乙醇水筛板精馏塔设计化工原理课程设计(27页).docx

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1、-乙醇水筛板精馏塔设计化工原理课程设计-第 27 页化工原理课程设计设计题目乙醇-水筛板精馏塔设计学生姓名学号班级指导教师 设计时间2015年5月1日6月22日完成时间2015年6月23日于徐州目录一、总论41.1概述41.2文献综述41.2.1板式塔类型41.2.2筛板塔41.3设计任务书51.3.1设计题目51.3.2设计条件51.3.3设计任务5二、设计思路5三、工艺计算63.1 平均相对挥发度的计算63.2绘制t-x-y图及x-y图73.3 全塔物料衡算83.3.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数83.3.2 平均摩尔质量93.3.3全塔物料衡算：9进料量：93.4最小回流比的计算和适

2、宜回流比的确定93.4.1最小回流比93.4.2 确定最适操作回流比R103.5 图解法求理论板数及加料板位置113.5.1精馏段和提馏段操作线方程的确定113.5.2 理论板数及加料板位置123.6 实际板数及加料板位置确定13四、塔板结构设计134.1气液体积流量134.1.1 精馏段的气液体积流量134.1.2 提馏段的气液体积流量154.2 塔径计算164.2.1 塔径初步估算164.2.2校核HT与D的范围184.3 塔高的计算184.4 塔板结构设计194.4.1塔板结构尺寸的确定194.4.2 弓形降液管204.4.3 塔盘布置214.4.4开孔面积计算214.4.5筛板的筛孔和

3、开孔率224.5塔板流体力学校核224.5.1 塔板阻力224.5.2液面落差244.5.3 液沫夹带量校核254.5.4严重漏液校核254.5.6降液管溢流液泛校核254.6 塔板性能负荷图264.6.1漏液线274.6.2 液沫夹带线274.6.3液相负荷下限线274.6.4液相负荷上限线284.6.5液泛线28五、换热器295.1 换热器的初步选型295.1.1塔顶冷凝器295.1.2塔底再沸器295.2 塔顶冷凝器的设计29六、精馏塔工艺条件316.1塔体总高316.2 精馏塔配管尺寸的计算326.2.1塔顶汽相管径dp326.2.2回流液管径dR326.2.3 加料管径dF336.2

4、.4釜液排出管径dw336.2.5再沸器返塔蒸汽管径dv336.3精馏塔工艺尺寸34七、塔板结构设计结果35八、符号说明35九、结束语36一、总论1.1概述化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物。其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作。在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂）。使气、液两相多次直接接触和分离。利用液相混合物中各组分挥发度的不同。使易挥发组分由液相向气相转移。难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合液中各组分的分离。该过程

5、是同时进行传质、传热的过程。在本设计中我们使用筛板塔。筛板塔的突出优点是结构简单造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性。而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一。五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响。可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成。使用碳钢的比率较少。它的主要优点是：结构简单。易于加工。造价为泡罩塔的60左右。为浮阀塔的80%左右；在相同条件下。生产能力比泡罩塔大20%

6、40%；塔板效率较高。比泡罩塔高15%左右。但稍低于浮阀塔；气体压力降较小。每板降比泡罩塔约低30%左右。缺点是：小孔筛板易堵塞。不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约23）。蒸馏是分离均相混合物的单元操作。精馏是最常用的蒸馏方式。是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练。为以后从事设计工作打下坚实的基础。1.2文献综述1.2.1板式塔类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分

7、册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。 板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。 板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，先以筛板精馏塔为主体进行设计。1.2.2筛板塔 筛板塔也是传质过

8、程常用的塔设备，它的主要优点有：（1）、结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。（2）、处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。（3）、塔板效率高，比泡罩塔高15左右。（4）、压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是：（1）、塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。（2）、操作弹性较小(约23)。（3）、小孔筛板容易堵塞1.3设计任务书1.3.1设计题目乙醇-水筛板精馏塔设计1.3.2设计条件常压p=1atm（绝压）。原料来自粗馏塔，露点进料，进料组成23%乙醇（质量分数）塔顶浓度为含乙醇92.41%（质量分数）的乙醇，产量为30吨/天；塔

9、釜采用饱和蒸汽直接加热，从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于0.3%（质量分数）；塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比R=1.12.0Rmin；公用工程：循环冷却水：进口温度32，出口温度38；导热油：进口温度260，出口温度250厂址：徐州地区1.3.3设计任务1、完成该精馏塔的工艺设计，包括辅助设备及进出口管路的计算和选型；2、画出带控制点工艺流程图、xy相平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图；3、写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。二、设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，

