分离乙醇水的精馏塔设计5241.docx

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1、分离乙醇醇-水的精精馏塔设设计设计人员员：所在班级级： 化化学工程程与工艺艺 成绩绩：指导老师师：日期期：化工原理理课程设设计任务务书一、 设计题目目：乙醇醇-水连续续精馏塔塔的设计计二、 设计任务务及操作作条件（1） 进精馏塔塔的料液液含乙醇醇35（质量量分数，下下同），其其余为水水；（2） 产品的乙乙醇含量量不得低低于900；（3） 塔顶易挥挥发组分分回收率率为999；（4） 生产能力力为5000000吨/年年90的乙醇醇产品；（5） 每年按3330天天计，每每天244小时连连续运行行。（6） 操作条件件a） 塔顶压强强 4kkPa （表压压）b） 进料热状状态 自自选c） 回流比 自选

2、d） 加热蒸汽汽压力 低压蒸蒸汽（或或自选）e） 单板压降降 kPPa。三、 设备形式式：筛板板塔或浮浮阀塔四、 设计内容容：1、 设计说明明书的内内容1） 精馏塔的的物料衡衡算；2） 塔板数的的确定；3） 精馏塔的的工艺条条件及有有关物性性数据的的计算；4） 精馏塔的的塔体工工艺尺寸寸计算；5） 塔板主要要工艺尺尺寸的计计算；6） 塔板的流流体力学学验算；7） 塔板负荷荷性能图图；8） 精馏塔接接管尺寸寸计算；9） 对设计过过程的评评述和有有关问题题的讨论论；2、 设计图纸纸要求；1） 绘制生产产工艺流流程图（AA2 号号图纸）；2） 绘制精馏馏塔设计计条件图图 （AA2 号号图纸）；五、

3、设计基础础数据：1. 常压下乙乙醇-水体体系的tt-x-y 数数据；2. 乙醇的密密度、粘粘度、表表面张力力等物性性参数。一、 设计题目目：乙醇醇-水连续续精馏塔塔的设计计二、 设计任务务及操作作条件：进精馏馏塔的料料液含乙乙醇355（质质量分数数，下同同），其其余为水水；产品品的乙醇醇含量不不得低于于90；塔顶顶易挥发发组分回回收率为为99，生产产能力为为500000吨吨/年990的的乙醇产产品；每每年按3330天天计，每每天244小时连连续运行行。塔顶顶压强 4kPPa （表表压）进进料热状状态 自自选回流流比 自自选 加加热蒸汽汽压力 低压蒸蒸汽（或或自选）单单板压降降 0.77kPaa

4、。三、 设备形式式：筛板板塔四、 设计内容容：1） 精馏塔的的物料衡衡算：原料乙醇醇的组成成xF0.17440原料乙醇醇组成 xDD0.777888塔顶易挥挥发组分分回收率率90平均摩尔尔质量 MF =由于生产产能力5500000吨年，.则 qqn，FF所以，qqn，DD2） 塔板数的的确定：甲醇水水属非理理想体系系，但可可采用逐逐板计算算求理论论板数,本设计计中理论论塔板数数的计算算采用图图解法。由乙醇醇和水有有关物性性的数据据，求的的求得乙乙醇水体系系的相对对挥发度度=5.10116，最小回流流比的计计算：采采用泡点点进料，所所以q1，xxF，由气液平平衡方程程y ， 所所以yqq，即，把

5、把xF=xq=𝟎.𝟏𝟕𝟎作作y轴平平行线交交操作线线与f.如下图图即 .求求得yqq=0.51330.所以，根根据最小小回流比比计算公公式Rmmin即，Rmmin=,根据据回流比比R是最最小回流流比的合合适倍数数，所以以选择选选择2倍倍。即RR=2RRminn=0.8799. 进进料热状状况选择择为泡点点进料，所所以q=1精馏段，根根基操作作线方程程：y= 所以以，y=0.4468 x+00.4115 联联立y=x 所所以x=xD=0.778011 提馏段，yy=联立立y=xx求得yy=2.8722x-00.0778所以以提馏段段

