化工原理课程设计 乙醇—水混合物

课程名称化工原理课程设计

设计题目乙醇回收塔

学生姓名专业

班级学号

设计日期2012 年 1 月2 日至2012 年1 月13 日设计体系：乙醇—水混合物

设计条件:

原料处理量：100吨/天

原料浓度：含醇10.5%（w%），其余为水

原料温度：20℃

设计要求：

乙醇回收率98%

操作条件：直接蒸汽加热

指导教师

2011年 11月10 日

目录

一、前言---------------------------------------------------------------------4

二、设计说明书符号表---------------------------------------------------5

三、设计方案的确定------------------------------------------------------6

四、物性参数---------------------------------------------------------------6

五、回收塔的物料衡算---------------------------------------------------8

六、回收塔理论板数Nt的确定----------------------------------------9

七、回收塔工艺条件及有关物性数据计算---------------------------11

八、回收塔主要工艺尺寸计算-----------------------------------------13

九、液体分布器及其他设备简要设计--------------------------------14

十、回收塔的辅助设备计算--------------------------------------------18 十一、设计计算结果总表------------------------------------------------21 十二、参考资料-------------------------------------------------------------21

一前言

乙醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取医药、染料、洗涤剂、涂料的重要原料之一。

塔设备在一定条件下，将能达到气液共存状态的混合物实现分离,纯化的单元操作设备。广泛用于炼油，精细化工，环境工程，医药工程和轻纺织工程等行业和部门中。塔设备与化工工艺密不可分，不管多好的工艺路线，没有良好的与之匹配的化工设备，就不会达到预期的设计效果，实现不了预期的设计指标。因此，塔设备是工艺过程得以实现的载体，直接影响生产产品的质量和效益。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求大致有下列几方面：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小（5）结构简单、设备取材面广等。

塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。尽管与填料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点，因而在70年代以前的很长一段时间内，塔板的研究一直处于领先地位。然而，70年代初期出现的世界能源危机迫使填料塔技术在近20年来取得了长足进展。由于性能优良的新填料相继问世，特别是规整填料和新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料的放大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。在我国，随着石油化工的不断发展，传质分离工程学的研究不断深入，使填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期，其工业应用与发达国家并驾齐驱，进入世界先进行列。

填料塔由填料，塔内件及筒体构成。填料塔的发展史中最主要的就是填料的发展史。由早期的碎石发展成为拉西环，弧鞍形填料等新型填料。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下优点：生产能力大，分离效率高，压力降小，操作弹性大，持液量小等优点。

本设计综合考虑流程，产量，分离要求，操作控制等因素，采用填料塔实现乙醇回收目标。

二设计说明书符号表

三设计方案的确定

本设计任务为分离乙醇-水混合物，从而达到回收乙醇的目的，采用回收塔操作。设计中采用泡点进料，将原料通过预热器加热至泡点后送入回收塔内。乙醇常压下的沸点为78.3℃，故可采用常压操作。塔顶上升汽采用全凝器冷凝。因所分离物系的重组分为水，故选用水蒸气直接蒸汽加热方法，釜液直接排放。选取125Y 型金属孔板波纹填料。

四．物性参数

⑵常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表

常压下乙醇—水系统t—x—y数据如表1—6所示。

t—x—y数据

78.15 0.8943 0.8943

图1水-乙醇平衡体系t-x-y图图2.x-y平衡图

图3局部放大的x-y平衡图

五回收塔的物料衡算

图4流程

乙醇摩尔质量M乙醇=46g/mol 水的摩尔质量M H2O=18g/mol

F = 100吨/天=198.98kmol/h

原料液乙醇的摩尔分率：x F =0.105

M平均=0.105*46+(1-0.105)*18=20.94

图5NT确定，气相组成图解法

图6局部放大图进气量变化对应y1的不同取值

进气量的变化与理论板数的关系

图7

在流量达到93.07 kmol/h后，增加气量对理论板数影响不大，且进气量越大，塔顶汽相组成越小，塔径越大，因此选择理论塔板数N T= 5，进气量V0 = 93.07kmol/h。