10、然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。乙醇水混合液经原料预热器加热，进料状况

11、为汽液混合物q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。图1 流程示意图三、工艺计算3.1 平均相对挥发度的计算由相平衡方程 （1-1） 得： （1-2）查阅相关资料，常压下乙醇和水的气液平衡数据如下表表1 常温常压下乙醇-水的平衡数据x0.1800.2000.2500.3000.3500.400y0.5100.5250.5510.5750.5950.610x0.4500.5000.5500.6000.6500.700y0.6350.6570.6780.6900.7250.75

12、5由道尔顿分压定律 （1-3）得 （1-4）将上表数据代入得：序号123453.68153.15692.72542.35012.1263序号6789101.91551.72281.54081.41961.3207则 3.2绘制t-x-y图及x-y图表2乙醇水系统txy数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.0

13、0.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41根据上面表中的数据绘制乙醇-水的t-x-y相图，如下：图2 乙醇-水相图3.3 全塔物料衡算查阅相关文献，

14、整理有关物性参数表3 乙醇-水物性参数项目数值年处理原料能力F=3000t/a质量分数F=0.23D=0.9241W=0.003分子量M乙醇=46.07kg/kmolM水=18.01kg/kmol3.3.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F：进料量（kmol/h） ：原料组成（摩尔分数。下同）D：塔顶产品流量（kmol/h） ：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/h） ：塔底组成根据公式 ： （1-5）原料液乙醇的摩尔组成 =塔顶产品乙醇的摩尔组成 = 塔底残夜乙醇的摩尔组成 =3.3.2 平均摩尔质量根据公式可得： （1-6）原料液的平均摩尔质量：馏出液的平均摩尔质量：塔釜残液的平均摩尔量：

15、3.3.3全塔物料衡算：进料量：F=30吨/天=全塔物料衡算式：F=D+W FxF= DxD+WxW 解之得：D=6.404 kmol/h ，W=44.692 kmol/h表3物料衡算表项 目数 值进料流量F，kmol/h51.096塔顶产品流量D，kmol/h6.404塔釜残液流量W，kmol/h44.692进料组成，xF(摩尔分数）0.1046塔顶产品组成，xD(摩尔分数）0.8264塔釜残液组成，xW(摩尔分数）0.0011753.4最小回流比的计算和适宜回流比的确定3.4.1最小回流比平衡线方程 因为 所以 相平衡方程： 泡点进料 ： 最小回流比 ： 3.4.2 确定最适操作回流比R由

16、Fenske方程计算最小理论板数Nmin图3 吉利兰关联图为了避免吉利兰图反复转载以及查图误差，可由下面公式计算N的值X=R-RminR+1 (1-7)Y=N-NminN+1 (1-8)Y=1-exp(1+54.4X)(X-1)(11+117.2X)X (1-9)Y=0.75-0.75X0.5668 (1-10)表4 RNT关系计算结果RXYNT3.6270.0000.75028.8804.3520.1360.50814.1955.0780.2390.41711.8135.8030.3200.35710.6166.5290.3850.3139.8757.2540.4390.2799.366图4

17、 NT-R关系图由图可知最适回流比R=5.0783.5 图解法求理论板数及加料板位置3.5.1精馏段和提馏段操作线方程的确定精馏段： 精馏段操作线方程： (1-11)提馏段： 提馏段操作线方程： (1-12)3.5.2 理论板数及加料板位置精馏段：由平衡线方程的：与联立已知y1=xD=0.8264 x1= y2=依次类推，可得：x1=0.6103y1=0.8264x2=0.3726y2=0.6436x3=0.2088y3=0.4452x4=0.1279y4=0.3084x5=0.0945y5=0.2408x6=0.0817y6=0.2129 X5=0.0945 xq=0.1046提馏段由平衡线

18、方程的：与联立 =0.2016依次类推： x6=0.0767 y6=0.2016 x7=0.0604 y7=0.1634 x8=0.0462 y8=0.1283 x9=0.0344 y9=0.0978 x10=0.0251 y10=0.0726 x11=0.0179 y11=0.0526 x12=0.0125 y12=0.0372 x13=0.0086 y13=0.0256 x14=0.0057 y14=0.0170 x15=0.0036 y15=0.0108 x16=0.0021 y16=0.0064 x17=0.0010 y17=0.0032 x17=0.00102.4塔板间距HT/m0.

