(jù)可查相關手冊15、考前須知寫出詳細計算步驟，并注明選用數(shù)據(jù)的來源每項設計完畢后列出計算結果明細表設計最終需裝訂成冊上交四、進度方案〔列出完成工程設計容、繪圖等具體起始日期〕1.設計發(fā)動，下達設計任務書0.5天2.收集資料，閱讀教材，擬定設計進度1-2天3.初步確定設計方案及設計計算容5-6天4.繪制總裝置圖2-3天5.整理設計資料，撰寫設計說明書2天6.設計小結及辯論1天..--可修編...目錄摘要 1第一章概述④解得餾出液流量釜液流量塔頂塔底產(chǎn)品所以有：塔頂塔底產(chǎn)品3.2塔板數(shù)確實定理論板層數(shù)N的求取.1最小回流比及操作回流比計算當時，由t-x(y)相圖，可查得溶液的泡點溫度為T泡=103.3℃查得泡點溫度下乙酸乙酯的汽化熱32.23KJ/Kmol,乙酸丁酯的汽化熱36.79KJ/Kmol所以平均溫度：T=(103.3+25)/2℃=原料液的比熱容：所以q線方程為即：y=根據(jù)進料線方程確定最小回流比方以下圖所示：由上圖可以看出q線與平衡線的切點坐標為〔0.452/0.797〕故取故精餾段操作線方程式中R—回流比提餾段操作線方程：故提餾段操作線方程：.3逐板法求塔板數(shù)：；；；q線方程和精餾段操作線方程交點求得：那么精餾段N=2提餾段：那么提餾段N=6實際板層數(shù)的求取取全塔效率為0.48,那么有塊塊3.3精餾塔有關物性數(shù)據(jù)的計算物性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的查取和估算對于工藝設計計算非常重要，精餾塔設計中主要的物性數(shù)據(jù)包括：密度、粘度、比熱、汽化熱和外表力。操作壓力計算〔影響氣相密度，進而影響Vs、D、塔板構造參數(shù)〕取塔頂表壓為0Kpa。塔頂操作壓力每層塔板壓降，一般0.4-0.7kPa，浮閥塔板的壓降為0.265—0.53kPa，篩板的小于浮閥塔板，泡罩的大于浮閥塔板。進料板壓力塔底操作壓力精餾段平均壓力提餾段平均壓力操作溫度計算利用表3-1中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得、、。進料口：,=103.4375℃塔頂：，=79.45℃塔釜：，=125.13℃精餾段平均溫度℃提餾段平均溫度℃平均摩爾質量計算.1精餾段的平均摩爾質量精餾段平均溫度=91.44℃液相組成：氣相組成：所以kg/kmolkg/kmol.2提餾段平均摩爾質量提餾段平均溫度=114.28℃液相組成：氣相組成：所以kg/kmolkg/kmol平均密度計算精餾段平均溫度=91.44℃=810kg/=807kg/同理=114.28℃=785kg/=980kg/在精餾段，液相密度：氣相密度：=kg/同理在提餾段，液相密度氣相密度=3.57kg/液體平均外表力計算表3-2乙酸乙酯和乙酸丁酯不同溫度下的外表力溫度/℃02075乙酸乙酯外表力/26.523.917.4溫度/℃520100乙酸丁酯面力/24.723.314.9.1精餾段液體平均外表力精餾段平均溫度=91.44℃乙酸乙酯外表力：乙酸丁酯外表力：精餾段液體的平均外表力：.2提餾段精餾段液體平均外表力提餾段平均溫度=114.28℃同理：乙酸乙酯外表力：乙酸丁酯外表力：提餾段液體平均外表力：液體平均黏度計算精餾段平均溫度=91.44℃查液體黏度共線圖得：提餾段平均溫度=114.28℃查液體黏度共線圖得：精餾段黏度：提餾段黏度：3.4精餾塔的塔體工藝尺寸設計塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為式中V—精餾段氣相流量，kmol/hL—精餾段液相流量，kmol/hMV1、ML1—分別為精餾段氣、液相平均摩爾質量，kg/kmol、—分別為精餾段氣、液相平均密度，kg/m3同理，提餾段的氣、液相體積流率為，由極限空塔氣速計算式：式中、—分別為氣、液相平均密度，kg/m3C由式計算式中C20—物系外表力為20mN/m的負荷系數(shù)σm—操作物系的液體平均外表力，mN/mC—操作物系的負荷系數(shù)其中的由史密斯關聯(lián)圖〔玉英"化工原理〔下〕"P158頁圖3-7史密斯關聯(lián)圖〕，0.20.