分离乙醇水的精馏塔设计8845.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.分离乙醇-水的精馏塔设计 设计人员： 所在班级： 化学学工程与与工艺 成绩： 指导老师： 日期期： 化工原理课课程设计计任务书书一、 设计题目：乙醇-水水连续精精馏塔的的设计二、 设计任务及及操作条条件（1） 进精馏塔的的料液含含乙醇335（质质量分数数，下同同），其其余为水水；（2） 产品的乙醇醇含量不不得低于于90；（3） 塔顶易挥发发组分回回收率为为99；（4） 生产能力为为500000吨吨/年990的的乙醇产产品；（5） 每年按3330天计计，每天天

2、24小小时连续续运行。（6） 操作条件a） 塔顶压强 4kPPa （表表压）b） 进料热状态态 自选选c） 回流比 自自选 d） 加热蒸汽压压力 低低压蒸汽汽（或自自选）e） 单板压降 kPaa。三、 设备形式：筛板塔塔或浮阀阀塔四、 设计内容：1、 设计说明书书的内容容1） 精馏塔的物物料衡算算；2） 塔板数的确确定；3） 精馏塔的工工艺条件件及有关关物性数数据的计计算；4） 精馏塔的塔塔体工艺艺尺寸计计算；5） 塔板主要工工艺尺寸寸的计算算；6） 塔板的流体体力学验验算；7） 塔板负荷性性能图；8） 精馏塔接管管尺寸计计算；9） 对设计过程程的评述述和有关关问题的的讨论；2、 设计图纸要要

3、求；1） 绘制生产工工艺流程程图（AA2 号号图纸）；2） 绘制精馏塔塔设计条条件图 （A22 号图图纸）；五、 设计基础数数据：1. 常压下乙醇醇-水体系系的t-x-yy 数据据；2. 乙醇的密度度、粘度度、表面面张力等等物性参参数。一、 设计题目：乙醇-水水连续精精馏塔的的设计二、 设计任务及及操作条条件：进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；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

4、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。三、 设备形式：筛板塔塔四、 设计内容：1） 精馏塔的物物料衡算算：原料乙醇的的组成 xF0.17440原料乙醇组组成 xD0.777888塔顶易挥发发组分回回收率990平均摩尔质质量 MMF =由于生产能能力5000000吨年年，.则 qnn，F所以，qnn，D2） 塔板数的确确定：甲醇水属属非理想想体系，但但可采用用逐板计计算求理理论板数数,本设设计中理理论塔板板数的计计算采用用图解法法。由乙乙醇和水水有关物物性的数数据，求求的求得得乙醇水体系系的相对对挥发度度=5.10116，最

5、小回流比比的计算算：采用用泡点进进料，所所以q1，xxF，由气液平衡衡方程yy ， 所所以yqq，即，把把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 .求得得yq=0.551300.所以，根据据最小回回流比计计算公式式Rmiin即，Rmiin=,根据回回流比RR是最小小回流比比的合适适倍数，所所以选择择选择22倍。即即R=22Rmiin=00.8779. 进料料热状况况选择为为泡点进进料，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=x

6、D=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x=xxw=00.044 根据xDD，xww，及xxq以及及操作线线方程，利利用图解解法在xx-y坐坐标上做做出平衡衡线与对对角线并并且画梯梯级作图图如下：由图可知，精精馏段塔塔板为110.提提馏段为为5.一一个再沸沸器.所所以提馏馏段为44个板.所需总总塔板数数为提馏馏段和精精馏段之之和，故故，所需需总塔板板数为114.查手册得水水和乙醇醇气液平平衡数据据，t数数据利用用表2中中数据由由拉格朗朗日插值值可求得得、。进料口： , =799.266塔顶：，=78.05塔釜：，=97.63精馏段

7、平均均温度提馏段平均均温度 由塔顶和塔塔底平均均温度得得=查手册得，由由内插法法可得在在87.84下，乙乙醇的粘粘度为，水水的粘度度为可以有下式式求得平平均粘度度其中xi-进料中中某组分分的摩尔尔分数-该组分的的粘度，按按照塔的的平均温温度下的的液体计计则=0.44*0.37990+00.6*0.332455=0.34663mPPaS带入回归方方程E11=0.5633-0.2766lg22=0.5944该算法为泡泡罩塔蒸蒸馏塔总总板效率率，则筛筛板塔为为E=11.1EE1=0.6533精馏段实际际板层数数 = 110/00.6553=116提馏段实际际板层数数 =4/0.6653=7进料板位置

