乙醇丙醇连续筛板式精馏塔设计.doc

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1、吉林化工学院 化工原理 课 程 设 计题目 乙醇-丙醇连续筛板式精馏塔的设计 教 学 院 化学与制药工程学院 专业班级 生药1101 学生姓名 李龙 学生学号 指导教师 计海锋 2013 年 12 月 07 日 化工原理课程设计任务书 一 设计题目：乙醇-丙醇连续筛板式精馏塔的设计二 任务要求 设计一连续筛板精馏塔以分离苯和甲苯（乙醇丙醇），具体工艺参数如下：原料加料量 F100kmol/h进料组成 xF0.441馏出液组成 xD0.941釜液组成 xw0.031塔顶压力 p100kpa单板压降 0.7 kPa2 工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝器，塔底间接加热，泡点进料，泡点回流。 三 主要

2、设计内容 1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计 （1）塔径及精馏和提馏段塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校核 （3）塔板的负荷性能图 （4）总塔高4、辅助设备原型与计算5、设计结果汇总6、工艺流程图及精馏塔工艺条件图摘要：目前用于气液分离的传质设备主要采用板式塔，对于二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。筛板塔是较早出现的一种板式塔。具有下列优点：生产能力大（20%40%），塔板效率高（10%15%），压力降低（30%50%），而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装、维修都较容易，从而获得了广泛应用。其中精馏塔的工艺设计计算包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸

3、的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。关键词：乙醇丙醇 ；气液传质分离 ；精馏 ； 筛板塔Abstract:At present,the gas-liquid separationformass transfer equipmentis mainly usedfor the separation ofplate tower,two yuan ofmixture,thecontinuous distillation process.Sieve plate toweris atowerof earlier.Has the following advantages:h

4、igh production capacity(20%40%), trayefficiency is high(10%15%),pressure drop(30%50%),and has the advantages of simple structure,traycostreduction of about 40%,installation,repaireasier,thusobtained the widespread application. Theprocess designof distillation columndesign and calculation,includingth

5、etower diameter,platepartssize calculation,platelayout,load performancediagramtray HydrodynamicsPerformanceCheck anddrawtray.Keywords:ethanolpropanol；gas-liquid mass transferseparation ；distillationsieve； plate tower目录前言.6第一章 流程的确定和说明.9 1.1设计的思路和流程的说明.9第二章 精馏塔的设计计算.10 2.1 精馏塔的物料衡算.10 2.1.1原料液及塔顶、塔底产

6、品的摩尔分数.10 2.1.2 物料衡算原料处理量.102.2回流比的确定.102.3 塔板数的确定.112.3.1理论塔板数的计算.112.3.2 板效率的计算.132.3.3实际板数的计算及全塔效率的计算.142.4汽液负荷计算.142.5精馏塔工艺尺寸计算.14 2.5.1 操作压力的计算.14 2.5.2操作温度计算.15 2.5.3平均摩尔质量的计算.15 2.5.4平均密度计算.15 2.5.5液体平均表面张力计算.17 2.5.6液体平均黏度计算.17 2.5.7精馏塔的塔体工艺尺寸计算.19 2.6塔板流动性能校核.24 2.6.1塔板压降.24 2.6.2液面落差.25 2.

7、6.3液沫夹带.25 2.6.4 漏液.26 2.6.5液泛.262.7塔板负荷性能图.272.7.1漏液线.272.7.2 液沫夹带线.282.7.3液相负荷下限线.292.7.4液相负荷上限线.292.7.5液泛线.302.7.6操作弹性计算.312.8主要工艺接管尺寸的计算和选取.32 2.8.1进料管.32 2.8.2回流管.32 2.8.3釜液出口管.33 2.8.4 塔顶蒸汽管.33 2.8.5塔底蒸汽管.33 2.8.6 人孔.342.8.7裙座.342.8.8 塔总体高度的设计.343.9热量衡算.363.9.1比热容及汽化潜热的计算.363.9.2热量衡算.37第四章 筛板塔

8、的工艺设计计算结果汇总表.40结束语.42参考文献.43附录 主要符号说明.44 前言1精馏原理及其在工业生产中的应用精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:1)获得馏出液塔顶的产品；2)将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；3)脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料

9、板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。2精馏操作对塔设备的要求（生产能力、效率、流动阻力、操作弹性、结构、造价和工艺特性等） （一）生产能力板式塔与

10、填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现，塔板的开孔率一般占板截面积的7%-10%；而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液体接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上，而填料层的孔隙率则超过90%，一般液泛点较高，故单位塔截面积上填料塔的生产能力一般均高于板式塔。板式塔与填料塔的比较（二）分离效率一般情况下，填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为28级。而常用的板式塔，每米理论板最多不超过2级。研究表明，在压力小于0.3Mpa时，填料塔的分离效率明显优于板式塔，在高压下，板式塔的分离效率略优于填料塔。（三）塔压降填料塔由于

