精馏塔设计说明书.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除设计任务书 一 设计题目乙醇水精馏塔的工艺设计二 设计内容1精馏塔的结构设计及工艺计算2绘制精馏塔工艺条件图三 工艺条件1进精馏塔的料液含乙醇30%（质量）2产品的乙醇含量不得低于98%（质量）3残液中乙醇含量不得高于0.2%（质量）4生产能力为日产（24小时）24吨98%（质量）的乙醇产品5操作条件进料热状态q取1.1回流比R取1.3Rmin6基础数据常压下乙醇-水系统x-y数据：相对挥发度取1.6ET取56%HT取0.3m空塔气速取0.80m/s四 设备型式设备型式为板式塔五 设计任务1设计方案的确定及说明；2塔的工艺计算；3塔高、塔径尺寸的确定；4设计结果概要或设计一览表；5精馏塔的工作图；6对本设计的评述或有关问题的分析讨论目录（一）设计方案简介- 3 -（二）工艺计算及主体设备设计计算- 3 -1精馏流程的确定- 3 -2塔的物料恒算- 3 -2.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数- 3 -2.2 料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量- 4 -2.3 物料恒算- 4 -3塔板数的确定- 4 -3.1理论塔板数的求取- 4 -3.1.1绘制相平衡图- 4 -3.1.2 求最小回流比、操作回流比- 5 -3.1.3 求理论塔板数- 5 -3.2全塔效率- 7 -3.3实际塔板数- 7 -4塔的工艺条件及物性数据计算2- 7 -4.1操作压力- 7 -4.2温度1- 7 -4.3平均摩尔质量- 8 -4.4平均密度- 8 -4.5液体表面张力- 9 -4.6液体黏度- 9 -5精馏段气液负荷计算2- 9 -6塔和塔板主要工艺尺寸计算3，4- 10 -6.1塔径- 10 -6.2溢流装置- 10 -6.3塔板布置- 12 -6.4筛孔数与开孔率- 12 -6.5塔的有效高度(精馏段)- 12 -6.6塔高计算- 12 -7.筛板的流体力学验算5- 12 -7.1塔板压降- 12 -7.2液面落差- 13 -7.3.液沫夹带- 13 -7.4漏液- 13 -7.5液泛- 13 -8.塔板负荷性能图6- 14 -8.1漏液线- 14 -8.2液沫夹带线- 14 -8.3液相负荷下限线- 15 -8.4液相负荷上限线- 15 -8.5液泛线- 16 -9.附图- 18 -10.本设计的评价或有关问题的分析讨论- 20 -附：参考文献 符号说明- 20 -（一）设计方案简介塔设备是炼油、化工、石油化工、生物化工和制药等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和绘精馏塔结构图。（二）工艺计算及主体设备设计计算1精馏流程的确定本次课程设计任务是分离乙醇水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用q=1.2进料，将原料液通过预热器加热至低于泡点的冷液送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属于易分离物系，回流比取最小回流比的1.3倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2塔的物料恒算2.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量 MA=46.07kg/kmol水的摩尔质量 MB=18.02kg/kmol料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数xF =xD = xw=2.2 料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.143646.07（10.1436）18.02=22.05/molMD=0.9546.07（10.95）18.02=44.67/molMW=0.000783246.07（10.0007832）18.02=18.04/mol2.3 物料衡算乙醇产量 D=1000kg/h总物料横算 D+ W=F易挥发组分物料横算 0.30F=0.98D0.002W 联立解得 F=3281.88 kg/h F=D= 1000 kg/h D= W=2281.88 kg/h W=3塔板数的确定3.1理论塔板数的求取3.1.1绘制相平衡图由气液平衡方程 =1.6 得 可在两组分溶液的xy图上画出气液平衡线3.1.2 求最小回流比、操作回流比因为q=1.1,根据 即q线方程y=11x-1.436与平衡线交于q点，可算出q点对应的x、y值，y=0.225,x=0.151;故最小回流比为 Rmin=9.80 取操作回流比为 R=1.3Rmin=1.39.80=12.74则可得：精馏段操作线方程： y=0.927x+0.069提馏段操作线方程： y=1.392x-0.00031q线方程: y=11x-1.436平衡线方程： 3.1.3 求理论塔板数乙醇-水属理想物系，可采用逐板计算法或图解法求理论板层数。