提馏线方程：y=2.138x-0.0044897

F=W=L’=55.27mol/s D= V0=V=26.03mol/s

七回收塔工艺条件及有关物性数据计算

1. 操作温度计算

塔顶温度t D=92.2℃塔底温度 t W=100℃

平均温度 t=( t D + t W)/2=96.1℃

2.平均摩尔质量计算

由x D=y1=0.22, 查平衡曲线得x1=0.027

M VD=y1M乙醇+（1-y1）M水=24.16kg/kmol

M LD=x1M乙醇+（1-x1）M水=18.756kg/kmol

由于塔底x W很小，塔底可看成只有主份水，故M VW=M水=M LW=18kg/kmol

全塔平均摩尔质量：M V= (M VD+M VW)/2=21.08kg/kmol

M L= (M LD+M LW)/2=18.378kg/kmol

3.平均密度计算

气相平均密度计算：

由理想气体状态方程得

ρv=PM V/(RT)=101.3*21.08/[8.314*(96.1+273.15)]= 0.696kg/m3

液相平均密度计算：

由于操作过程中乙醇在液相中浓度很小可近似取ρl=960kg/m3 4.液体平均表面张力计算

液体平均表面张力依据δl=Σx iδi计算

塔顶液相平均表面张力的计算：

由t D=92.2℃，查手册得δ乙醇=1.61*10-3N/m, δ水=61.79*10-3N/m δLD=x1δ乙醇+（1-x1）δ水=61.16*10-3N/m

塔底液相平均表面张力的计算：

由t W=100℃, 查手册得δ乙醇=15.5*10-3N/m, δ水=58.84*10-3N/m δLW=x Wδ乙醇+（1-x W）δ水=58.74*10-3N/m

平均表面张力为：

δL=(δLD+δLW)/2=59.95*10-3N/m

5.液体平均粘度计算

液相平均粘度计算，即㏒μL=Σxi㏒μi

塔顶液相平均粘度计算：

由t D=92.2℃, 查手册得，μ乙醇=0.358mPa·s μ水=0.3387 mPa·s ㏒μLD=x1㏒μ乙醇+(1-x1)㏒μ水

解得μLD=0.898 mPa·s

塔底液相平均粘度计算：

由t W=100℃, 查手册得，μ乙醇=0. 3214mPa·s μ水=0.2838 mPa·s ㏒μLW=x W㏒μ乙醇+(1-x W)㏒μ水

解得μLW=0.28 mPa·s

液体平均粘度为：

μL=（μLD+μLW）/2=0.589 mPa·s

八回收塔的塔体主要工艺计算

1.塔径的计算

采用气相负荷因子法计算适宜的空塔气速

液相质量流量为：ωL=LM L=60.19*10-3*3600*18.1428=3931.25kg/h

气相质量流量为：ωV=VM V=30*10-3*3600*19.204=2074.032kg/h 流动参数为：ψ=ωL/ωV(ρV/ρL)0.5=0.0489

查波纹填料的最大负荷因子图得，C s﹐max=0.25

C s=0.8 C s﹐max=0.8*0.25=0.2

由C s=u[ρV/(ρL-ρV)]^0.5 得u=C s/[ρV/(ρL-ρ

0.5=0.0976/[0.696/(960-0.696)]0.5=7.736m/s

V)]

D=[4Vs/（Лu）]0.5=[4*19753.64/(0.696*3600)/(3.14*3.152)]0.5=0.385m 圆整塔径，取 D=400mm

2.液体喷淋密度的验算

U=Lh/(0.785D0.5)=3931.25/960/(0.785*0.40.5)=8.256m3/(㎡·h) >0.2m3/( ㎡·h)