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05史密斯關聯(lián)圖查取圖的橫坐標為式中Vh、Lh—分別為塔氣、液兩相的體積流量，m3/h、—分別為精餾段氣、液相平均密度，kg/m3同理，提餾段的為取板間距，板上液層高度，那么同上，同理，提餾段的板間距取，板上液層高度。同理，提餾段的為選取泛點率：一般液體，，易起泡液體，。取平安系數(shù)0.6，那么空塔氣速為同理，提餾段為按標準塔徑圓整后為塔截面積為式中D—塔徑，mVs—塔氣體流量，m3/su—空塔氣速，即按空塔截面積計算的氣體線速度，m/s實際空塔氣速同理，提餾段的為精餾塔有效高度的計算板間距選擇：塔板間距與塔徑的關系塔徑/D，m0.3～0.50.5～0.80.8～1.61.6～2.42.4～4.0板間距/HT，mm200～300250～350300～450350～600400～600化工生產(chǎn)中常用板間距為：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在決定板間距時還應考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處，應留有足夠的工作空間，其值不應小于600精餾段有效高度為提餾段有效高度為在進料板上方開一人孔，其高度為0.6故精餾塔的有效高度為3.5塔板主要工藝尺寸的計算溢流裝置計算溢流裝置包括溢流堰和降液管。降液管形式和底隙降液管：弓形、圓形。小塔用圓形，一般采用弓形降液管。塔板溢流形式有：U型流、單溢流、雙溢流和階梯流。表溢流形式選擇塔徑小塔、液體流量小塔徑小于2.2m塔徑大于2m塔徑很大、液體流量很大溢流形式U型流單溢流雙溢流階梯流因塔徑D=0.6m，可選用單溢流弓形降液管。各項計算如下：.1堰長堰長由液相負荷和溢流形式?jīng)Q定。對單溢流，一般取lw=0.6-0.8D，對雙溢流，一般取lw=0.5-0.6D。取同理，提餾段的為.2溢流堰高度由式中—堰高，m—板上液層高度，m—堰上液層高度，m溢流堰板的形狀由決定，>0.6選平直堰；<0.6選齒形堰選用平直堰，堰上液層高度：，近似取E=1〔一般情況取1，可借用博爾斯對泡罩塔提出的液流收縮系數(shù)計算圖求取。〕式中l(wèi)w—堰長，mLh—塔液體流量，m3/hE—液流收縮系數(shù)，假設how小于6mm,采用齒形堰，當溢流層不超過齒頂時；當溢流層超過齒頂時用試差法。那么同理，提餾段的為取板上清液層高度故同理，提餾段的為.3弓形降液管寬度和截面積降液管截面積：由Af/AT=0.06-0.12確定；由由弓形降液管的參數(shù)圖〔玉英"化工原理〔下〕"P163頁圖3-12弓形降液管的寬度與面積〕查得，故同理，提餾段的為，為防止嚴重的氣泡夾帶，停留時間，其中。驗算液體在降液管中停留時間為：式中Lh—塔液體流量，m3/hHT—板間距，mAf—弓形降液管截面積，m2同理，提餾段的為故降液管設計合理.4降液管底隙高度底隙h0：通常在30-40mm，取式中Lh—塔液體流量，m3/hlw—堰長，m—液體通過降液管底隙時的流速，m/s。根據(jù)經(jīng)歷，一般取=0.07m/s~0.25m/s那么降液管底隙高度比溢流堰高度低0.006m。同理，提餾段的為故降液管底隙高度設計合理。塔板布置.1塔板的分塊塔板類型按構造特點可分為整塊式或分塊式兩種。一般，塔徑從小于800mm時采用整塊式塔板；當塔徑在900mm以上時，采用分塊式塔板。因，故塔板采用分塊式。①溢流區(qū)區(qū)〔受液區(qū)和降液區(qū)〕Wd一般兩區(qū)面積相等。②鼓泡區(qū)氣液傳質有效區(qū)③入口安定區(qū)和出口安定區(qū)Ws=50-100mm。邊緣區(qū)：小塔Wc=30-50mm，大塔50-75mm。