19、2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.80.6说明：工业塔中，板间距范围200900 mm由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。由以上的计算结果可以得到塔的平均蒸汽流量：塔的平均液相流量：塔的液相平均密度:塔的气相平均密度:由塔径公式 （1-15） 可知：由于示意的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。即 （1-16）取塔板间距，板上液高度那么分离空间高度：气液动能参数： 图5 史密斯关联图表面张力：,因为,需先求平均表面张力表12 水和乙醇的表面张力温度2030405060708090100110水的表面张力mN72.7

20、7169.367.76664.362.76058.456.8乙醇的表面张力22.321.220.419.818.81817.116.215.214.4根据上图使用内插法得：塔顶： 塔顶平均表面张力：进料板 进料板的平均表面张力：塔底 塔底的平均表面张力： 精馏段液体平均表面张力：提馏段液体平均表面张力：全塔液相平均表面张力：取空塔速率为最大允许速率的0.7倍，则空塔速率为：则塔径为： 根据标准塔径圆整为： 此时，精馏塔的上升蒸汽速度为：提馏段的上升蒸汽速度为：安全系数： 和均在0.6-0.8之间，符合要求。4.2.2校核HT与D的范围由此重新计算： A T =0.785D2 =0.785 m2

21、 A f = 0.088AT =0.0691 m2 A n= AT - Af =0.7159 m2 u = VS /An =1.584 m/s实际泛点百分率： u /u f =0.716 4.3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算: 一直实际塔板数N=32块，板间距，由于料液较轻的话，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔数目S为： 取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度： ，那么全塔高度： 4.4 塔板结构设计4.4.1塔板结构尺寸的确定由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分。图6 溢流装置图（10x20cm）取无效边缘区宽度,泡沫区宽度查得堰长： 弓形溢流管宽

22、度: 弓形降液管面积: 降液管面积与塔截面积之比：堰长与塔径之比 降液管的体积与液相流量之比，即液体在降液管中停留时间一般应大于5S,液体在精馏段降液管内的停留时间：符合要求液体在提馏段降液管内的停留时间：符合要求4.4.2 弓形降液管采用平直堰，堰高板上液层深度一般不宜超过6070堰上液流高度堰上液流高度可根据如下公式计算：E液体的收缩系数 液相的体积流量 堰长精馏段：由 查手册知 则 降液管底部离塔板距离,考虑液封取比小即 同理，提馏段: 由 查手册 E=1.0384.4.3 塔盘布置1. 受液区和降液区一般两区面积相等。2. 入口安定区和出口安定区。一般取安定区宽度WS =（50-100

23、）mm，一般取边缘区宽度WC =（30-50）mm WCWDWSlWrx图7 塔盘布置图4.4.4开孔面积计算已知，近取无效边缘区宽度，泡沫区宽度阀孔总面积可由下式得： （1-17）所以4.4.5筛板的筛孔和开孔率因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用的碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角排列：d0t图8筛孔的排列方式孔中心距筛孔数目：个开孔率： (在5-15%范围内)气体通过筛孔的气速为： （1-18）则精馏段： 提馏段： 4.5塔板流体力学校核4.5.1 塔板阻力塔板阻力hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 hd 气体通过板上孔的阻力（无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力； （c）克服

24、液体表面张力阻力 h孔口处表面张力气体通过塔板的压力降（单板压降） （1-19）-气体通过每层塔板压降相当的液柱高度-气体通过筛板的干板压降-气体通过板上液层的阻力-克服液体表面张力的阻力4.5.1.1干板阻力干板压降，由此公式计算： （1-20）根据 查干筛孔的流量系数图C0图9 塔板孔流系数图得 精馏段：液柱提馏段：液柱4.5.1.2板上充气液层阻力板上液层阻力用此的公式计算： （1-21）-板上清液层高度-反应板上液层充气程度的因数（充气因数）降液管横截面积，塔横截面积精馏段：动能因子： 查充气系数与的关联图可得则提馏段：动能因子：查充气系数与的关联图可得 则 4.5.1.3由表面张力引

25、起的阻力液体表面张力的阻力计算公式 ： （1-22）精馏段：提馏段：综上，故精馏段 液柱压降 提馏段 液柱压降 说明：（1）若塔板阻力过大，可增加开孔率或 降低堰高。（2）对于常压和加压塔，塔板阻力一般没有什么特别要求。（3）对于减压塔，塔板阻力有一定的要求。4.5.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和流量均不大，故可忽略液面落差的影响。4.5.3 液沫夹带量校核板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象，叫做液沫夹带。为保证板式塔能维持正常的操作效果，通常塔板上液沫夹带量，可按下式计算： （1-23）精馏段：提馏段：故在本设计中液沫夹带量在允许范围内，不会发生过量液沫夹带。4.5

26、.4严重漏液校核漏液验算，根据公式： （1-24）稳定系数： -筛孔气速-漏液点气速精馏段：实际孔速：稳定系数为提馏段：实际孔速：稳定系数：故在本设计中无明显漏液。4.5.6降液管溢流液泛校核为阻止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从的关系： （乙醇-水不易分离的体系）精馏段： 又因为 板上不设进口堰：提馏段： 故在本设计中不会发生液泛现象。4.6 塔板性能负荷图在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了流体力学验算之后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此时，有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的

