乙醇水连续精馏塔的设计.doc

环境工程系化工原理课程设计乙醇水连续精馏塔的设计目的：通过课程设计进一步巩固课本所学的内容，培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力，使所学的知识系统化，通过本次设计，应了解设计的内容，方法及步骤，使学生具有调节技术资料，自行确定设计方案，进行设计计算，并绘制设备条件图、编写设计说明书。在常压连续精馏塔中精馏分离含乙醇20%的乙醇水混合液，分离后塔顶馏出液中含乙醇量不小于94%，塔底釜液中含乙醇不高于4%（均为质量分数）。已知参数：（1）设计任务l 进料乙醇 X = 20 %（质量分数，下同）l 生产能力 Q = 80 t/dl 塔顶产品组成 94 %l 塔底产品组成 0.1 % （2）操作条件 l 操作压强：常压l 精馏塔塔顶压强：Z = 4 KPal 进料热状态：泡点进料l 回流比：自定待测l 冷却水： 20 l 加热蒸汽：低压蒸汽，0.2 MPal 单板压强： 0.7l 全塔效率：ET = 52 %l 建厂地址：天津地区l 塔顶为全凝器，中间泡点进料，筛板式连续精馏设计内容：（1） 设计方案的确定及流程说明（2） 塔的工艺计算（3） 塔和塔板主要工艺尺寸的计算（a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定；b、塔板的流体力学验算；c、塔板的负荷性能图）（4） 设计结果概要或设计一览表（5） 精馏塔工艺条件图（6） 对本设计的评论或有关问题的分析讨论目 录一、精馏流程的确定3二、课程设计报告内容41.塔的物料计算41.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数41.2 平均摩尔质量41.3 物料衡算42.塔板数的确定52.1 理论塔板数的求取52.2 全塔效率72.3 实际塔板数73.塔点工艺条件及物性数据计算73.1 操作压强73.2 温度73.3 平均摩尔质量83.4 平均密度83.5 液体表面张力103.6 液体黏度104.精馏段气液负荷计算115.塔和塔板主要工艺尺寸计算125.1 塔径125.2 溢流装置135.3 塔板布置165.4 筛孔数与开孔率165.5 塔的有效高度（精馏段）175.6 塔高计算176.筛板的流体力学验算176.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度176.2 雾沫夹带量的验算196.3 漏液的验算196.4 液泛验算197.塔板负荷性能图207.1 雾沫夹带线（1）207.2 液泛线（2）217.3 液相负荷上限线（3）227.4 漏液线（气相负荷下限线）（4）227.5 液相负荷下限线（5）238.筛板塔的工艺设计计算结果总表249.精馏塔的附属设备及接管尺寸25三、设计小结26四、主要参考文献26一、精馏流程的确定乙醇水混合液经原料预热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷凝后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽向再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。二、课程设计报告内容1.塔的物料计算1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数1.2 平均摩尔质量1.3 物料衡算总物料衡算 轻组分物料衡算 联立二式得： 各物料数值为：2.塔板数的确定2.1 理论塔板数NT的求取 乙醇水属于理想物系，可采用M.T.图解法求NT。2.1.1 根据乙醇水的气液平衡数据如下表 液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数0.00.00.250.5510.100.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0 表1：乙醇水气液平衡数据2.1.2 求最小回流比Rmin及操作回流比R。因泡点进料，在图1中对角线上自点e（0.09，0.09）作垂线即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为yq = 0.41，xq = 0.09，此时最小回流比为： 由于此时乙醇水系统的平衡曲线有下凹部分，求最小回流比自a点（xD，xD）作平衡线的切线aq并延长与y轴相交于c点，截距为0.28，即 当最小回流比为时，比还要小很多，已出现恒浓区，需要无穷多块塔板才能达到g点。所以对具有下凹部分平衡曲线点物系求Rmin时，不能以平衡数据（yq，xq）代入。 图 1 M.T.图解法求NT取操作回流比2.1.3 求理论塔板数NT精馏段方程 ： 如图所示按照M.T.