6、x=xxw=00.044 根据xxD，xxw，及及xq以以及操作作线方程程，利用用图解法法在x-y坐标标上做出出平衡线线与对角角线并且且画梯级级作图如如下：由图可知知，精馏馏段塔板板为100.提馏馏段为55.一个个再沸器器.所以以提馏段段为4个个板.所所需总塔塔板数为为提馏段段和精馏馏段之和和，故，所所需总塔塔板数为为14.查手册得得水和乙乙醇气液液平衡数数据，tt数据利利用表22中数据据由拉格格朗日插插值可求求得、。进料口： , =779.226塔顶：，=788.055塔釜：，=977.633精馏段平平均温度度提馏段平平均温度度 由塔顶和和塔底平平均温度度得=查手册得得，由内内插法可可得在8

7、87.884下，乙乙醇的粘粘度为，水水的粘度度为可以有下下式求得得平均粘粘度其中xii-进料料中某组组分的摩摩尔分数数-该组分分的粘度度，按照照塔的平平均温度度下的液液体计则=0.4*00.37790+0.66*0.32445=00.34463mmPaSS带入回归归方程EE1=00.5663-00.2776lgg2=00.5994该算法为为泡罩塔塔蒸馏塔塔总板效效率，则则筛板塔塔为E=1.11E1=0.6533精馏段实实际板层层数 = 10/0.6653=16提馏段实实际板层层数 =44/0.6533=7进料板位位置 总的塔板板数 Nc=16+7=2233） 精馏塔的的工艺条条件及有有关物性性

8、数据的的计算：一、 乙醇气液液平衡数数据（1101.3kPPa）表1如如下T/液相xaa/%气相yaa/%T/液相xaa/%气相yaa/%T/液相xaa/%气相yaa/%1000088.336.938.1182.442555.5599.330.22.587.997.439.2281.6630.6657.7798.880.44.287.777.940.2281.2235.1159.6697.770.88.887.448.441.3380.884061.4496.771.212.88878.942.1180.4445.4463.4495.881.616.3386.779.442.998050.22

9、65.4495218.7786.449.943.8879.885466.9994.222.421.4486.2210.5544.6679.6659.6669.6693.442.924861145.4479.3364.1171.9992.663.326.2285.7711.5546.1178.8870.6675.8891.993.728.1185.4412.1146.9978.667679.3391.334.229.9985.2212.6647.5578.4479.8881.8890.884.631.668513.2248.1178.228686.4490.555.133.1184.8813.8

10、848.7778.11589.4489.4489.775.534.5584.7714.4449.339594.2289.22635.8884.551549.88100100896.53783.332053.11查阅文献献，整理理有关物物性数据据 表22如下（1）水水和乙醇醇的物理理性质水和乙醇醇的物理理性质名称分子式相对分子子质量密度20沸 点点101.33kkPa比热容(20)Kg/(kg.)黏度(20)mPa.s导热系数数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.0029981004.18831.00050.599972.88乙醇46.00778978.332.3991.1550.1

11、77222.88乙醇相对对分子质质量：446；水水相对分分子质量量：188由常压下下乙醇-水溶液液的温度度组成tt-x-y图可可查得塔顶温度度tD=788.3泡点进料料温度ttF=844.0塔釜温度度tW=999.9全塔平均均温度由液体的的黏度共共线图可可查得tt=877.4下，乙乙醇的黏黏度LL=0.38mmPas，水水的黏度度L =00.32269mmPas根据物性性参数数数据求的的求得乙乙醇水体系系的相对对挥发度度=5.10116，根根据最小小回流比比计算公公式Rmmin=(xDD-yqq)/(yq-xq)即，Rmmin=(0.77888-00.51179)/(00.51179-0.11

12、7400)=00.75586，由由于根据据选择适适宜的回回流比，选选择R=1.77Rmiin=11.28896，4） 精馏塔的的塔体工工艺尺寸寸计算：塔径的计计算 精馏馏段的气气、液相相体积流流率为提馏段的的气、液液相体积积流率为为由 由下式计计算由史史密斯关关联图查查取：精馏段：图的横坐坐标为：取板间距距 板上上液层高高度 ，则 HT-hL=0.40-0.005=00.355m查图得 =1.9903mm/s取安全系系数为00.7，则则空塔气气速为： 按标准塔塔径圆整整后为=1.44m塔截面积积为 精馏段实实际空塔塔气速为为 提馏段：图的横坐坐标为：取板间距距 板上上液层高高度 ，则查图得 =