8、置 总的塔板数数 NNc=116+77=2333） 精馏塔的工工艺条件件及有关关物性数数据的计计算：一、 乙醇气液平平衡数据据（1001.33kPaa）表1如如下T/液相xa/%气相ya/%T/液相xa/%气相ya/%T/液相xa/%气相ya/%1000088.36.938.182.42555.599.30.22.587.97.439.281.630.657.798.80.44.287.77.940.281.235.159.697.70.88.887.48.441.380.84061.496.71.212.8878.942.180.445.463.495.81.616.386.79.442.9

9、8050.265.495218.786.49.943.879.85466.994.22.421.486.210.544.679.659.669.693.42.924861145.479.364.171.992.63.326.285.711.546.178.870.675.891.93.728.185.412.146.978.67679.391.34.229.985.212.647.578.479.881.890.84.631.68513.248.178.28686.490.55.133.184.813.848.778.15589.489.489.75.534.584.714.449.39594

10、.289.2635.884.51549.8100100896.53783.32053.1查阅文献，整整理有关关物性数数据 表表2如下下（1）水和和乙醇的的物理性性质水和乙醇的的物理性性质名称分子式相对分子质质量密度20沸 点101.333kPPa比热容(20)Kg/(kkg.)黏度(20)mPa.ss导热系数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.0229981004.18331.00550.599972.8乙醇46.07778978.32.391.150.172222.8乙醇相对分分子质量量：466；水相相对分子子质量：18由常压下乙乙醇-水水溶液的的温度组组成t-x-yy图可查查得

11、塔顶温度 tD=788.3泡点进料温温度 tF=844.0塔釜温度 tW=999.9全塔平均温温度由液体的黏黏度共线线图可查查得t=87.4下，乙乙醇的黏黏度LL=0.38mmPas，水水的黏度度L =00.32269mmPas 根据物性参参数数据据求的求求得乙醇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，Rmiin=(0.777888-0.51779)/(0.51779-00.17740)=0.75886，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） 精馏塔的塔塔体工艺艺

12、尺寸计计算：塔径的计算算 精馏段段的气、液液相体积积流率为为 提馏段的气气、液相相体积流流率为由 由下式计算算由史密密斯关联联图查取取：精馏段：图的横坐标标为：取板间距 板上液液层高度度 ，则则 HT-hhL=0.40-0.005=00.355m查图得 =1.9003m/s取安全系数数为0.7，则则空塔气气速为： 按标准塔径径圆整后后为=11.4mm塔截面积为为 精馏段实际际空塔气气速为 提馏段：图的横坐标标为：取板间距 板上液液层高度度 ，则则查图得 =1.0226m/s取安全系数数为0.7，则则空塔气气速为： 按标准塔径径圆整后后为=11.4mm塔截面积为为 提馏段实际际空塔气气速为 精馏

13、塔有效效高度的的计算精馏塔有效效高度为为： 提馏段有效效高度为为：在进料板上上方开一一人孔，其其高度为为0.88m，故精馏塔的的有效高高度为： 表5 塔塔板间距距与塔径径的关系系塔 径/DD，m0.300.50.500.80.811.61.622.42.444.0板间距/HHT，mmm20033002503350300445035066004006600由表验算以以上所计计算的塔塔径对应应的板间间距均符符合，所所以以上上所假设设的板间间距均成成立。5）塔板板主要工工艺尺寸寸的计算算；溢流装置计计算因塔径D=1.44m ,可选用用单溢弓弓形降液液管,采采用凹形形受液盘盘.各项项计算如如下: 堰长

14、的的计算 堰长一一般根据据经验公公式确定定，对于于常用的的弓形降降液管：单溢流 堰长 llw取 溢流堰高度度的计算算溢流堰高度度可由下下式计算算：式中：板上清清液层高高度，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. 对于平直直堰，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：塔内液液体流量量， 液体收收缩系数数。近似取E=1 精馏段： ，故故取则取板上清液液层高度度 故 提馏段： ， 故故取 则则取板上清液液层高度度 故 弓形降液管管宽度WWd及截面面积AFF精馏段： 由由 查查弓形降降液管的的参数表表得：得： 液