11、空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔每个理论级的压降为0.41.1kPa，填料塔为0.010.27kPa。通常，板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗，还可以使塔釜温度降低，有利于热敏物系的分离。（四）操作弹性一般来说，填料本身对气液负荷变化的适应性很大，故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，因而可根据实际需求确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。（五）结构、制造及造价等一般来说，填料塔的结构较板式塔简单，故制造、维修也较为方便，但填料塔的造价通常高于板式塔。应予

12、指出，填料塔的持液量小于板式塔。持液量大，可使塔的操作平稳，不易引起产品的迅速变化，故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和出料，而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太合适。对于比表面积较大的高性能填料，填料层容易堵塞，故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。3常用板式塔类型及本设计的选型塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业应用以错流式塔板为主，常用的错流塔板主要有下列几种。1 泡罩塔板2 筛孔塔板3 浮阀塔板综合考虑，本设计中使用筛板塔。筛板塔的优点有：结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，板效率接近浮阀塔；其缺点：稳定操作范

13、围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性较大的，脏的和带固体粒子的料液。4本设计所选塔的特性（1） 结构简单，制造维修方便（2） 生产能力较大（3） 塔板压力降较低（4） 塔板效率较高（5） 合理设计的筛板塔可具有适当的操作弹性（6） 小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、黏性大的和带有固体粒子的料液第一章 流程的确定和说明1.1 设计的思路和流程的说明乙醇-丙醇混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物(q=1) 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝汽冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用间接蒸汽再沸器供热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图) 出料 苯蒸汽 回流 甲苯

14、蒸汽 塔底出料第二章 精馏塔的设计计算2.1 精馏塔的物料衡算 2.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 进料组成 xF=0.44+0.001(21-20)=0.441 塔顶产品组成 xD=0.94+0.001(21-20)=0.941 塔底产品组成 xW=0.03+0.001（21-20）=0.0312.1.2 物料衡算原料处理量 加料量F=100kmol/h 总物料衡算 F=D+W FxF=DxD+Wxw 乙醇物料衡算 1000.4410.941D0.031W 联立解得 D=45.055 kmol/h , W=54.945 kmol/h2.2回流比的确定因为乙醇-丙醇可视为理想物系，故塔

15、的平均相对挥发度的确定可运用安托因方程和拉乌尔定律，采用试差法，通过Excel计算出：双组分理想溶液相对挥发度的计算：式中：Po 纯组分液体的饱和蒸汽压，KPa； t温度，A,B,CAntoine常数； x液相中易挥发组分的摩尔分数；p总压，KPa；poA , poB 溶液温度t时纯组分A,B的饱和蒸汽压，KPa；相对挥发度。因为本设计中为常压操作，所以总压：P=100KPa乙醇和丙醇的Antoine常数：A,B,C,查液体蒸汽压的安托因常数表得：乙醇： A=7.33827 B=1652.05 C=231.48丙醇： A=6.74414 B=1375.14 C=193.0采用试差法，先在Exc

16、el中设计好相应表格，表格设计思路为：要计算某一组成下混合液的泡点温度以及相对挥发度，则在Excel中假定一t值，代入公式中计算出pA , pB ,再将计算得到的pA , pB 值代入公式中，计算出相应的x值，若计算得到的x值与所求的混合液组成x值相同，则假定的t值正确，同时可得到相应的值。通过试差法计算得：相平衡方程为 因为是泡点进料，即q=1所以代入相平衡方程，得取操作回流比为2.3 塔板数的确定 2.3.1理论塔板数的计算对于乙醇丙醇物系，我采用了相平衡方程与操作线方程式逐板计算法求理论板数：联立精馏段操作线方程和提馏段操作线方程，得 第一块板上升的蒸气组成 从第一块塔板下降的液体组成由

17、式（3）求得：第二块板上升的气相组成用式（1）求得：第二块板下降的液相组成 用此法依次计算得: 因为800mm,故塔板采用分块式：表2-1塔径mm800塔板分块数3456因此,塔板分为4块.边缘区宽度确定: 精馏段:取 提馏段:取开孔区面积计算 开孔区面积 筛孔计算及其排列因为所处理的物系无腐蚀性,可选用碳钢板,取筛孔直径,筛孔按正三角排列,取孔中心距：精馏段: 筛孔数目为 开孔率为精馏段气体通过阀孔的气速为提馏段气体通过阀孔的气速为2.6塔板流动性能校核 2.6.1塔板压降干板阻力计算 由, 精馏段: 提馏段: 气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力 精馏段: 充气系数关联图 查图，得 提馏段: 液体表面张力的阻力计算 精馏段: 气体通过每层塔板的液柱高度按下式计算 气体通过每层塔板的压降为： 0.7Kpa(设计允许值) 提馏段: 气体通过每层塔板的液柱高度按下式计算 气体通过每层塔板的压降为： 1000mm，故需设人孔。由于物料比较清洁，无需经常清洗，一般每隔68层塔板设一人孔，所以本设计开4个人孔，即np=5。人孔直径一般取450600mm，450mm最常用，所以本设计采用的人孔直径