13、1.0026mm/s取安全系系数为00.7，则则空塔气气速为： 按标准塔塔径圆整整后为=1.44m塔截面积积为 提馏段实实际空塔塔气速为为 精馏塔有有效高度度的计算算精馏塔有有效高度度为： 提馏段有有效高度度为：在进料板板上方开开一人孔孔，其高高度为00.8mm，故精馏塔塔的有效效高度为为：表5 塔板间间距与塔塔径的关关系塔 径/D，mm0.30.550.50.880.81.661.62.442.44.00板间距/HT，mmm20030002503500300450035060004006000由表验算算以上所所计算的的塔径对对应的板板间距均均符合，所所以以上上所假设设的板间间距均成成立。5）

14、塔塔板主要要工艺尺尺寸的计计算；溢流装置置计算因塔径DD=1.4m ,可选选用单溢溢弓形降降液管,采用凹凹形受液液盘.各各项计算算如下: 堰长长的计算算堰长一般般根据经经验公式式确定，对对于常用用的弓形形降液管管：单溢流 堰长 lw取 溢流堰高高度的计计算溢流堰高高度可由由下式计计算：式中：板上上清液层层高度，mm；一般般取5001000堰上上液层高高度，；一般设设计时不不宜超过过6070 mm. 对于平平直堰，堰堰上液层层高度可可用弗兰兰西斯（FFrannciss）公式式计算，即即式中：塔内内液体流流量，液体体收缩系系数。近似取EE=1 精馏段：，故取则则取板上清清液层高高度 故 提馏段：，

15、 故取取 则取板上清清液层高高度 故 弓形降液液管宽度度Wd及截面面积AFF精馏段： 由 查弓形形降液管管的参数数表得：得： 液体在降降液管中中停留时时间,按按式，即即故降液管管设计合合理，可可以实现现分离。提馏段：由查弓型降降液管参参数图得得：得： 液体在降降液管中中停留时时间,按按式，即即故降液管管设计合合理，可可以实现现分离。3.5.1.44 降液液管底隙隙高度hh0式中：液体体通过底底隙时的的流速， 根据经经验，取取=0.060.225精馏段：取 则则故降液管管底隙高高度设计计合理.选用凹凹形受液液盘深度度：提馏段：取 则则故降液管管底隙高高度设计计合理.选用凹凹形受液液盘深度度：塔板

16、的布布置板式塔类类型有多多种，经经过比较较工艺条条件的考考虑，本本设计采采用筛板板，以下下为筛板板的计算算。塔板分块块 因 , 故故塔板采采用分块块式.查查表6 表66塔径mmm800-1200014000-1660018000-2000022000-24400塔板分块块数3456得,塔板板分为44块.边缘区宽宽度确定定溢流堰前前安定区区宽度为为 进口堰后后的安定定区宽度度为Wss=500-1000mmm边缘区（无无效区）宽宽度为 取，开孔区面面积计算算开孔区面面积，按按下式计计算,即即其中故筛孔计算算及其排排列 本例例所处理理的物系系无腐蚀蚀性,可可选用 =3mmm碳钢钢板,取取筛孔直直径

17、dd0=5mmm 筛孔按按正三角角形排列列,取孔孔中心距距t 为为： 筛孔数数目n 为 ： 开孔孔率为 精馏段段气体通通过阀孔孔的气速速为： 提馏段段气体通通过阀孔孔的气速速为：筛孔计算算及其排排列 本例例所处理理的物系系无腐蚀蚀性,可可选用 =3mmm碳钢钢板,取取筛孔直直径 dd0=5mmm 筛孔按按正三角角形排列列,取孔孔中心距距t 为为： 筛孔数数目n 为 ： 开孔孔率为 精馏段段气体通通过阀孔孔的气速速为： 提馏段段气体通通过阀孔孔的气速速为：6)塔板板的流体体力学验验算塔板压降降精馏段 ：干板阻力力hc计算干板阻力力hc 由由下式计计算, 即 由，查常常用化工工单元设设备的设设计得