15、体在降液液管中停停留时间间,按式式，即故降液管设设计合理理，可以以实现分分离。提馏段：由查弓型降液液管参数数图得：得： 液体在降液液管中停停留时间间,按式式，即故降液管设设计合理理，可以以实现分分离。3.5.11.4 降液管管底隙高高度h00式中：液体通通过底隙隙时的流流速， 根据经验验，取=0.00600.255精馏段：取取 则故降液管底底隙高度度设计合合理.选选用凹形形受液盘盘深度：提馏段：取取 则故降液管底底隙高度度设计合合理.选选用凹形形受液盘盘深度：塔板的布置置板式塔类型型有多种种，经过过比较工工艺条件件的考虑虑，本设设计采用用筛板，以以下为筛筛板的计计算。塔板分块 因 , 故塔塔板

16、采用用分块式式.查表表6 表6塔径mm800-1120001400-160001800-200002200-24000塔板分块数数3456得,塔板分分为4块块.边缘区宽度度确定溢流堰前安安定区宽宽度为 进口堰后的的安定区区宽度为为Ws=500-1000mmm边缘区（无无效区）宽宽度为 取，开孔区面积积计算开孔区面积积，按下下式计算算,即其中故筛孔计算及及其排列列 本例所所处理的的物系无无腐蚀性性,可选选用 =3mmm碳钢板板,取筛筛孔直径径 d00=5mmm 筛筛孔按正正三角形形排列,取孔中中心距tt 为： 筛筛孔数目目n 为为 ： 开孔率率为 精精馏段气气体通过过阀孔的的气速为为： 提提馏段

17、气气体通过过阀孔的的气速为为： 筛孔计算及及其排列列 本例所所处理的的物系无无腐蚀性性,可选选用 =3mmm碳钢板板,取筛筛孔直径径 d00=5mmm 筛筛孔按正正三角形形排列,取孔中中心距tt 为： 筛筛孔数目目n 为为 ： 开孔率率为 精精馏段气气体通过过阀孔的的气速为为： 提提馏段气气体通过过阀孔的的气速为为： 6)塔板的的流体力力学验算算塔板压降精馏段 ：干板阻力hhc计算干板阻力 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 液柱气体通过液液层的阻阻力气体通过液液层阻力力可由下下式计算算，即 查充气系数数关联图图，得到到故 液体表面张张

18、力的阻阻力的计计算液体表面张张力所产产生的阻阻力可由由下式计计算，即即 则气体通过每每层塔板板的液柱柱高度 则 液液柱气体通过每每层塔板板的压降降为 （设计允许许值）提馏段：干板阻力hhc计算干板阻力 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故液柱塔上液层有有效阻力力hl计算液体表面张张力所产产生的阻阻力hll计算,即 查充气系数数关联图图，得到到故 液体表面张张力的阻阻力计算算液体表面张张力所产产生的阻阻力由下下式计算算，即气体通过每每层塔板板的液柱柱高度 则 液液柱气体通过每每层塔板板的压降降为 (设计允许许值)液面落差对于筛板塔塔,液面面

19、落差很很小,且且本例的的塔径和和液流量量均不大大,故可可忽略液液面落差差的影响响.液沫夹带精馏段：液液沫夹带带量由下下式计算算,即故在本设计计中液沫沫夹带量量ev在允许许范围内内。提馏段：液液沫夹带带量由下下式计算算,即 故在本设计计中液沫沫夹带量量ev在允许许范围内内漏液对筛板塔,漏液点点气速uu0,mmin计计算,即即精馏段：实际孔速 稳定系数为为 故在本设计计中无明明显漏液液提馏段：实际孔速 稳定系数为为 故在本设计计中无明明显漏液液液泛为防止塔内内发生液液泛,降降液管内内液层高高 Hdd应服从从下式的的关系,即精馏段：乙醇-水体体系属一一般物系系，取=0.5,则则而板上不设进进口堰,

20、hdd 可由由下式计计算,即即液柱 液柱 =0.22mm故在本设计计中不发发生液泛泛现象.提馏段：乙醇-水物物系属一一般物系系，取=0.5,则则而板上不设进进口堰, hdd 可由由下式计计算,即即液柱 液柱 =00.21175mm故在本设计计中不发发生液泛泛现象.7) 塔板板负荷性能能图 漏液线由 得=4.40.77720.11011.11 整理得 在操作范围围内,任任取几个个Ls 值, 依上上计算 Vs 值, 计算结结果列于于表 77 . 表770.000060.001150.003300.004450.771100.798820.831180.85889由上表数据据即可作作出精馏馏段漏液液