3.填料层高度计算

对125Y型金属孔板波纹填料，查手册得，每米填料理论板数为1～1.2块，取n t=1

则 HETP=1/n t=1m

填料侧层高度Z=Nt·HETP=5*1=5m

Z′=1.3*3=6.5m

4.填料层的分段

填料层的分段高度 h=(15～20)HETP> Z′=6.5m

故该填料层无需分段

5.填料层压降计算

对于对125Y型金属孔板波纹填料，查手册得，每米填料层压降为Δp/Z=2.0*10-4MPa/m

填料层总压降为:

Δp=6.5*2.0*10-4MPa=1.3kPa

九液体分布器及其他设备简要设计

1液体分布器选择

布液点数为n=Л(D/2)2*40=3.14*(0.4/2)2*40=5点

由于塔径D=0.4m<1.2m,故可用如图管式喷淋器

布液计算：

由Ls=Л/4d2nφ(2gΔH)0.5 取φ=0.65 ，ΔH=160mm

d=[4Ls/Лnφ/(2gΔH)0.5]0.5

=[4*100*1000/(3600*960*3.14*5*0.65)/(2*9.81*0.16)0.5]0.5=0.08m 取d=80mm

故液体分布器如下图所示：

2 除沫器选择

气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液滴能重新返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。常用的除沫器有折流板式和填料层式。

在此选用丝网膜除沫器

9.1 管道设计与选择

为减少气液进出塔对塔内操作的冲击，管径选取按下述条件： 液体流速：u L = 0.1~1 m/s 蒸汽流速：u 0 = 30~50m/s

9.2 塔顶蒸汽出口管径

取u=38m/s

则蒸汽出口管管径：d=[4D/(Лu ρV )]O.5

=[4*30/(3.14*38*640)]0.5

=

0.0396m

圆整后d=40mm 选择φ40×4的管子

9.3进料管管径

取u L =0.7m/s

则进料管管径： d=[4F/(лu L ρLF )]

0.5

=[4*60.19/(3.14*0.7*960)]0.5=0.0337m

圆整后d=38mm 选择φ38×3的管子

9.4 塔釜出料管管径

取u L =0.7m/s

则出料管管径：d=[4W L /(лu L ρLW )]

0.5

= [4*60.19/(3.14*0.7*960)]0.5=0.0337m

圆整后d=38mm 选择φ38×3的管子

9.5 塔釜进蒸汽管管径

取u=38 m/s 则

蒸汽进口管管径：d=[4V/(

Лu ρ

V

)]O.5=[4*30/(3.14*38*675)]0.5=0.0396m

圆整后d=40mm 选择φ40×4的管子

9.6 其他附件选择 .1筒体

圆筒计算厚度，[]p

pD t

i

-=

φσδ2

考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应在计算厚度δ的基

础上，增加腐蚀裕度C 2。由此得到筒体的设计厚为 []22C p

pD t

i

d +-=

φσδ

式中 δd -圆筒设计厚度,mm ； D i -圆筒内径,mm ； p -容器设计压力，MPa ；φ-焊接头系数.

由于p 与[δ]t φ比很小,采用简写式:： []22C pD t

i

d +=

φ

σδ

设计温度为96.1℃，采用碳素钢钢板，查得钢号为Q235-B ，钢板标准为GB912，在此设计温度下的许用应力为113MPa ， 计算压力 K P a p 005.102325.10178.0=+= 圆筒内径 mm D i 800= 焊接头系数 85.0=φ 则 []mm C pD t