WWcWdWslWrx篩孔數(shù)的計算:n’—每平方米鼓泡區(qū)的篩孔數(shù)。.2邊緣區(qū)寬度確定取，.3開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積：其中式中—邊緣區(qū)寬度，m—開孔區(qū)面積，m2—弓形降液管寬度，m—破沫區(qū)寬度，m同理，提餾段的為故同理，提餾段的為.4篩孔計算及其排列本利所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距為同理，取提餾段的為篩孔數(shù)目n為：個式中—開孔區(qū)面積，m2t—孔間距，m同理，提餾段的為686個開孔率為同理，提餾段的為氣體通過篩孔的氣速為同理，提餾段的為3.6篩板的流體力學驗算塔板壓降.1干板阻力計算干板阻力：式中—氣體通過篩孔的氣速，m/sC0—干篩孔的流量系數(shù)、—分別為精餾段氣、液相平均密度，kg/m3由，查查干篩孔的流量系數(shù)圖得，干篩孔流量系數(shù)圖故液柱同理，提餾段的為液柱.2氣體通過液層的阻力計算氣體通過液層的阻力：式中Vs—塔氣體流量，m3/sAT—塔截面積，m2Af—弓形降液管截面積，m2同理，提餾段的為，查充氣系數(shù)關聯(lián)圖，得，提餾段的故液柱式中hL—板上液層高度，mβ—充氣因數(shù)，無量綱。液相為水時，β=0.5，為油時，β=0.2~0.35，為碳氫化合物時，β=0.4~0.5同理，提餾段的為.3液體外表力的阻力計算液體外表力所產(chǎn)生的阻力：液柱式中d0—孔直徑，mσm—操作物系的液體平均外表力，mN/m同理，提餾段的為液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算，即液柱同理，提餾段的為氣體通過每層塔板的壓降為〔設計允許值〕同理，提餾段的為〔設計允許值〕液面落差液面落差Δ一般較小，可不計。當不可忽略時，對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。3.6.3液沫夾帶霧沫夾帶量：式中—板上液層高度，mHT—板間距，mσm—操作物系的液體平均外表力，mN/mua—氣體通過篩孔時的速度，m/s故同理，提餾段的為故在本設計中液沫夾帶量在允許圍。3.6.4漏液對篩板塔，漏液點氣速：式中—板上液層高度，mC0—干篩孔的流量系數(shù)、—分別為精餾段氣、液相平均密度，kg/m3—與液體外表力壓強降相當?shù)囊褐叨?，m實際孔速同理，提餾段的為，穩(wěn)定系數(shù)為同理，提餾段的為故在本設計中無明顯漏液。3.6.5液泛為防止塔發(fā)生液泛，降液管液層高式中HT—板間距，mhw—堰高，mφ—系數(shù)，是考慮到降液管充氣及操作平安兩種因素的校正系數(shù)。易氣泡物系，不易起泡物系，一般物系，取。乙醇—水物系屬于一般物系，取，那么同理，提餾段的為而板上不設進口堰，可由式5-30計算，即液柱液柱同理，提餾段的為液柱液柱故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。3.7塔板負荷性能圖漏液線由得同理，提餾段的為在操作圍，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于表3-4。表3-4漏液線計算結果0.000090.00060.0010.00150.24030.24460.24710.24970.22230.22630.22850.2309由上表數(shù)據(jù)即可分別作出精餾段和提餾段的漏液線1。液沫夾帶線以為限，求關系如下：由同理，提餾段的為同理，提餾段的為故同理，提餾段的為整理得同理，提餾段的為在操作圍，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于表3-5。表3-5霧沫夾帶線計算結果0.000090.00060.0010.00150.49210.49180.49160.49140.47210.47140.47100.4706由上表數(shù)據(jù)即分別可作出精餾段和提餾段的霧沫夾帶線2。液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。由式得取E=1，那么同理，提餾段的為據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限：故同理，提餾段的為據(jù)此可分別作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。