21、线提馏段漏液液线：得=4.40.77720.11011.11 整理得 在操作范围围内,任任取几个个Ls 值, 依上上计算 Vs 值, 计算结结果列于于表 88 .0.000060.001150.003300.004450.837710.919960.967731.0066液沫夹带线线以 ev =0.1kgg液/kkg气为为限,求求Vs- Lss 关系系如下:由 精馏段：hhf=2.5hll=2.5(hhw+howw)hw=0.03664m故 整理得 ,0.000060.001150.003300.00445,3.01112.95222.81222.6955 在操作作范围内内,任取取几个值值,依

22、上上式计算算出值,计算结结果列于于下表 9由上表数据据即可作作出精馏馏段液沫沫夹带线线提馏段：hhf=2.5hll=2.5(hhw+howw)hw=0.03551m故 整理得 ,0.000060.001150.003300.00445,3.59443.46883.30663.1699 在操作作范围内内,任取取几个值值,依上上式计算算出值,计算结结果列于于下表 10由上表数据据即可作作出提馏馏段液沫沫夹带线线液相负荷下下限线对于平直堰堰,取堰堰上液液液层高度度作为最最小液体体负荷标标准.由由下式得得取E=1则则精馏段提馏段据此可作出出与气体体流量无无关的垂垂直液相相负荷下下限线液相负荷上上限线以

23、作为液体体在降液液管理中中停留时时间的下下限,由由下式得得故精馏段据此可作出出与气体体流量无无关的垂垂直液相相负液上上限线。液泛线令由; ; ; 联立立得 忽略 将 与,与, 与 的关关系式代代入上式式,并整整理得 式中 将有关的数数据代入入,得精馏段： 故 在操作范围围内,任任取几个个值,依依上式计计算出 值,计算结结果列于于下表 11 ,0.000060.001150.003300.00445,3.47003.38773.26223.1322由以上数据据即可作作出精馏馏段液泛泛线提馏段： 故 在操作范围围内,任任取几个个值,依依上式计计算出 值,计算结结果列于于下表 12,0.000060

24、.001150.003300.00445,4.15884.05883.91223.7666由以上数据据即可作作出提馏馏段液泛泛线根据以上各各线方程程,可作作出精馏馏段筛板板塔的负负荷性能能图,如如图所示示. 在负荷性能能图上，作作出精馏馏段操作作线，由由图可看看出，该该筛板的的操作上上限为液液泛控制制，下限限为漏夜夜控制。由由图查得得 s maxx=0.78mm3/s ， s mmin=3.224m3/s故操作弹性性为 s mmax/s mmin=3.224/00.788=4.15根据以上各各线方程程,可作作出提馏馏段筛板板塔的负负荷性能能图,如如图所示示. 在负荷性能能图上，作作出提留留段操

25、作作线；由由图可看看出，该该筛板的的操作上上限为液液泛控制制，下限限为漏夜夜控制。由由图查得得 s maxx=0.85 m3/s ， s mmin=3.66m3/s故操作弹性性为 s mmax/s mmin=0.885/33.6=4.223根据以上各各线方程程,可作作出提馏馏段筛板板塔的负负荷性能能图,如如图所示示. 筛板塔设计计计算结结果序号项目数值1平均温度ttm，（精馏馏段）78.655平均温度ttm，(提馏馏段)88.44452平均压力PPm,，kkPa（精精馏段）108.445平均压力PPm,，kkPa(提馏段段)113.3353气相流量VVS（m3/s）（精精馏段）2.0155气相

26、流量VVS（m3/s）（提提馏段）1.98114液相流量LLS(m3/s) （精精馏段）0.00227022液相流量LLS(m3/s) （提提馏段）0.003308115实际塔板数数226有效段高度度Z，mm887塔径,m1.48板间距,mm0.49溢流形式单溢流10降液管形式式弓形11堰长,m0.924412堰高,m（精精馏段）0.03664堰高,m（提提馏段）0.0355113板上液层高高度,mm0.050014堰上液层高高度,mm（精馏馏段）0.01336堰上液层高高度,mm（提馏馏段0.01448915降液管底隙隙高度mm(精馏馏段)0.02444降液管底隙隙高度mm(提馏馏段)0.0

