乙醇-水二元筛板精馏塔设计(共48页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上化 工 原 理 课 程 设 计 设计题目： 乙醇-水二元筛板精馏塔设计 设计者 ： 学 号： 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 指导教师： 设计时间： 化工原理课程设计任务书设计题目：乙醇-水二元筛板精馏塔设计设计条件： 设计体系：乙醇-水 进料量：F=1845 进料状态：q=1，泡点进料 操作条件：常压操作，单板压降不大于0.7kpa；塔顶冷凝水采用钦州水源，温度T=25； 塔釜加热方法：间接蒸汽加热，采用120水蒸气； 分离要求：回流比设计内容： （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性数据的计算 （4）精馏塔的塔体工艺尺寸计

2、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）绘制塔体及内件尺寸图 （11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。 （12）撰写精馏塔的设计说明书。 目录一、概述1.1精馏与塔设备简介蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一，蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。例如，设计所选取的乙醇-水体系，加热乙醇（沸点78）和水（沸点100）的混合物时,由于乙醇的沸点较水为低,即乙醇挥发度较水高,故乙醇较水易

3、从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到乙醇组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将乙醇和水分离。这多次进行部分汽化成部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。 塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。1.2筛板塔的特点筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为

4、38mm)和大孔径筛板(孔径为1025mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如分离粘度大、易结焦的物系)。筛板的优点足结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。1.3体系介绍乙醇-水是工业上最常见的溶

5、剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。本次设计就是针对乙醇与水体系，而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。本次设计对筛板塔的工艺过程和结构进行了比较全面的设计，并对其他辅助设备如冷凝器，泵的选型做了计算。通过本次对筛板精馏塔的设计，使我们初步掌握化工设计的基本原理和方法。培养独立思考，事实求是，综合运用所学知识，解决实际问题的能力。 1.4设计要求进料量F= 1845；进料状态：q1，泡点进料； 操作条件：常压操作，单板压降不大于0.7kPa。塔顶冷凝水采用钦州水源，温度T

6、25；塔釜加热方式：间接蒸汽加热，采用120水蒸气；分离要求：XD= 96%（质量分数，下同） ； XW=1 ； =24回流比。 专心-专注-专业二、设计说明书2.1设计单元操作方案简介 蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，但适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。故分离乙醇-水混合物体系应采用连续精馏过程。蒸馏是通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却剂中的冷却介质将余热带走。塔顶冷凝装置可采用全凝器、分凝器-全凝器

7、两种不同的设置。工业上以采用全凝器为主，以便准确控制回流比。2.2筛板塔设计须知（1）筛板塔设计是在有关工艺计算已完成的基础上进行的。对于气、液恒摩尔流的塔段，只需任选其中一块塔板进行设计，并可将该设计结果用于此塔段中。例如，全塔最上面一段塔段，通常选上面第一块塔板进行设计；全塔最下面一段塔段，通常选最下面一块塔板进行设计。这样计算便于查取气液相物性数据。（2）若不同塔段的塔板结构差别不大，可考虑采用同一塔径，若不同塔段塔板的筛孔数、空心距与筛孔直径之比t/d0可能有差异。对筛孔少、塔径大的塔段，为减少进塔壁处液体“短路”，可在近塔壁处设置挡板。只有当不同塔段的塔径相差较大时才考虑采用不同塔径

8、，即异径塔。 （3）筛板塔的设计程序 选定塔板液流形式、板间距 HT、溢流堰长与塔径之比lw/D、降液管形式及泛点百分率。 塔径计算。 塔板版面布置设计及降液管设计。 塔板操作情况的校核计算作负荷性能图及确定确定操作点三、设计计算书3.1设计参数的确定3.1.1进料热状态泡点进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料，提馏段和精馏段塔径大致相同，在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数，使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求，泡点进料，q1。3.1.2加热方式精馏塔

9、的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇-水体系中，苯是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，甲苯为重组分由塔底排出。所以本设计应采用再沸器提供热量，采用3kgf/cm2（温度120）间接水蒸汽加热。3.1.3回流比（R）的选择实际操作的R必须大于Rmin，但并无上限限制。选定操作R时应考虑，随R选值的增大，塔板数减少，设备投资减少，但因塔内气、液流量L，V，L，V增加，势必使蒸馏釜加热量及冷凝器冷却量增大，耗能增大，既操作费用增大。若R值过大，即气液流量过大，则要求塔径增大，设备投资也随之有所增大。其设备投资操作费用与回流比之间的关系如下图所示。总费用最低点对

