填料塔乙醇连续精馏塔-化工原理课程设计说明书

浙江工业大学化工原理课程设计说明书设计名称：4000吨填料塔乙醇连续精馏塔设计班级：过控2班姓名：陆佳学号：20140207112指导老师：马艺2017年4月12日设计任务书一、设计题目4500吨酒精连续筛板精馏塔设计二、设计任务及操作条件1、设计任务：生产能力（塔顶产品）4500吨／年操作周期300天／年进料组成40％（质量分数，下同）塔顶产品组成≥94％塔底产品组成≤1%2、操作条件操作压力常压（塔顶）进料热状态泡点单板压降：≯0.7kPa3、设备型式筛板4、厂址郑州地区三、设计内容：(1)精馏塔的物料衡算；(2)塔板数的确定：(3)精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算；(4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(5)塔板主要工艺尺寸的计算；(6)塔板的流体力学验算：(7)塔板负荷性能图；(8)精馏塔接管尺寸计算；(9)绘制生产工艺流程图；(10)绘制精馏塔设计条件图；(11)对设计过程的评述和有关问题的讨论。目录概述：一精馏过程简述…………………………………………………..1二精馏意义…………………………………………………………1第一部分：工艺设计一设计任务…………………………………………………………1二全塔物料衡算……………………………………………………2（1）确定关键组分………………………………………………2（2）换算成摩尔百分比…………………………………………3（3）平均摩尔质量………………………………………………3（4）全塔物料衡算………………………………………………3三确定NT………………………………………………………….4.（1）相平衡曲线…………………………………………………..4（2）确定NT………………………………………………………4四计算板效率ET……………………………………………………4五摩尔流率的计算………………………………………………….5六热量衡算………………………………………………………….5七填料的选择……………………………………………………….7八塔径的确定……………………………………………………….7九调料层高度的确定……………………………………………...12第二部分一填料塔附件………………………………………………………..12二塔道………………………………………………………………..12三换热气……………………………………………………………..15四贮罐………………………………………………………………..18五泵…………………………………………………………………..18第三部分一总体校核……………………………………………………………19二数据总汇……………………………………………………………20三评价与说明……………………………………………………………21三主要参考文献………………………………………………………211年产4000吨填料塔乙醇连续精馏塔设计内容：乙醇精馏流程及意义：1流程简述：本流程为连续精馏，采用泡点进料，原料在预热器中预热至泡点后送入精馏塔，在进料位置与塔上部回流液汇合后，流入塔底的再沸器，回流液体在填料表面与上升气体相接触，进行热质传递过程。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余作为产品流出。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2精馏意义：乙醇作为常用溶剂广泛的应用于化工、药用行业，为了降低原料消耗和产品成本，通常设置乙醇回收装置，将使用过的或未反应的乙醇予以提浓回收，根据医药产品特点和工厂实验经验，设计乙醇连续精馏装置。第一部分工艺设计一设计任务：年产量D=4000T/y；原料液浓度为35%；产品浓度为94%；塔釜液中乙醇含量1%;(以上均为质量分数)操作压力：常压；二全塔物料衡算1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率：D=4000T/y；WD=94%;WF=35%;WW1%;这里取WW=1%;说明：（以上平均为质量分数）分子量乙醇46g/mol;水18g/mol;2换算成摩尔百分比由XA=aA/MA/（aA/MA+aA/MB）XF=0.35/46/〔(0.35/46+（1-0.35）/18〕=0.174;XD=0.94/46/〔(0.94/46+（1-0.94）/18〕=0.8597;XW=0.01/46/〔(0.35/46+（1-0.01）/18〕=0.0039;3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量由M=A×XA+B×XB得MF=46×0.174+18×(1-0.174)=22.872;MD=46×0.0.8597+18×(1-0.8597)=42.0744;MW=46×0.0039+18×(1-0.0.0039)=18.1092;4全塔物料衡算每年以300个工作日计算;2DM=4000×1000/(3600×24×300)=0.1543kg/s；D=DM×WD/46+DM×(1-WD)/18=0.1543×0.94/46+0.1543×(1-0.94)/18=13.2024kmol/h；总物料衡算F=D+W;乙醇组分物料衡算FXF=DXD+WW;联系上面的数据，并代入以上数据，得W=53.2415kmol/h；F=66.4439kmol/h；三根据乙醇-水的汽液平衡数据做出Y-X曲线并确定理论板数NT。1由乙醇-水的汽液平衡数据做Y-X曲线;(见咐图)利用课本第71页数据数据作图得yx~曲线（注意：此图用大一些座标纸绘制，并列在说明书的附图中）2确定Rmin及生产用R的选择在相平衡曲线上，过点a(XD,XD)作相平衡曲线的切线，得挟点B，在坐标纸上查得此切线的Y轴截距XD/(Rmin+1)=0.2665,解之得Rmin=2.2236.