27、277816安定区宽度度,m0.0717边缘区宽度度,m0.035518开孔区面积积,m221.1119筛孔直径,m0.005520筛孔数目569821孔中心距,m0.015522开孔率,%10.123空塔气速,m/ss1.288824筛孔气速,m/ss(精馏馏段)17977筛孔气速,m/ss(提馏馏段)17.67725稳定系数(精馏段段)2.3555稳定系数(提馏段段)2.043326负荷上限液泛控制27负荷下限漏液控制28液沫夹带eeV,(kkg液/kg气气)0.129液相负荷上上限,mm3/s0.0077882230液相负荷下下限m33/s0.0111131操作弹性（精精馏段）4.15操

28、作弹性（提提馏段）4.238)精馏塔塔接管尺尺寸计算算；进料管前已算出，塔塔径D=0.77m，故故可采用用简单的的直管进进料结构构，不加加套管，手手可入塔塔检修，由由下式计计算进料料管直径径 料液由泵输输送时可可取1.522.5mm/s取则D=0.0311m=331mmm， 选内管为323.5，aa=100mm b=25mmm c=110mmm HH2=1150mmm 回流管通常重力回回流管内内液速度度取0.2-00.5mm/s，由由泵输送送uR=1.2-22.5mm/s，取取uR=2mm/s，回回流管直直径液相：L=2099.1225400.666=85503.02kkg/hhD=取管规格4

29、45mmm塔顶蒸汽出出料管 塔塔顶的温温度为778.33，此时时气相组成：塔顶蒸气密密度蒸气体积流流量常压下蒸汽汽的速度度为155m/ss蒸汽量为VV=m3/s取回流管规规格为。塔釜排出管管 一般取00.5-1.00m/ss，取00.8mm/sMl=188.288kg/kmool 3Lw= 取此管规格格为600mm10） 对设计过程程的评述述和有关关问题的的讨论；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）；乙醇水水溶液经经预热至至泡点后后，用泵泵送入精精馏塔。塔塔顶上升升蒸气采采用全冷冷凝后，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。塔塔釜采用用间接

30、蒸蒸汽再沸沸器供热热，塔底底产品经经冷却后后送入贮贮槽。精馏装置有有精馏塔塔、原料料预热器器、再沸沸器、冷冷凝器、釜釜液冷却却器和产产品冷却却器等设设备。热热量自塔塔釜输入入，物料料在塔内内经多次次部分气气化与部部分冷凝凝进行精精馏分离离，由冷冷凝器和和冷却器器中的冷冷却介质质将余热热带走。乙醇水混混合液原原料经预预热器加加热到泡泡点温度度后送入入精馏塔塔进料板板，在进进料板上上与自塔塔上部下下降的的的回流液液体汇合合后，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) 乙醇水工艺艺流程图图2)精馏塔塔设计条条件图：a,bb

31、图a图b五 设计计基础数数据：1常压下乙乙醇-水体体系的tt-x-y 数数据；液相中乙醇醇摩尔分分数气相中乙醇醇摩尔分分数xy0.0000 0.0000 0.0100 0.1100 0.0200 0.1755 0.0400 0.2733 0.0600 0.3400 0.0800 0.3922 0.1000 0.4300 0.1400 0.4822 0.1800 0.5133 0.2000 0.5255 0.2500 0.5511 0.3000 0.5755 0.3500 0.5955 0.4000 0.6144 0.4500 0.6355 0.5000 0.6577 0.5500 0.6788

32、 0.6000 0.6988 0.6500 0.7255 0.7000 0.7555 0.7500 0.7855 0.8000 0.8200 0.8500 0.8555 0.8944 0.8944 0.9000 0.8988 0.9500 0.9422 1.0000 1.0000 3. 2乙醇的密密度、粘粘度、表表面张力力等物性性参数。名称分子式相对分子质质量密度20沸 点101.333kPPa比热容(20)Kg/(kkg.)黏度(20)mPa.ss导热系数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.0229981004.18331.00550.599972.8乙醇46.07778978.

33、32.391.150.172222.8乙醇相对分分子质量量：466；水相相对分子子质量：18设计总结与与心得：精溜塔的设设计，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。在本设计中中，计算算复杂，计计算量大大。很多多细节需需要认真真的思考考分析后后，作出出判断，这这过程中中，多亏亏了我和和吴喆同同学在一一起讨论论，假设设，和计计算才终终于获得得了乙醇醇水精馏馏塔设计计的圆满满成功。这这次设计计是我们们收获很很多，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。我我们也在在本次设设计中认认知到了了自己知知识储备备的不足足，认识识到了不不足后，我我们也会会以更加加严谨的的态度去去学习化化工原理理这门课课，只有有理论和和实践相相结合才才能发挥挥知识更更大的作作用。56