分离乙醇---水二元物筛板精馏塔工艺设计.doc

题 目分离乙醇-水二元物系筛板精馏塔工艺设计系 （院）专 业班 级学生姓名学 号指导教师职 称二一年 十一 月 三十 日设计题目名称：分离乙醇-水二元物系筛板精馏塔工艺设计设计参数：（1）设计规模：乙醇-水混合液处理量；（2）生产制度：年开工300天，每天三班8小时连续生产；（3）原料组成：乙醇含量为25%（质量百分率，下同）； （4）进料状况：含乙醇量25%（质量百分率）乙醇-水的混合溶液（20）；（5）分离要求：塔顶乙醇含量不低于90%，塔底乙醇含量不大于0.2%，塔顶压力：0.101325MPa（绝压），塔釜采用0.5MPa饱和蒸汽压间接加热（表压）；（6）建厂地区大气压为760mmHg，自来水年平均温度为20的滨州市。表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0 符号说明：英文字母4 - 塔板的开孔区面积，m2 - 降液管的截面积, m2 - 筛孔区面积, m2 -塔的截面积 m2PP-气体通过每层筛板的压降 -负荷因子 无因次t-筛孔的中心距 -表面张力为20mN/m的负荷因子 -筛孔直径 uo-液体通过降液管底隙的速度 -塔径 mWc-边缘无效区宽度 -液沫夹带量 kg液/kg气Wd-弓形降液管的宽度 -总板效率Ws-破沫区宽度 -回流比 -最小回流比 -平均摩尔质量 kg/kmol -平均温度 -重力加速度 9.81m/s2Z-板式塔的有效高度 -筛孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2) -进口堰与降液管间的水平距离 m-液体在降液管内停留时间 -与干板压降相当的液柱高度 m-粘度 -与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m-密度 -塔板上鼓层高度 m-表面张力 -板上清液层高度 m-与板上液层阻力相当的液注高度 m-降液管的义底隙高度 m-与克服表面张力的压降相当的液注高度 m-板式塔高度 m-塔底空间高度 m-降液管内清液层高度 m-塔顶空间高度 m-进料板处塔板间距 m-人孔处塔板间距 m-塔板间距 m-封头高度 m-稳定系数-堰长 m-液体体积流量 m3/h-液体体积流量 m3/s-筛孔数目 -操作压力 KPa-压力降 KPa-气体通过每层筛的压降 KPa -理论板层数 -空塔气速 m/s -液体通过降液管底隙的速度 m/s-气体体积流量 m3/h-气体体积流量 m3/s-边缘无效区宽度 m -弓形降液管宽度 m 希腊字母-筛板的厚度 m-液体在降液管内停留的时间 s -粘度 mPa.s-密度 kg/m3-表面张力N/m-开孔率 无因次下标- 最大的 - 最小的- 液相的- 气相的目 录一、概述51 精馏操作对塔设备的要求52 精馏操作对塔设备的要求63精馏塔的设计步骤7二、精馏塔的物料衡算71.原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率72.原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔质量73.q线方程和回流比的确定84.求精馏塔的气液相负荷95.操做线方程96.用图解法求理论板数97.实际板数的求取10三.塔工艺条件及物性数据计算101.操作压强的计算Pm102.操作温度的计算103.平均摩尔质量计算114. 平均密度计算：115.液体平均表面张力 的计算126.液体平均粘度的计算13四、精馏塔的塔体工艺尺寸计算141.精馏段塔径的计算142.提馏段塔径的计算16五、塔板主要工艺尺寸的计算161.各项参数计算172.塔板布置173.开孔区面积计算174.筛孔计算与排列18六、筛板的流体力学验算181.塔板的压降182.液面落差193.液沫夹带194.漏液195.液泛206.停留时间的校核20七、塔板负荷性能图201.漏液线202.液沫夹带线213.液相负荷下限线214.液相负荷上限线215.液泛线22八、筛板塔设计计算结果23九、辅助设备的计算及选型251塔顶全凝器252.塔底再沸器263.进料管274.釜残液出料管275.回流液管276.塔顶上升蒸汽管287.水蒸气进口管288.泵的计算及选型299. 精馏塔塔高29十、设计结果的讨论和优化301.讨论302.优化30十一、参考文献30十二、课程设计总31一、概述1 精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。2 精馏操作对塔设备的要求 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，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。 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 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。