18、得, C0=0.7722故 液柱柱气体通过过液层的的阻力气体通过过液层阻阻力可由由下式计计算，即即 查充气系系数关联联图，得得到故 液体表面面张力的的阻力的的计算液体表面面张力所所产生的的阻力可可由下式式计算，即即 则气体通过过每层塔塔板的液液柱高度度 则 液柱气体通过过每层塔塔板的压压降为 （设计允允许值）提馏段：干板阻力力hc计算干板阻力力hc 由由下式计计算, 即 由，查常常用化工工单元设设备的设设计得得, C0=0.7722故液柱塔上液层层有效阻阻力hll计算液体表面面张力所所产生的的阻力hhl计算,即查充气系系数关联联图，得得到故 液体表面面张力的的阻力计计算液体表面面张力所所产生的

19、的阻力由由下式计计算，即即气体通过过每层塔塔板的液液柱高度度 则 液柱气体通过过每层塔塔板的压压降为 (设计允允许值)液面落差差对于筛板板塔,液液面落差差很小,且本例例的塔径径和液流流量均不不大,故故可忽略略液面落落差的影影响.液沫夹带带精馏段：液沫夹夹带量由由下式计计算,即即故在本设设计中液液沫夹带带量evv在允许许范围内内。提馏段：液沫夹夹带量由由下式计计算,即即 故在本设设计中液液沫夹带带量evv在允许许范围内内漏液对筛板塔塔,漏液液点气速速u0,minn计算,即精馏段：实际孔速速 稳定系数数为 故在本设设计中无无明显漏漏液提馏段：实际孔速速 稳定系数数为 故在本设设计中无无明显漏漏液液

20、泛为防止塔塔内发生生液泛,降液管管内液层层高 HHd应服从从下式的的关系,即精馏段：乙醇-水水体系属属一般物物系，取取=0.5,则则而板上不设设进口堰堰, hhd 可由由下式计计算,即即液柱 液柱=0.222m故在本设设计中不不发生液液泛现象象.提馏段：乙醇-水水物系属属一般物物系，取取=0.5,则则而板上不设设进口堰堰, hhd 可由由下式计计算,即即液柱 液柱=0.221755m故在本设设计中不不发生液液泛现象象.7) 塔塔板负荷性能能图漏液线由得=4.440.77720.11011.11整理得 在操作范范围内,任取几几个Lss 值, 依依上计算算 Vss 值, 计算算结果列列于表 7 .

21、 表表70.000060.000150.000300.000450.777100.799820.833180.85589由上表数数据即可可作出精精馏段漏漏液线提馏段漏漏液线：得=4.440.77720.11011.11整理得 在操作范范围内,任取几几个Lss 值, 依依上计算算 Vss 值, 计算算结果列列于表 8 .0.000060.000150.000300.000450.833710.911960.966731.0006液沫夹带带线以 evv =00.1kkg液/kg气气为限,求Vss- LLs 关关系如下下:由 精馏段：hf=2.5hll=2.5(hhw+howw)hw=00.0336

22、4mm故 整理得 ,0.000060.000150.000300.00045,3.01112.95522.81122.6995 在操操作范围围内,任任取几个个值,依依上式计计算出值值,计算算结果列列于下表表 9由上表数数据即可可作出精精馏段液液沫夹带带线提馏段：hf=2.5hll=2.5(hhw+howw)hw=00.03351mm故 整理得 ,0.000060.000150.000300.00045,3.59943.46683.30063.1669 在操操作范围围内,任任取几个个值,依依上式计计算出值值,计算算结果列列于下表表 100由上表数数据即可可作出提提馏段液液沫夹带带线液相负荷荷下限

23、线线对于平直直堰,取取堰上液液液层高高度作为为最小液液体负荷荷标准.由下式式得取E=11则精馏段提馏段据此可作作出与气气体流量量无关的的垂直液液相负荷荷下限线线液相负荷荷上限线线以作为液液体在降降液管理理中停留留时间的的下限,由下式式得故精馏段段据此可作作出与气气体流量量无关的的垂直液液相负液液上限线线。液泛线令由; ; ; 联联立得 忽略 将将 与,与, 与 的关关系式代代入上式式,并整整理得式中将有关的的数据代代入,得得精馏段：故 在操作范范围内,任取几几个值,依上式式计算出出 值值,计算算结果列列于下表表 111,0.000060.000150.000300.00045,3.47703.