27、形式表示。图10 塔板负荷性能图4.6.1漏液线据此可以做出与流体流量无关的4.6.2 液沫夹带线以则解得 计算所得：Ls(m3/s)0.0020.0040.0060.008Vs(m3/s)0.00940.00880.00830.0078据此可作出液沫夹带线24.6.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上清液层高度作最小液体负荷标准，由 得 则：据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限34.6.4液相负荷上限线 以 作为液体在降液管管中停留时间的下限据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线44.6.5液泛线令联立的： （1-25）整理得： (1-26)列表计算如下Ls(m3/s)0.0040.

28、0060.0080.010Vs(m3/s)1.061.010.9450.88由此表数据即可做出液泛线5根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能曲线图11 精馏段筛板塔的负荷性能曲线五、换热器5.1 换热器的初步选型5.1.1塔顶冷凝器热负荷QC = (R+1)D(IVD - ILD)= (R+1)DMDrD = 4.63105 kcal/h。 取冷却水的进口温度为32，出口温度为38，则换热平均温 差Dtm =87.3，取换热系数K = 350 w/m2，则所需换热面积： S = 4.631051034.18 / (360035087.3) = 17.7 m2选择型号：标准系列JB1145-7

29、3 Fg20（单程）5.1.2塔底再沸器热负荷QB = (R+1)DMBrB = 2.08106 kJ/h。取导热油进口温度为260，出口温度为250， 则换热平均温差Dtm =57.5，取换热系数K = 500 w /m2；则所需换热面积：S = 2.08106103 /(360050057.5) = 20.0 m2 选择型号：标准系列JB1145-73 Fg20（单程）5.2 塔顶冷凝器的设计公用工程：循环冷却水：进口温度32，出口温度38；导热油：进口温度260，出口温度250表13不同流体的K值推荐高温流体低温流体K值推荐/kcal/m2h 有机蒸汽水350-650高沸点碳氢化合物蒸汽

30、水450-850有机蒸汽与水蒸汽混合物水400-750油汽蒸汽水350-450水蒸气水1500-2500甲醇蒸汽水450-550选择水蒸气-水循环系统，选择换热器，具体参数见下表表14 换热器参数外壳直径D/mm500公称压力P/Mpa1.6公称面积A/m257管程数Np2管子排列方式正方形管子尺寸/mm252.5管长l/m3管数NT/根248管心距t/mm32图12 换热器工艺尺寸图表15 塔顶冷凝器设计计算结果汇总表项目数值备注换热器类型固定管板式换热器面积57m2管程流体冷却水壳程流体塔顶汽相管程流速2.5m/s壳程流速12.5m/s外壳直径500mm管程数双程管子长度3.0m管子尺寸2

31、52.5正方形排列折流板型式弓形折流板折流板间距200mm壳程压降3.7kpa管程压降5.3kpa六、精馏塔工艺条件6.1塔体总高塔顶空间HD塔顶空间HD的作用是供安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，一般取11.5m塔底空间HB塔底空间HB具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有1015分钟的储量，以保证塔釜料液不致迅速排完，一般取2.02.5m人孔一般每隔68层塔板设一人孔（供安装、检修用），人孔处板间距650mm，人孔直径一般为450550mm，其伸出塔体的筒体长为200250mm，人孔中心距操作平台约8001200mm塔高H=(n-np-2)HT+HF+nPHp+HD+H

32、Bn实际塔板数 HF进料板处板间距，mnP人孔数Hp人孔处的板间距，取0.8mHD塔顶空间，m（不包括头盖部分）HB塔底空间，m（不包括底盖部分）HT板间距，m进料板处间距HF取1000mm塔底空间高度HB取2500mm塔顶空间高度HD取1000mm图13 塔高示意图6.2 精馏塔配管尺寸的计算6.2.1塔顶汽相管径dp塔顶汽相出口流速uv与塔的操作压力有关，常压可取1220m/s，减压可取2030m/s。选择常压20m/sdp=4VSuv=41183.8136003.1420=0.1447m=144.7mm根据国标管径规格向上圆整，塔顶汽相管径dp=150mm，塔顶汽相管型号选择DN1506.2.2回流液管径dR回流量前已算出，自回流的流速范围为0.20.5m/s；若用泵输送回流液，流速uR可取11.5 m/s。采用自回流，流速取0.5m/sdR=4LSuR=41.60736003.140.5=0.0337m=33.7mm根据国标管径规格向上圆整，回流液管径dR =40mm，回流液管型号选择DN40