本设计采用逐板计算法先求操作线方程 精馏段操作线方程为 =0.927xn0.069提馏段操作线方程为 Ym+1=1.392xm-0.00031 精馏段nYn+1Xny精馏10.9500 0.9223 0.9240 20.9240 0.8837 0.8882 30.8882 0.8324 0.8406 40.8406 0.7672 0.7802 50.7802 0.6893 0.7080 60.7080 0.6024 0.6275 70.6275 0.5128 0.5444 80.5444 0.4275 0.4653 90.4653 0.3523 0.3956 100.3956 0.2903 0.3381 110.3381 0.2420 0.2933 120.2933 0.2060 0.2600 130.2600 0.1800 0.2359 140.2359 0.1617 0.2189 加料板150.2189 0.1491 提馏段mYm+1Xmy提馏10.2189 0.1491 0.2072 20.2072 0.1404 0.1951 30.1951 0.1316 0.1829 40.1829 0.1227 0.1705 50.1705 0.1138 0.1581 60.1581 0.1051 0.1459 70.1459 0.0965 0.1340 80.1340 0.0882 0.1225 90.1225 0.0802 0.1114 100.1114 0.0726 0.1008 110.1008 0.0655 0.0908 120.0908 0.0588 0.0815 130.0815 0.0525 0.0728 140.0728 0.0468 0.0648 150.0648 0.0415 0.0575 160.0575 0.0367 0.0508 170.0508 0.0324 0.0448 180.0448 0.0284 0.0393 190.0393 0.0249 0.0344 200.0344 0.0218 0.0300 210.0300 0.0190 0.0261 220.0261 0.0165 0.0226 230.0226 0.0142 0.0195 240.0195 0.0123 0.0168 250.0168 0.0106 0.0144 260.0144 0.0090 0.0123 270.0123 0.0077 0.0104 280.0104 0.0065 0.0088 290.0088 0.0055 0.0074 300.0074 0.0046 0.0061 310.0061 0.0038 0.0050 320.0050 0.0031 0.0041 330.0041 0.0025 0.0032 340.0032 0.0020 0.0025 350.0025 0.0016 0.0019 360.0019 0.0012 0.0013 370.0013 0.0008 0.0008 380.0008 0.0005 0.0004 精馏段理论板数为14层，提馏段理论板数为38层，第15层为加料板。3.2全塔效率由已知条件知 ET=56%3.3实际塔板数总理论板层数 NT=52进料板位置 NF=15精馏段实际板层数 N精=140.56=25层提馏段实际板层数 N提=380.56=67.8668层4塔的工艺条件及物性数据计算24.1操作压力塔顶操作压力 PD=101.34=105.3kPa每层塔板压降 P0.7kPa进料板压力 PF=105.30.725=122.8kPa精馏段平均压力 Pm=4.2温度tm依据操作压力，试差法计算出操作温度。 塔顶温度 tD=83.75 进料板温度 tF=99.2精馏段平均温度 tm= 4.3平均摩尔质量塔顶平均摩尔质量计算由xD=y1=0.95,查平衡曲线得 x1=0.922MVDm=0.9546.07(10.95)18.02=44.67kg/kmolMLDm=0.92246.07(10.922) 18.02=43.88kg/kmol进料板平均摩尔质量计算由图解理论板得 yq=0.2189查平衡曲线得 xq=0.1491 MVFm=0.218946.07（10.2189）18.02=24.16kg/kmol MLFm=0.149146.07（10.1491）18.02=22.20kg/kmol精馏段平均摩尔质量 MVm= MLm=4.4平均密度（1）气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 =1.300/m（2）液相平均密度计算 1/lm=i/i塔顶液相平均密度的计算由TD=83.75,查手册得 a =734/m b =970.8/m LDm=进料板液相平均密度的计算由TF=99.2,查手册得 a=717.5/m b=959.2/m进料板液相的质量分率 aA= LFm=精馏段液相平均密度为 Lm（精）=803.1/m4.5液体表面张力液相平均表面张力计算 Lm=xii塔顶液相平均表面张力计算由tD=83.75,查手册得 A=16.8mN/m B=61.7mN/mLDm=0.9516.80.0561.7=19.05mN/m进料板液相平均表面张力计算由tF=99.2, 查手册得 A=15.4mN/m B=58.96mN/mLFm=0.149115.40.850958.96=52.47mN/m精馏段液相平均表面张力为 Lm=mN/m4.6液体黏度液相平均粘度计算 Lm=xii塔顶液相平均粘度的计算由tD=83.75,查手册得 A=0.43 mPas B=0.353 mPas LDm=0.950.430.050.353=0.426 mPas进料板液相平均粘度的计算由tF=99.2, 查手册得 A=0.322mPas