24、38873.26623.1332由以上数数据即可可作出精精馏段液液泛线提馏段：故 在操作范范围内,任取几几个值,依上式式计算出出 值值,计算算结果列列于下表表 122,0.000060.000150.000300.00045,4.15584.05583.91123.7666由以上数数据即可可作出提提馏段液液泛线根据以上上各线方方程,可可作出精精馏段筛筛板塔的的负荷性性能图,如图所所示. 在负荷性性能图上上，作出出精馏段段操作线线，由图图可看出出，该筛筛板的操操作上限限为液泛泛控制，下下限为漏漏夜控制制。由图图查得s mmax=0.778m3/s ， s mmin=3.224m3/s故操作弹弹性

25、为 s mmax/s mmin=3.224/00.788=4.15根据以上上各线方方程,可可作出提提馏段筛筛板塔的的负荷性性能图,如图所所示. 在负荷性性能图上上，作出出提留段段操作线线；由图图可看出出，该筛筛板的操操作上限限为液泛泛控制，下下限为漏漏夜控制制。由图图查得s mmax=0.885 mm3/s ， s mmin=3.66m3/s故操作弹弹性为 s mmax/s mmin=0.885/33.6=4.223根据以上上各线方方程,可可作出提提馏段筛筛板塔的的负荷性性能图,如图所所示. 筛板塔设设计计算算结果序号项目数值1平均温度度tm，（精馏馏段）78.665平均温度度tm，(提馏馏段

26、)88.44452平均压力力Pm,，kkPa（精精馏段）108.45平均压力力Pm,，kkPa(提馏段段)113.353气相流量量VS（m3/s）（精精馏段）2.0115气相流量量VS（m3/s）（提提馏段）1.98814液相流量量LS(m3/s) （精精馏段）0.00027002液相流量量LS(m3/s) （提提馏段）0.000308815实际塔板板数226有效段高高度Z，mm887塔径,mm1.48板间距,m0.49溢流形式式单溢流10降液管形形式弓形11堰长,mm0.922412堰高,mm（精馏馏段）0.03364堰高,mm（提馏馏段）0.0335113板上液层层高度,m0.055014

27、堰上液层层高度,m（精精馏段）0.01136堰上液层层高度,m（提提馏段0.011489915降液管底底隙高度度m(精精馏段)0.02244降液管底底隙高度度m(提提馏段)0.0227816安定区宽宽度,mm0.07717边缘区宽宽度,mm0.033518开孔区面面积,mm21.11119筛孔直径径,m0.000520筛孔数目目5698821孔中心距距,m0.011522开孔率,%10.1123空塔气速速,m/s1.288824筛孔气速速,m/s(精精馏段)17997筛孔气速速,m/s(提提馏段)17.66725稳定系数数(精馏馏段)2.3555稳定系数数(提馏馏段)2.044326负荷上限限

28、液泛控制制27负荷下限限漏液控制制28液沫夹带带eV,(kkg液/kg气气)0.129液相负荷荷上限,m3/s0.0007888230液相负荷荷下限mm3/s0.0111131操作弹性性（精馏馏段）4.155操作弹性性（提馏馏段）4.2338)精馏馏塔接管管尺寸计计算；进料管前已算出出，塔径径D=00.7mm，故可可采用简简单的直直管进料料结构，不不加套管管，手可可入塔检检修，由由下式计计算进料料管直径径 料液由泵泵输送时时可取11.52.55m/ss取则D=00.0331m=31mmm，选内管为为323.5，aa=100mm b=25mmm c=110mmm HH2=1150mmm 回流管通