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞。3精馏塔的设计步骤本设计按以下几个阶段进行： 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 抄写说明书。 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。二、精馏塔的物料衡算1.原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量为：46.07 kg/kmol水的摩尔质量为： 18.016kg/kmolxf=(0.25/46.07)/(0.25/46.07+0.75/18.016)=0.1xd=(0.90/46.07)/(0.90/46.07+0.10/18.016)=0.78 2.原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔质量Mf=0.1246.07+0.8818.016=21.36kg/mol;原料的处理量：F=1450/21.36=67.88kmol/h由总物料衡算：F= D+W以及: xfF= xd D+Wxw;容易得出： W=57.494kmol/h;D=10.386kmol/h;3.q线方程和回流比的确定由t-x(y)图查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点由图查出进料组成时溶液的泡点为86摄氏度，平均温度=摄氏度。由附录查的53摄氏度下乙醇和水的比热容为： ） ）86时，查表的 原料液汽化为： q线方程为：由图知4.求精馏塔的气液相负荷5.操做线方程精馏段操做线方程：提馏段操做线方程：6.用图解法求理论板数从图中知，理论板数（含再沸器），其中精馏段塔板块，第8块为进料板，提镏段块（不含再沸器）7.实际板数的求取由乙醇与水不同温度下的平衡组成作出其二元相图，由图知 平均温度在89.1时，乙醇的黏度为0.390，水的黏度为:根据平衡线方程求得精馏段实际板层数：提馏段实际板层数：块三.塔工艺条件及物性数据计算1.操作压强的计算Pm塔顶压强PD=101.325kPa取每层塔板压降P=0.6kPa 则：进料板压强：PF=101.325+190.6=112.725kPa塔釜压强：Pw=101.325+270.6=117.525kPa精馏段平均操作压强： 提馏段平均操作压强：2.操作温度的计算由图知进料板组成为： 根据常压下乙醇-水溶液的t-x-y图知：时，86.878.3 99.9精馏段平均温度：提馏段平均温度：3.平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量的计算：由xD=y1=0.78查平衡曲线,得x1=0.723进料摩尔质量的计算：由平衡曲线查的： yF=0.445 xF=0.11； 塔釜摩尔质量的计算：由平衡曲线查的：xW=0.00075 =0.014 精馏段平均摩尔质量：提馏段平均摩尔质量： 4. 平均密度计算： 1、液相密度：塔顶部分 依下式： （为质量分率）；其中=, =0.099； 用内插法求得： 进料板处：用内插法求得： 塔釜处：； 用内插法求得： 故 精馏段平均液相密度： 提馏段的平均液相密度： ；2、气相密度： 精馏段的平均气相密度 提馏段的平均气相密度 5.液体平均表面张力 的计算 液相平均表面张力依下式计算，及 塔顶液相平均表面张力的计算 由=78.3查手册得： 进料液相平均表面张力的计算 由=86.8查手册得： 塔釜液相平均表面张力的计算 由=99.9查手册得： ； 则：精馏段液相平均表面张力为： 提馏段液相平均表面张力为：表2：乙醇溶液的表面张力位置塔顶第一块板进料板塔釜温度78.386.899.9摩尔分数x0.780.120.00078表面张力水62.961.358.8乙醇17.416.815.5溶液27.4156.4158.776.液体平均粘度的计算 液相平均粘度依下式计算，即； 塔顶液相平均粘度的计算，由由=78.3查手册得：； ； ； 进料板液相平均粘度的计算：由=86.8手册得： ； ； ； 塔釜液相平均粘度的计算： 由=99.9查手册得： ； ； ；表3：溶液黏度与温度t（）x（）（）液（）78.30.780.3590.4590.43586.80.120.3250.4210.33499.90.000780.2500.3300.250四、精馏塔的塔体工艺尺寸计算1.