B=0.283 mPas LFm=0.14910.3220.85090.283= 0.289mPas精馏段液相平均粘度为 Lm= 0.357mPas5精馏段气液负荷计算2 L=RD=12.7422.39=285.2kmol/h V=（R1）D=13.9122.39=307.6kmol/h Lh=0.0032593600=11.73m3/h6塔和塔板主要工艺尺寸计算3，46.1塔径取板间距HT=0.3m,板上液层高度hL=0.06m,则HThL=0.30.06=0.24m =0.03581查图得 C20=0.052 = =1.45m/s取安全系数为0.6，则空塔气速为u=0.6umax=0.87m/s 按标准塔径圆整后 D=1.9m塔截面积 AT=2.83则实际空塔气速为 u=0.80m/s6.2溢流装置6.2.1溢流堰长度因塔径D=1.9m可选用单溢流弓形降液管，采用平形受液盘。堰长 lw=0.6D=0.61.9= 1.14 m6.2.2出口堰高度 hw=hL-how由=0.6,= =8.45查图，近似取E=1.03，选用平直堰，堰上液层高度how= 则 how=0.0138m故 hw=0.060.0138=0.0462m6.2.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af由=0.6 查图得 =0.055 =0.098故 Af=0.0552.83=0.156 Wd=0.0981.9=0.186m验算液体在降液管中停留时间，即 =14.36s5s故降液管设计合理。6.2.4降液管底隙高度h0 取 u0=0.08m/s h0=0.0357m hwh0=0.0462-0.0316=0.0146m0.006m故降液管底隙高度设计合理。6.3塔板布置塔板的分块因D800mm，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为5块。边缘区宽度确定取 Ws=0.07m，Wc=0.05m开孔区面积 R=-Wc=0.9mx=-Ws- Wd=0.694mAa=2.22m2以上各参数参见设计指导册图4-8，此处塔板布置图从略。6.4筛孔数与开孔率本例选用的一般碳钢的板厚=3mm碳钢板，取筛孔直径d0=5mm。筛孔按正三角形排列，取孔心距 t=3.5d0=3.55.0=17.5计算塔板上筛孔数目： n=115810 =115810=8395孔计算塔板上开孔区的开孔率： =0.907%=0.907%=7.4%每层塔板上的开孔面积： A0=Aa=0.164m2气体通过阀孔的气速 ： u0=13.76 m/s6.5塔的有效高度(精馏段) Z=(25-1)0.3=7.2m6.6塔高计算 H=（n-nF-np-1）HT+ nF HF+ np Hp+HD+HB =（93 - 1-14 - 1）0.3+11+140.3+1+1.5 =30.831m7.筛板的流体力学验算57.1塔板压降干板阻力hc的计算由=1.67,查图得，c0=0.78故 hc=0.051 =0.051=0.0257m气体通过液层的阻力h1的计算 h1=0hL ua=0.8459m/s 查图得，0=0.65故 h1=0hL=0（hw+how）= 0.039m液柱克服液体表面张力压强降相当的液柱高度h：h= = 0.00363m气体通过每层塔板的液柱高度hp的计算 hp= hc + hl + h =0.02570.0390.00363= 0.06833m液柱气体通过每层塔板的压降为 Pp=hpLg=0.06833803.19.81=538.33pa0.7kpa（设计允许值）7.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。7.3.液沫夹带 ev= hf=2.5hL=2.50.06=0.15 ev=0.0000404kg液/kg气 u0，min稳定系数为 K= 1.63 (21.851.5)故在本设计中无明显漏液。7.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从Hd(HThw)乙醇水物系属一般物系，取=0.5，则 （HThw）=0.5（0.30.0462）=0.1731m而 Hd=hp+hL+hd hd=0.153u0=0.1530.08=0.001m液注 Hd=0.068330.060.001=0.12933m液注 Hd(HThw)故在本设计中不会液泛现象。8.塔板负荷性能图68.1漏液线 hL=hw+how=0.0462+0.63Ls 带入下式由 how=得整理得： Vs,min=13.99在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果列于表中LS,m/s0.00060.00150.00300.0045VS,m/s1.2941.3311.3761.413由上表数据即可作出漏液线1。8.2液沫夹带线以ev=0.1 kg液/kg气为限，求VSLS关系如下：由 ev= ua=0.374VS hf=2.5hL=2.5（hw+how） hw=0.0462 how=0.63LS故 hf=0.1155+1.575LS HT-hf=0.1845-1.575Ls ev= 取ev极限值0.1kg液/kg气则 0.1=1.5910-4整理得 Vs=3.696-31.55 Ls在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果列于表中Ls,m/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m/s3.47163.28263.03972.8360由上表数据即可作出液沫夹带线2。