29、常重力力回流管管内液速速度取00.2-0.55m/ss，由泵泵输送uuR=1.2-22.5mm/s，取取uR=2mm/s，回回流管直直径液相：L=2009.1125440.666=885033.022kg/hD=取管规格格45mmm塔顶蒸汽汽出料管管 塔顶的的温度为为78.3，此时时气相组成成：塔顶蒸气气密度蒸气体积积流量常压下蒸蒸汽的速速度为115m/s蒸汽量为为V=mm3/s取回流管管规格为为。塔釜排出出管一般取00.5-1.00m/ss，取00.8mm/sMl=118.228kgg/kmmol 33Lw=取此管规规格为660mmm10） 对设计过过程的评评述和有有关问题题的讨论论；2设计

30、图图纸要求求；1绘制生生产工艺艺流程图图（A22 号图图纸）；乙醇水溶液液经预热热至泡点点后，用用泵送入入精馏塔塔。塔顶顶上升蒸蒸气采用用全冷凝凝后，部部分回流流，其余余作为塔塔顶产品品经冷却却器冷却却后送至至贮槽。塔釜采采用间接接蒸汽再再沸器供供热，塔塔底产品品经冷却却后送入入贮槽。精馏装置置有精馏馏塔、原原料预热热器、再再沸器、冷凝器器、釜液液冷却器器和产品品冷却器器等设备备。热量量自塔釜釜输入，物物料在塔塔内经多多次部分分气化与与部分冷冷凝进行行精馏分分离，由由冷凝器器和冷却却器中的的冷却介介质将余余热带走走。乙醇水水混合液液原料经经预热器器加热到到泡点温温度后送送入精馏馏塔进料料板，在

31、在进料板板上与自自塔上部部下降的的的回流流液体汇汇合后，逐逐板溢流流，最后后流入塔塔底。在在每层板板上，回回流液体体与上升升蒸汽互互相接触触，进行行热和质质的传递递过程。1) 乙醇水工工艺流程程图2)精馏馏塔设计计条件图图：a,b图a图b五 设设计基础础数据：1常压下下乙醇-水水体系的的t-xx-y 数据；液相中乙乙醇摩尔尔分数气相中乙乙醇摩尔尔分数xy0.0000 0.0000 0.0110 0.1110 0.0220 0.1775 0.0440 0.2773 0.0660 0.3440 0.0880 0.3992 0.1000 0.4330 0.1440 0.4882 0.1880 0.5

32、113 0.2000 0.5225 0.2550 0.5551 0.3000 0.5775 0.3550 0.5995 0.4000 0.6114 0.4550 0.6335 0.5000 0.6557 0.5550 0.6778 0.6000 0.6998 0.6550 0.7225 0.7000 0.7555 0.7550 0.7885 0.8000 0.8220 0.8550 0.8555 0.8994 0.8994 0.9000 0.8998 0.9550 0.9442 1.0000 1.0000 3. 2乙醇的的密度、粘度、表面张张力等物物性参数数。名称分子式相对分子子质量密度20沸

33、 点点101.33kkPa比热容(20)Kg/(kg.)黏度(20)mPa.s导热系数数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.0029981004.18831.00050.599972.88乙醇46.00778978.332.3991.1550.177222.88乙醇相对对分子质质量：446；水水相对分分子质量量：188设计总结结与心得得：精溜塔的的设计，在在化工行行业有较较广的应应用，通通过短短短两周的的设计，使使我认识识到精溜溜在应用用是十分分广泛的的，但是是，要把把此塔设设计好，是是有一定定难度的的，它不不仅要求求我们拥拥有熟练练的理论论基础，还还要求我我们掌握握一定的的实践基基础。在本设计计中，计计算复杂杂，计算算量大。很多细细节需要要认真的的思考分分析后，作作出判断断，这过过程中，多多亏了我我和吴喆喆同学在在一起讨讨论，假假设，和和计算才才终于获获得了乙乙醇水精馏馏塔设计计的圆满满成功。这次设设计是我我们收获获很多，原原来化工工操作和和生产包包含了如如此多的的技术和和知识。我们也也在本次次设计中中认知到到了自己己知识储储备的不不足，认认识到了了不足后后，我们们也会以以更加严严谨的态态度去学学习化工工原理这这门课，只只有理论论和实践践相结合合才能发发挥知识识更大的的作用。47