液泛線令由；；；聯(lián)立得忽略，將與，與，與的關系式代入上式，并整理得式中將有關的數(shù)據(jù)代入，得同理，提餾段的為故同理，提餾段的為在操作圍，任取幾個值，依上式計算出個值，計算結果列于表3-6。表3-6液泛線計算結果0.000090.00060.0010.00151.8931.5581.3060.9571.7471.7101.2841.026由以上數(shù)據(jù)可分別作出精餾段和提餾段的液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖3-4、3-5所示。圖3-4精餾段塔板負荷性能圖圖3-5提留段塔板負荷性能圖由塔板負荷性能圖可以看出：該篩板的氣相負荷上限完全由霧沫夾帶控制，操作下限為漏液控制。在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點p,處在適宜操作區(qū)的適宜位置。按照規(guī)定的液氣比，由上圖查出精餾段塔板的氣相負荷上限=0.53，氣相負荷下限=0.23，所以：操作彈性==2.3同理提餾段塔板的氣相負荷上限=0.47，氣相負荷下限=0.195，操作彈性==2.4所設計篩板的主要結果匯總于表3-7表3-7篩板塔設計計算結果工程精餾段數(shù)值提餾段數(shù)值平均溫度℃91.44114.28平均壓力103.075109.025氣相流量0.2610.262液相流量0.000430.00049塔的有效高度Z/m1.43.85實際塔板數(shù)512塔徑/m11板間距0.350.35溢流形式單溢流單溢流降液管形式弓型弓型堰長/m0.60.6堰高/m0.0940.0934板上液層高度/m0.10.1堰上液層高度/m0.00600.0066降液管底隙高度/m0.01020.0117安定區(qū)寬度/m0.040.04邊緣區(qū)寬度/m0.030.03開孔區(qū)面積0.3410.341篩孔直徑/m0.0080.008篩孔數(shù)目686686孔中心距/m0.0240.024開孔率/%10.0810.08空塔氣速0.3320.334篩孔氣速7.597.62穩(wěn)定系數(shù)1.61.61單板壓降/Pa638.95593.39負荷上限霧沫夾帶控制霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制漏液控制液沫夾帶/〔kg液/kg〕0.020470.0242液相負荷上限0.0030240.003024液相負荷下限0.0004120.000412操作彈性2.32.4第四章塔附屬設計4.1塔附件設計進料管查表，25℃進料乙醇密度；查玉英"化工原理〔上〕"P18頁表1-1取?7?查玉英"化工原理〔上〕"P369頁附錄二十五選取進料管的規(guī)格為?；亓鞴芑亓鲿r，溫度℃，液相：取取回流管規(guī)格為。塔頂蒸氣出料管塔頂?shù)臏囟葹?8.3℃，此時氣相組成：塔頂蒸氣密度蒸氣體積流量取取回流管規(guī)格為。釜液排出管釜底釜底溫度為125.13℃液相組成：平均摩爾質量取取此管的規(guī)格為。法蘭由于常壓操作，所有法蘭均采用標準管法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱直徑，〔查熊潔羽"化工制圖"P380頁附錄七〕選用相應法蘭。進料管接收法蘭：PL50—0.25HG20593回流管接收法蘭：PL32—0.25HG20593塔頂蒸氣管法蘭：PL32—0.25HG20593釜液排出管法蘭：PL45—0.25HG205934.2筒體與封頭筒體壁厚選6mm，所用材質為。封頭封頭分為橢圓形封頭、碟形封頭等幾種，本設計采用橢圓形封頭，由公稱直徑DN=600mm，查得曲面高度，直邊高度，外表積，容積。選用封頭DN600*6，1154-73。裙座塔底采用裙座支撐，裙座的構造性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。由于裙座徑小于800mm，故裙座壁厚取6mm。根底環(huán)徑：根底環(huán)外徑：圓整：，；根底環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm；考慮到再沸器，裙座高度取2m，地角螺栓直徑取M30。