8.3液相负荷下限线对于平直堰,取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准。 how=0.006m 取E=1.03，则 LS,min=据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。8.4液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限=4s故 Ls,min= =0.0117m/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。8.5液泛线令 Hd=（HT+hw）由 Hd=hp+hL+hd; hp=hc+hl+h; hc=0.051=0.00505 Vs2 hL=hw+how=0.0462+0.63Ls hl=0hL=0.65(0.0462+0.63LS)=0.030+0.41Ls how=0.63Ls h= 0.00363m故hp=0.00505 Vs2+0.030+0.41LS+0.00363=0.03363+0.00505Vs2+0.41Lshd=0.153=92.37Ls2将=0.5，HT=0.3m，hw=0.0462m及上述联立式带入HT+(-0-1)hw=(0+1)how+hc+hd+h 得0.15-0.05313=1.0395Ls+0.00505 Vs2+92.37Ls2+0.00363整理得 Vs2=18.4618291.09Ls2205.84 Ls在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果列于表中Ls,m/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m/s4.1223.9653.7433.533由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图（2）所示在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即做出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液沫夹带控制，操作下限为漏液控制。由图（2）查得 Vs, max=3.29m/s Vs, min=1.44m/s故操作弹性为 =2.28所设计筛板的主要结果汇总与下表。序号项目数值1平均温度tm，91.4752平均压力Pm,kPa114.053气相流量Vs，（m/s）2.2624液相流量Ls，（m/s）0.0032595实际塔板数NP936有效段高度 Z,m7.27塔径D,m1.98板间距HT,m0.39溢流形式单溢流 10降液管形式弓形11堰长lw ,m1.1412堰高hw ,m0.046213板上液层高度hL,m0.0614堰上液层高度how,m0.013815降液管底隙高度h0,m0.035716安全区宽度 Ws ,m0.0717边缘区宽度Wc,m0.0418开孔区面积A0,0.16419筛孔直径D,m0.00520筛孔数目n839521孔中心距t,m0.017522开孔率%7.423空塔气速u,m/s0.8024筛孔气速u0,m/s13.7625稳定系数为K1.6326每层塔板压降Pp,kPa0.53827负荷上限液沫夹带控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带 ev,(kg液/kg气)0.000040430气相负荷上限Vs,max, （m/s）3.2931气相负荷下限Vs, min,（m/s）1.4432操作弹性2.289.附图1精馏段负荷性能图：2水-乙醇精馏塔设计图 10.本设计的评价或有关问题的分析讨论本次课程设计认识到精馏塔的主要作用，是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 因影响塔效率因素多且复杂，设计中采用的是经验数据。设计中许多数据的选择是在相对图表中粗测定出的，因而误差较大，且对后续设计计算也有影响。还有一些经验公式是上网查的,如试差法求温度时,安托尼方程的三个常数,我们把参考网址放在了参考文献里,最终试差结果很理想，误差很小，都不超过1%。黏度之类的数据查阅了相关的热力学手册和课本附录。设计及计算的大致流程培养工程观念：理论小试放大。精馏流程的设计包括:塔的物料恒算、塔板数的确定、塔的工艺条件及物性数据计算、精馏塔气液负荷计算、塔和塔板主要工艺尺寸计算、筛板的流体力学验算、塔板负荷性能图等,还了解了大致的设计流程。课程设计是对以往学过的知识加以检验和巩固，能够培养我们理论联系实际的能力，尤其是这次精馏塔设计更加深入了对化工生产过程的理解和认识，使我们所学的知识不局限于书本，并锻炼了我们的逻辑思维能力，能够将一连串的数据连接起来，这跟以往的学习很不同，因为平时都会给很多现成的参数，而这次则要求我们要查阅相关资料，而且还要全部自己设计。课程设计的时间很短，工作量大，还好我们分工明确，两人负责计算，一人负责输入，然后三人一起核对，最后在设计的数据的基础上利用CAD作图、修改、完善。大家各取所长，使工作有条不紊的进行着，最终用了一天多的时