精馏段塔径的计算由上面可知精馏段 L=17.656kmol/h V=28.042kmol/h精馏段的气、液相体积流率为: VS=VMVm/3600Vm=(28.04235.02)/(36001.27)=0.216m3/sLS=LMLm/3600Lm=(17.65629.70)/(3600826.16)=0.000176m3/s式中，负荷因子由史密斯关联图查得C20再求图的横坐标为 Flv=取板间距，HT=0.35m,板上清液层高度取hL=0.06m，则HT-hL=0.29 m史密斯关联图如下由上面史密斯关联图，得知C20=0.057气体负荷因子取安全系数为0.7，则空塔气速为 U=0.7Umax=0.71.6846=1.179m/s塔径：按标准塔径圆整后为D=0.6m塔截面积为At=m2实际空塔气速为U实际=0.216/0.2826=0.764 m/sU实际/ Umax=0.764/1.6846=0.52(安全系数在充许的范围内，符全设计要求)2.提馏段塔径的计算由上面可知提馏段 提馏段的气、液相体积流率为 VS=VMVm/3600Vm=(40.2624.46)/(36000.95)=0.297m3/sLS=LMLm/3600Lm=(97.75419.57)/(3600927.56)=0.000573m3/s式中，负荷因子由史密斯关联图查得C20再求图的横坐标为 Flv=取板间距，HT=0.35m，板上清液层高度取hL=0.06m，则HT-hL=0.29 m由史密斯关联图，得知 C20=0.059气体负荷因子 取安全系数为0.7，则空塔气速为 U=0.7Umax=0.73.529=1.6195m/s塔径按标准塔径圆整后为D=0.6m塔截面积为At=m2实际空塔气速为U实际=0.297/0.2826=1.051 m/s U实际/ Umax=1.051/2.314=0.45(安全系数在充许的范围内，符全设计要求)五、塔板主要工艺尺寸的计算 因塔径D=0.6m，所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。( 此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用。)1.各项参数计算1) 堰长lw可取lw=0.60D=0.36m2) 取堰高=0.04m堰上清液高：清液层高度：降液管底隙高度：3) 弓形降液管的宽度Wd和截面积Af由lw/D=0.6 m 查可求得Af/AT=0.052 Wd/D=0.1Af=0.0520.2826=0.0147 m2Wd=0.10.6=0.06m2.塔板布置1) 塔板的分块因为D(35s)所以不会产生液泛七、塔板负荷性能图1.漏液线Uo,min=4.4Co(0.0056+0.13 hL-h)/L /V1/2Uo,min=Vs, min/AohL= h w +hOWhOW =2.84/1000E(Lh/lw)(2/3)Vs, min =4.4Co Ao0.0056+0.13( hW+2.84/1000E(Lh/lw)(2/3)- hL /V 1/2 =0.869 (0.02+0.67Ls2/3) 1/2 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表Ls m3/s00.00050.00100.0011Vs m3/s0.12290.13520.14200.14322.液沫夹带线ev =0.1kg液/kg气为限，求VsLs关系如下：ev=5.710-6/L ua/(HThf)3.2ua=Vs/(AT-Af)=3.733 Vshf=2.5hL=2.5(hw+ how)hw=0.04how=2.84/1000E(Lh/lw)(2/3)hf=2.5(0.04+ 1.3184 Ls2/3)=0.10+3.296Ls2/3HThf=0.40-0.10-2.30Ls2/3=0.3-2.30 Ls2/3 ev=5.710-6/57.5910-3 3.733Vs/(0.35-0.1-3.296 Ls2/3)3.2 =0.1整理得 Vs=0.5818-7.67 Ls2/3 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表Ls m3/s00.00050.0010.0011Vs m3/s0.58180.53350.50510.53.液相负荷下限线对于平流堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准，由式how=2.84/1000E(Lh/lw)(2/3) =0.006Ls,min=0.000307 m3/s据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线4.液相负荷上限线 以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式=（AfHT）/Ls=5故Ls,max=（AfHT）/5=（0.01470.35）/5=0.00103 m3/s据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限5.液泛线 取E=1 =0.36m故 将=0.35m =0.04m =0.6代入 Ls m3/s00.00070.0010.0011Vs m3/s0.58050.53540.52090.5176654321A651423在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图二可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏控制。