i

d 416.2285

.01132800

10.022=+???=

+=

φ

σδ

圆整后为4mm ，在钢号为Q235-B ，钢板标准为GB912的厚度3~4mm 范围内。

表压力容器用碳素钢钢板的需用压力

2封头

选用标准椭圆形封头

这种封头是由半个椭圆球和一段高度为h 0的圆柱形筒节构成。 曲面深度 h=225mm

查表，封头直边高度mm h 250=

封头高度： ()()mm h h Z 50022522520=?+=?+=封 .3法兰

由于在常压下操作,所有法兰均采用标准管法兰—平焊法兰。选择公称压力PN=0.78MPa ，公称直径为400mm 的标准法兰。

填料筒法兰查表选择如下参数：

表PN=1.0MPa 的甲型平焊法兰尺寸与质量

.4 耳式支座

AN 型耳式支座参数如下：

表 AN 型耳式支座尺寸/mm

5塔总高度计算

b f d H H n Z H H +-++=)1(=0.7+3.9+0+1.5=6.1m

式中：H d ——塔顶空间高度（不包括封头），m 。取0.7 m 。

H f ——液体再分布器的空间高度，m 。 H b ——塔底空间高度，m 。取1.5 m 。 n ——填料层分层数。

十 回收塔的辅助设备计算

1.塔顶全凝器的计算与选择

塔顶质量流量

ωD=D[x D M乙醇+（1-x D）M水]=75*[0.22*46+(1-0.22)*18]=1812g/s

查手册得，乙醇在水中摩尔浓度为0.16时，潜热为1684.54J/g 每秒塔顶组份完全冷凝所放出的热量：Q=1812*1684.54=3052386.48J 用温度为28℃的水冷凝，则t2=28℃, t1=t D=92.2℃

回凝器采用碳钢材质，查手册得t=28℃,其热导率λ2=51.36W/(m·℃)

t=92.2℃,其热导率λ1=49.40W/(m·℃)

平均热导率：λm=(λ1+λ2)/2=50.38 W/(m·℃)

管壁厚b=3mm=3*10-3m

由Q=(t1-t2)/[b/(λm A m)] 得:

A m =bQ/[(t

1

-t

2

)λ]=3*10-3*2840134.44/[(92.2-28)*50.38]=2.631㎡

取管内径d1=80mm=0.08m,

由A m=（Лd2L-Лd1L）/㏑（d2/d1）得:

L=A mЛ㏑（d2/d1）/（Лd2-Лd1）=11.87m

取实际L=12m

全凝器由12根φ80mm*3mm 长为1m的碳钢构

2.进料换热器的计算

进料质量流量ωF=100*106/(24*3600)= 1157.4g/s

进料时乙醇的浓度很底，故可将进料液看成全为水做近似运算

查手册得 t1=20℃时，水的比热容 C p=4.18J/(g·℃)

进料加热到泡点温度t2=98.9℃,每秒所需热量Q=1157.4*4.18*(98.9-20)=381712.8348J

用温度为140℃的饱和水蒸气加热（错流式）

Δt m′=(Δt2-Δt1)/㏑(Δt2/Δt1)=[(140-98.9)-(100-20)]/㏑[(140-98.9)/(100-20)]=58.4℃

P = (t2-t1)/(T1-t1)=(98.9-20)/(140-20)=0.6575

R = (T1-t2)/(t2-t1)=(140-100)/(98.9-20)=0.507

由P、R查手册得ψ

Δt=0.95

Δt m=ψ

ΔtΔt m′=55.48℃

查手册得，热流体为水蒸气冷凝，冷流体为水的管壳式换热器的传热系数K大致范围为 1420～4250W/(㎡/℃),取 k=1500 W/(㎡/℃) 传热面积:A=Q/(kΔt m)=1068789.34/(1500*55.48)=12.8㎡

取管内径d i=0.08m

L=A/(Лd i)=12.8/(Л*0.08)=50.9m

换热器由33根φ80mm*3mm长为1.5m的1.5m的碳钢管构成

十一设计计算结果总表

表8-1 计算结果总表

十一参考资料

[1]陈英男、刘玉兰.常用华工单元设备的设计[M].上海：华东理工大学出版社，

2005、4

[2]刘雪暖、汤景凝.化工原理课程设计[M].山东：石油大学出版社，2001、5

[3]贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计[M].天津：天津大学出版社，2002、8

[4]路秀林、王者相.塔设备[M].北京：化学工业出版社，2004、1

[5]王明辉.化工单元过程课程设计[M].北京：化学工业出版社，2002、6

[6]夏清、陈常贵.化工原理（上册）[M].天津：天津大学出版社，2005、1