由于R=(1.2∽2)Rmin,若取R=1.5×Rmin=3.3394,经圆整,取R=4.3确定理论塔板NT过a点作截距Y=XD/(R+1)的直线,取泡点进料,则q=1,所以q线为过点(XF,0)且垂直于X轴的一条直线,求得此二直线的交点E.连结AC.其中C点坐标为(XW,XW)则为精馏操作线.在此坐标纸上,在操作线和相平衡线画理论板数,作图结果理论板数N=18块,其中精馏段理论板16块,第17块板为加料板,提馏段理论板1块.四全塔效率ET由Y-X-T图查表：塔顶：YA=XD=0.8598，XA=0.8493，TD=78.23°C；3进料：YF=0.5131，XF=0.1740，TF=83.9°C；塔釜：YW=0.0349，XW=0.0039，TW=100°C；TM=（TW+TD）/2=（100+78.23）/2=89.1。在此温度下查得水和乙醇黏度：μ水=0.3112，μ醇=0.25；μL=μ醇×XF+μ水×XF=0.3112×0.25=0.3006mpa/s.塔顶组成的相对挥发度为α顶=YA/YB/（XA/XB）=0.8598/（1-0.8598）/〔0.8493/（1-0.8493）〕=1.0882；加料组成的相对挥发度为α中=YA/YB/（XA/XB）=0.5131/（1-0.5131）/〔0.1740/（1-0.1740）〕=5.0026；塔底组成的相对挥发度为α底=YA/YB/（XA/XB）=0.0349/（1-0.0349）/〔0.0039/（1-0.0039）〕=9.2362；平均相对挥发度为α=（α顶α中α底）1/3=（1.088×25.0026×9.2362）1/3=3.691；ET=0.49×（α×μL）-0.245=0.49×（3.691×0.3006）-0.245=46.65%；也可以用p118页图10－20查出。或用ET=51－32.5lg（α×μL）计算。五.摩尔流率的计算：精馏段液相摩尔流率为L=R×D=4×13.2024=52.8096kmol/h;精馏段气相摩尔流率为V=(R+1)×D=5×13.2024=66.012kmol/h;提馏段液相摩尔流率为L=L+qF=52.8096+1×13.2024=119.2535kmol/h;提馏段气相摩尔流率为V=V-(1-q)×F=66.012kmol/h;七、填料的选择：由于鲍尔环具有生产能力大，阻力低，效率高，操作弹性大等优点，故选择鲍尔环作为填料。选取25×25mm瓷质乱堆的鲍而环，其比表面积a=220m2/m3,空隙率ε=0.76m3/m3。堆积密度ρp=505kg/m3。填料因子Ф=300m-1。八．塔径的确定：液体密度：（1）乙醇（X24.2，Y48.6）D塔顶：ρ1=736kg/m3；4F塔进料：ρ1=731kg/m3；W塔底；ρ1=716kg/m3；（2）水D塔顶：ρ2=736kg/m3；F塔进料：ρ2=731kg/m3；W塔底；ρ2=716kg/m3；精馏段：（1）液相密度计算：由1/ρL=X1/ρ1+X2/ρ2得：乙醇：ρ均=（ρ1+ρ2）/2=（736+731）/2=733.5kg/m3；X均=（X1+X2）/2=（0.35+0.94）/2=0.645；水：ρ均=（ρ1+ρ2）/2=（972.38+969.265）/2=970.8225kg/m3；X均=（X1+X2）/2=（0.65+0.06）/2=0.355；1/ρL=0.645/733.5+0.355/970.8225＝＞ρL＝803.2kg/m3；（2）气相：平均摩尔质量为M均=（22.872+42.0744）/2=32.4732；T均=（78.2+83.9）/2=81.1；PV=NRT=(m/M)RT得ρV=PM/RT=101.325×32.4732/〔80.314×（273.15+81.1）〕=1.1173kg/m3；（3）液相质量流量WL=L×ｘ×46+L×（1-ｘ）×46=4×13.2024×0.645×46+4×13.2024×（1-0.645）×18=1904.314kg/h；其中：ｘ=(0.94+0.35)/2=0.645WV=V×Y×46+V×（1-Y）×46=5×13.2024×0.8483×46+5×13.2024×（1-0.8483）×18=2756.16kg/h；其中：Y=(0.8598+0.5131)/2=0.8483；（4）（WL/WV）（ρV/ρL）0.5=（1904.34/2756.16）（1.1173/803.2）0.5=0.259（5）由填料塔泛点和压降的通用关联图查得（教材第142页）5u2фψρVμL0.2/（g×ρL）=0.075其中μL=0.3006mpa/s；ψ=ρ水/ρ醇=（972.38+969.265）/（736+731）=1.3235；Ф=300；ρV/ρL=1.1173/803.2；解之得泛点气速为ｕF=2.254m/s;一般空塔气速为泛点气速得（0.5～0.8）倍，这里取70%，则设计气速为ｕ=ｕF×0.7=2.254×0.7=0.911m/s;气体的体积流量Vs=WV/(3600×ρV)=2756.16/(3600×1.1173)=0.685m3/s;D=[4×Vs/(π×ｕ)]0.5=[4×0.685/(3.14×0.911)]0.5=0.979m;（6）精馏段压降：在设计气速下u2фψρVμL0.2/（g×ρL）=0.9112×300×1.1173×1.3235×0.30060.2/（9.81×803.2）=0.036；以0.036为纵坐标，以0.259为横坐标，的点落在填料ΔΡ=420Pa;（7）实际板数的确定：由精馏塔全塔效率关联图可知：αμL=3.691×0.3306=1.110可以查出ET=48%；所以实际板数N=14/48%=29.2=30块板。提馏段：（1）液相：由1/ρL=X1/ρ1+X2/ρ2得：乙醇：ρ均=（ρ1+ρ2）/2=（731+716）/2=723.5kg/m3；X均=（X1+X2）/2=（0.35+0.01）/2=0.18；水：ρ均=（ρ1+ρ2）/2=（969.265+959.021）/2=964.143kg/m3；X均=（X1+X2）/2=（0.65+0.99）/2=0.82；1/ρL=0.18/723.5+0.82/964.14