10、应的R值称为最佳回流比。设计时应根据技术经济核算确定最佳R值，常用的适宜R值范围为：R（1.22）Rmin。本设计考虑以上原则，选用：R1.5Rmin。3.1.4 塔顶冷凝水的选择 钦州钦江，温度t253.2流程简介及流程图3.2.1流程简介含乙醇0.1097（摩尔分数）的乙醇-水混合液经过预热器，预热到泡点进料。进入精馏塔后分离，塔顶蒸汽冷凝后有一部分作为产品（含乙醇0.9048），一部分回流再进入塔中，塔底残留液给再沸器加热后，部分进入塔中，部分液体作为产品排出塔体（含乙醇0.0036）。3.2.2工艺流程图图3-1 工艺流程简图3.2.3 塔设备工艺条件图图3-2 设备结构简图3.2.4

11、塔板和筛孔局部放大图图3-3 塔板和筛孔的局部发大图3.3理论塔板数的计算与实际板数的确定3.3.1物料恒算原料乙醇的摩尔组成： ；塔顶产品乙醇的摩尔组成： ；塔底残液乙醇的摩尔组成：（均化为摩尔分数）；进料量：F=28万吨/年= 总物料恒算： 1845=D+W (1)乙醇物料恒算： 0.09941845=0.9048D+0.0039W (2)联立(1)(2)解得： D=216.67Kmol/h=0.0602kmol/s W=1628.33Kmol/h=0.4523kmol/s3.3.2 q线方程 XF0.1097 q1 q线方程为：X0.1097;3.3.3 平衡线方程乙醇（A）水（B）二组

12、分体系在下的气液平衡数据 表3-1 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系 二元体系T-X-Y图如下： 图3-4 乙醇（水）的摩尔分数与温度的关系所以，平衡线如下图 图3-5 乙醇的摩尔分数与水的摩尔分数气液平衡3.3.4和的确定读图得 ; 3.3.5精馏段操作线方程 3.3.6提镏段操作线方程已知 D=216.67Kmol/h R=4.1精馏段：LRD3.2216.67=693.3kmol/h V（R1）D（3.2+1）216.67=910.0kmol/h提馏段：LLqF693.3+1845=2538.3 kmol/h VV（1q）FV910.0kmol/h 3.3.7图解法求理论塔

13、板数 图3-6 图解法求理论板数由图可知：全塔理论板数 块 （包括再沸器），加料板为第24块理论板精馏塔理论板数 块提馏塔理论板数 块3.3.8实际塔板数确定在平均温度88.65下，乙醇的黏度是0.392 ，水的黏度是0.3215由Oconnell法，可计算得精馏段实际板层数：提馏段实际板层数：即该精馏塔实际层板数： NP=NP精+NP提=55块 全塔效率 四、精馏塔工艺条件计算4.1操作压强的选择塔顶压力PD=101.325kPa，取每层塔板压降P=0.6kPa进料塔板压力：塔釜压力：5s 故降液管尺寸可用。6.4.6降液管底隙高度（1）精馏段 取降液管底隙的流速取， （2）提馏段 取降液管

14、底隙的流速取6.4塔板布置及筛孔数目与排列6.5.1边缘区宽度确定取m6.5.2开孔区面积计算6.5.3筛孔计算及开孔率 取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，一般碳钢的板厚 =3mm，取 ，故：孔中心距筛孔数目n为个开孔率为每层塔板上开孔面积 气体通过阀孔的气速:精馏段提馏段七、筛板的流体力学计算7.1塔板压降7.1.1干板阻力计算汽相通过筛板压降相当的液柱高度 1.干板压降相当的液柱高度 依查图，=0.84 （1）精馏段干板阻力 因故 （1）提馏段 7.1.2气体通过液层的阻力h计算， ；查下表得，查下表得精馏段（液柱）提馏段（液柱）7.1.3克服液体表面张力压降相当的液柱高度计算精馏段 （液柱