由图查得Vs,max=0.00103 m3/s Vs,min= 0.000307m3/s故操作弹性为Vs,max/ Vs,min=0.00103/0.000307=3.36八、筛板塔设计计算结果序号项目精馏段提馏段1平均温度 tm 82.5593.353平均压力 Pm kPa107.025115.1255气相流量 Vs m3/s0.2160.2977液相流量 Ls m3/s0.0001760.0005739实际塔板数2710有效段高度 Z m8.7511精馏塔塔径 m0.612板间距 m0.3513溢流形式单溢流14降液管形式弓形15堰长 m0.616堰高 m0.0417板上液层高度 m0.0490919堰上液层高度 m0.0241121降液管底隙高度 m0.03423安定区宽度 m0.06524边缘区宽度 m0.03525开孔区面积 m20.170926筛孔直径 m0.00527筛孔数目77228孔中心距 m0.1629开孔率 8.8630空塔气速 m/s1.86832筛孔气速 m/s19.6234稳定系数2.0836精馏段每层塔板压降 kPa0.57538负荷上限液泛控制39负荷下限漏液控制40液液沫夹带 ev (0.1kg液/kg气)0.015842气相负荷上限 m3/s0.0010344气相负荷下限 m3/s0.00030746操作弹性3.36九、辅助设备的计算及选型1塔顶全凝器78.3时，乙醇的气化热为：850kL/kg 水的气化热为：2500kL/kgmol/sQc=7.794.05=3.15J/s冷凝塔顶产品温度变化：T1=78.3T2=78.3采用冷凝水的温度变化：=20 知道Tm=(T1T2)/ln(T1/T2) =53.14选择K=400w/( m2K) 则有：A= Qc /(KTm)= 14.84m2 取安全系数为0.8实际面积：A=14.84/0.8=18.55 m2选择冷凝器的系列：采用加热管的直径为：252.5m 规格为：G400-1.6-21.4名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格4001.694名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格110.014821.430002.塔底再沸器 生产中给出塔底用0.5Mpa饱和蒸气压间接加热（表压）根据Anoine方程：，求的饱和蒸汽的温度为T=158.9温度变化：T1=158.9T2=158.9=99.9158.9158.9 99.9时，乙醇的气化热为：820kL/kg 水的气化热为：2257kL/kg J/mol冷流体mol/sQc=J/s选择K=1400w/( m2K) 则有：A= Qc /(K)=6.10 m2取安全系数为0.8 则有A实际=6.10/0.8=7.62 m2名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格4001.676名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格110.00608.415003.进料管进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：实际管内流速：4.釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则 经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：实际管内流速：5.回流液管回流液体积流量 利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：实际管内流速：6.塔顶上升蒸汽管塔内气体可以用式计算，塔顶气体密度塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：实际管内流速：7.水蒸气进口管进塔气体为水蒸气，密度通入塔的水蒸气体积流量： 取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：实际管内流速： 8.泵的计算及选型1.回流泵 由得体积流量，由此选择型号为的泵。2.加料泵 由得体积流量，由此选择型号为的泵。 9. 精馏塔塔高根据实际的工作经验，及相似条件下的精馏塔的相关参数的选择。已知全塔板间距，可选择塔顶空间。塔底空间。全塔共有27块塔板，考虑清理和维修的需要，选择全塔的人孔数为4个，在进料板上方开一人孔，人孔的直径选择为500mm，其伸出劳动塔体的长度为220mm。塔高全塔的板间距相同，则上式可化为：十、设计结果的讨论和优化1.讨论从负荷性能图上观察，本设计对设计要求符合良好，设计点落于正常工作区中间，操作弹性适宜。2.优化通过反复优化才得到设计的最终结果，观察负荷性能图，工作点状态良好，操作弹性优良。