人孔人孔，其安設是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備部裝置。根據(jù)生產(chǎn)要求及塔設備裝置設置2個人孔，孔徑為500㎜。4.3塔總體高度設計塔的頂部空間高度的頂部空間高度是指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到第一塊板的距離為600mm，塔頂部空間高度為1200mm。塔的底部空間高度塔的底部空間高度是指塔底最末一層塔盤到塔底下封頭切線的距離，釜液停留時間取5min。塔體高度塔體總高4.4附屬設備設計冷凝器的選擇有機物蒸氣冷凝器設計選用的總體傳熱系數(shù)一般圍為290~1160W/(m2.℃)本設計取K=500W/(m2.℃)出料液溫度：79.45℃〔飽和氣〕～冷卻水溫度：20℃～30℃汽化潛熱：逆流操作：℃，℃℃平均摩爾質量：蒸汽流量：蒸汽的平均汽化熱：傳熱面積：因為兩流體溫差小于70℃，應選用固定板式列管換熱器?！膊橛裼?化工原理〔上〕"P378頁附錄二十八〕所選型號為G400Ⅰ—1.6—22.3。查得有關參數(shù)〔查玉英"化工原理〔上〕"P378頁附錄二十八〕如下表3-8所示：表3-8冷凝器相關參數(shù)殼程/mm273管子尺寸/mm公稱壓強/MPa1.6管長/m4.5公稱面積/m211.1管子總數(shù)32管程數(shù)2管子排列方法三角形再沸器的選擇水蒸氣再沸器設計選用的總體傳熱系數(shù)一般圍為2000~4250W/(m2.℃)本設計取K=2000W/(m2.℃)水蒸氣溫度：160℃〔蒸汽〕~160℃〔水〕逆流操作：℃平均摩爾質量：蒸汽流量：蒸汽汽化熱：傳熱面積：由于塔底蒸汽壓強為500Kpa?600Kpa，應選用固定板式列管換熱器?！膊橛裼?化工原理〔上〕"P378頁附錄二十八〕所選型號為G400Ⅰ—1.6—19.7。查得有關參數(shù)如表3-9下：表3-9再沸器相關參數(shù)殼程/mm400管子尺寸/mm公稱壓強/MPa1.6管長/m3公稱面積/m222.3管子總數(shù)98管程數(shù)1管子排列方法三角形泵的選擇1.進料泵原料液流量進料液在25℃時乙醇的密度為=876kg/進料液的摩爾質量為所以查玉英"化工原理〔上〕"P373頁附錄二十六選用型號為的單機單吸離心泵2．回流泵同理回流液流量選用型號為的單機單吸離心泵設計小結本次化工原理課程設計歷時兩周，是學習化工原理以來第一次獨立的設計?；ぴ碚n程設計是培養(yǎng)我們化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的根底知識、設計原那么及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧；掌握各種結果的校核，能畫出工藝流程、塔板構造等圖形。在設計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的平安性、經(jīng)濟合理性。在短短的兩周，從開場的一頭霧水，到組同學的相互商討，再查資料對整個工藝流程的計算，再到對材料的選取論證和后期的電子版編寫以及流程圖的繪制等過程的培養(yǎng)，我真切感受到了理論與實際相結合的種種困難，也體會到了利用所學的有限知識去解決實際中各種問題的不易。我們從中明白了學無止境的道理，在我們所查找的很多參考書中，很多知識是我們從來沒有接觸到的，我們對一些知識的了解還僅限于皮毛，所學知識構造還很不完善，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。在實際計算過程中，由于沒有及時將所得結果進展總結，以致在后面的計算中不停地來回翻查數(shù)據(jù)，浪費了大量時間。在一些應用問題上，我直接套用了書上的公式或過程，并沒有徹底了解各個公式的出處及用途，對一些數(shù)據(jù)的選取，也只是根據(jù)圍自己選的，并不一定符合現(xiàn)實應用，因此，一些數(shù)據(jù)計算并不是十分準確，因而存在一定的的誤差，影響后面具體設備的選型。通過本次課程設計，讓我對我自己的專業(yè)有了更加感性和理性的認識，這對我們以后繼續(xù)學習是個很好的指導方向，我了解了工程設計的主要容，掌握了化工設計主要的程序和方法，增強了分析和解決工程問題的能力。最