15、）提馏段 （液柱）7.2雾沫夹带量 的计算精馏段 (kg液/kg气)精馏段：,提馏段： 本设计液沫夹带量在允许范围0.1 kg液/kg气内,符合要求7.3漏液的验算筛板塔,漏液点气速,精馏段:提馏段:实际孔速:精馏段，提馏段。稳定系数:精馏段,提馏段均大于1.5,所以设计无明显液漏符合要求7.4液泛验算为防止塔内发生液泛,降液管内液层高对于设计中的乙醇-水体系，由于板上不设进口堰,液柱液柱精馏段提馏段所以不会发生液泛现象,根据以上塔板的各项流体力学验算，可认为塔径及各工艺尺寸是合适的。八、塔板负荷性能图8.1液沫夹带线以kg液/kg气为限求-关系：由， 精馏段,整理得 提馏段解得； 在操作范围

16、内任取两个 值，可算出 值 表8-1 雾沫夹带线计算结果10.6672 10.5422 10.4372 10.3438 10.2578 10.1773 9.9593 15.0814.8814.6714.6214.4514.3613.99依表中数据在-图中做出雾沫夹带线，如图8-1和图8-2中的1线所示8.2液泛线()= （1） 精馏段 ()= （2） 提馏段 ()= 表8-2 液泛线计算结果15.8034 15.6888 15.5917 15.5042 15.4229 15.3462 15.1341 17.531217.431717.347917.298817.274717.265817.24

17、33依表中数据在-图中做出泛液线，如图8-1和图8-2中2线所示8.3液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留的下限故精馏段： 提镏段： 液相负荷上限线在-图坐标图上为气体流量无关的垂直线，如图8-1和图8-2中3 线8.3.1漏液线 由 ， 带入漏液点气速式：（1）精馏段 =0.53429带入整理得 （2） 提馏段 =0.53429带入整理得此即汽相负荷下线关系式，在操作范围内任取n个Ls值，依式计算相应的值，列于下表，依表中数据做汽相负荷下限线，如图8-1 和图8-2的4线所示 表8-3 漏液线计算结果2.8677 2.9174 2.9584 2.9946 3.0274 3.0578

18、3.1388 9.45799.49729.49989.51719.56129.564610.21148.4液相负荷下线取平堰，堰上液层高度作为液相负荷下线条件，依式 此值在-作线即为液相负荷下限线，如图 8-1和图8-2中5线 所示将以上5条线标绘于图（-）、（-）中，即为塔负荷性能图。5条线包围区域为精、提馏段塔板操作区，P(A)为操作点，OP(OA)为操作线。OP(OA)线与线1的交点相应汽相负荷为，线与汽相负荷下限线4的交点相应汽相负荷为。可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。临界点的操作弹性= p 图8-1 精馏段负荷性能图 图8-2 提馏段负荷性能图表8-5 筛板塔设计计

19、算结果汇总项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强 KPa116.925132.825各段平均温度 81.8292.275平均流量汽相 7.18.72液相 0.00830.0058实际塔板数N块505板间距 m0.450.45塔底有效高度Zm22.051.8塔径Dm2.902.429空塔气速u1.231.23塔板液流型式单流型 溢流装置溢流管型式弓形堰长 m0.0490.054堰高 m1.95溢流堰宽度 m0.39管底与受液盘距离 m0.040.03板上清液层高度 m0.07孔径 mm5.0孔间距tmm15孔数n个27155开孔面积 0.53429筛孔气速 16.3216.32塔板压降 K

20、Pa1.00970.6014液体在降液管中停留时间 s4降液管内清液层高度 m0.12540.10442雾沫夹带 Kg/液/汽kg0.0300.020液相负荷上限 0.007110.00711液相负荷下限 0.0560.056汽相最大负荷 9.01汽相最小负荷 1.83操作弹性4.923表8-6 筛板塔计算结果汇总序号项目计算数据备注精馏段提馏段D（m）H T(m)u（m/s）l W (m)h W (m)hL/mh O(m)Nu0/(m/s)F0U0c1/(m/s)t/mt/m Pp1/PaHd/m塔径/m板间距/m塔板类型空塔气速/（m/s）堰长/m堰高/m板上层高度/m降液管底隙高度/m浮

21、阀个数/个阀孔气速/（m/s）浮阀动能因子干板阻力（m/s）孔心距/m排间距/m单板压降/Pa降液管内清液层高度/m泛点率%汽相负荷上线/（m/s）汽相负荷下线/（m/s）操作弹性2.90 2.4290.45 0.45单溢流弓形降液管1.23 1.231.95 1.950.042 0.0450.07 0.070.04 0.03316 29016.32 16.3220 228.47 9.590.075 0.0750.145 0.166680.3 776.770.157 0.157267.46 54.869.011.834.923九、辅助设备及零件设计9.1塔9.1.1塔顶封头本设计采用椭圆形封头

22、，由公称直径，内表面积，容积。则封头高度。9.1.2塔顶空间设计中取塔顶间距 ，考虑到需要安装除沫器，所以选塔顶空间为1.3m。9.1.3塔底空间塔底空间高度 是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜残液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m。则 9.1.4人孔对D1000mm的板式塔，为安装、检修的需要，一般每隔68塔板设一人孔，本塔中共有55块塔板，需设置7个人孔，每个人孔直径为450mm，在设置人孔处板间距HP=600mm。9.1.5进料板处板间距考虑在进口处安装防冲措施，取进料板板间距 =800mm。9.1.6裙座塔底常用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙

23、座。由于裙座内径800mm，故裙座壁厚取16mm。基础环内径：基础环外径：圆整后： 考虑到再沸器，取裙座高。那么，塔体总高度9.2塔的接管9.2.1进料管本设计采用直管进料。管径计算如下：取 ， 进料体积流量 查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。9.2.2回流液管采用直管回流，取 回流液体积流量查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。9.3塔底出料管采用直管出料，取查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。9.3.1塔顶蒸汽出料管采用直管回流，取 回流液体积流量m=498mm查标准系列选取= 5309规格的热轧无缝钢管9.3.2塔底蒸汽出料管采用直管出料，取查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。9.4塔的附属设计

24、9.4.1冷凝器的选择有机物蒸汽冷凝器设计选用总传热系数一般范围为。本设计取出料液温度冷却水逆流操作，则根据全塔热量衡算得： 传热面积： 取安全系数1.04，则所需传热面积选择浮头式换热器。9.4.2再沸器的选择选用120饱和水蒸气，总传热系数取出料液温度水蒸气温度逆流操作，则根据全塔热量衡算得： 传热面积： 取安全系数1.04，则所需传热面积选择浮头式换热器。10.参考文献1贾绍义，柴诚敬。化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计），天津:天津大学版社，2002，2陈秀宇,余美琼,陈国奋,杨金杯,陈文韬. 筛板精馏塔实验操作条件的改进J. 福建师大福清分校学报,2011,02:28-32

25、.3沈冲. 甲醇乙醇水离子液体体系汽液平衡的测定及热力学模型研究D.北京化工大学,2011.4国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计手册（上、下），北京:化学工业出版社，1996.5林军,顾正桂,苏复等.间歇精馏分离乙醇-DEM体系的研究J.计算机与应用化学,2008,25(8):975-977.DOI:10.3969/j.issn.1001-4160.2008.08.013. 十、结语 经过将近一个月的化工原理课程设计终于告一段落，这个课程设计使我这个月过得非常充实同时收获也非常多；总结于下： 繁杂、冗长的数据，长篇的文档，检查，纠正，再检查再纠正，反反复复去修改每个数据每个细节，让我慢

26、慢学会耐心，踏踏实实的，仔仔细细的，一步一步的去完成；知道做什么事都要花心思去做，知道了什么是好事多磨。我想这个经历在将来会一直激励我，无论做什么都要认真踏实的去做。 在做课程设计的过程中，自学了许多软件，例如origin，CAD等等，如果不使用这些辅助软件，我想我应该是完成不了这个课程设计的。编辑文档、处理数据让我更熟练word和access的使用。这次课程设计无论是对于一年后毕业论文的设计还是工作后各种文档报告的书写，都有莫大的好处。 这次课程设计还教会了我发现问题，主动思考问题，多与同学交流，以新的思维，新的方法去思考，比如在做负荷性能图上，大家都觉得很吃力，摸不着头脑，大家就聚在一起讨论交流，最终很好的去做完我们的设计，我们经过一开始什么都不懂到思路清晰的过程，这个经历也使我们不要害怕未知的东西，努力去尝试，去过我们精彩的人生