图解法作图可知：NT=21（包括再沸器），其中精馏段17层提馏段4层（包括再沸器）第18层为进料板。2.2 全塔效率ET 根据已知条件，ET = 52 %2.3 实际塔板数N 精馏段 提馏段 3.塔点工艺条件及物性数据计算 3.1 操作压强Pm 塔顶压强 取每层压强降 ，则进料板压强精馏段平均操作压强： 3.2 温度tm 根据操作压强，有 纯组分的饱和蒸汽压P0和温度t的关系可用安托尼（Antoine）方程表示，即 ABCCH3CH2OH8.044961554.3222.65H2O (60150)7.966811668.21228H2O (060)8.107651750.286235注：式中P为mmHg，t为，1mmHg=0.133kpa表2：安托尼公式相关系数 组分数据： 塔顶xA=0.86 xB=0.14 P=105.3kPa 进料xA=0.035 xB=0.965 P=125.1kPa 试差法计算，导入Excel可得： 塔顶 tD = 81.47 进料 tF = 104.88 此时精馏段平均温度 3.3 平均摩尔质量Mm塔顶 进料板 则精馏段平均摩尔质量： 3.4 平均密度m3.4.1 液相密度Lm 由式 （为质量分数）温度/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0表3 乙醇与水的密度已知：（为质量分数）根据表3的密度值，当塔顶温度为81.47，由拉格朗日插值法可知： 进料板，由加料板液相组成，进料板温度104.88时 故精馏段平均液相密度： 3.4.2 气相密度3.5 液体表面张力温度/2030405060708090100110表面张力/103N/m乙醇22.321.220.419.818.81817.1516.215.514.4水72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9 表4 乙醇水的表面张力与温度的关系在塔顶处，温度为81.47，此时乙醇： 水： 在进料处，温度为104.88，此时乙醇： 水： 则精馏段平均表面张力为：3.6 液体黏度液体的黏度可根据式 对于乙醇，其中， 温度T 黏度mPas 对于水，可根据水的物性参数表知温度/708090100110黏度/105Pas40.6135.6531.6528.3825.89表5 水的黏度与温度的关系 塔顶： 进料： 则精馏段平均液相黏度为：4.精馏段气液负荷计算5.塔和塔板主要工艺尺寸计算5.1 塔径D参考表6，初选板间距,取板上液层高度 塔径HT/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT/m200300250350300450350600400600表6 板间距与塔径的关系图2 Smith关系图由取安全系数为0.70，则故 (满足0.81.6的范围)按标准，塔径圆整为,则空塔气速为一般的，在塔径超过1m时，应按照200mm增值定塔径。故取D = 1.8 m5.2 溢流装置 采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。 （a）U型流 （b）单溢流 （c）双溢流 （d）阶梯式双溢流 图3 溢流装置图 图4 塔板的结构参数 5.2.1溢流堰长 取堰长为0.7D，即 5.2.2 出口堰高 由 图5 液流收缩系数计算图查液流收缩系数计算图可知E1 故 5.2.3 降液管的宽度Wd与降液管的面积Af 由查图弓形降液管的宽度与面积，得 故 则液体在降液管中停留的时间以检验降液管面积，即 因为此值大于5s，可保证足够的停留时间，使溢流液中夹带的气泡得以分离。 图6 弓形降液管的宽度与面积5.2.4降液管底隙高度 取液体通过降液管底隙的流速 5.3 塔板布置 （1）取边缘区宽度 ， （2）开孔区面积 5.4 筛孔数与开孔率 图7 筛孔的正三角形排列取筛孔的孔径，正三角形排列，一般碳钢的板厚 若，孔中心距 此时，筛板数为 开孔区的开孔率为 （在5%15%之间） 每层塔板上的开孔面积A0为 气体通过筛孔的气速 5.5 塔的有效高度Z（精馏段） 5.6 塔高计算 略6.筛板的流体力学验算6.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度 6.1.1 干板压强降相当的液柱高度 由，查图干筛孔的流量系数， 图8 干筛孔的流量系数6.1.2 气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度 查表充气系数与的关系， 图 9 充气系数与的关系6.1.3 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度 故 单板压强降 （设计允许值）6.2 雾沫夹带量的验算 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。6.3 漏液的验算 筛板的稳定性系数 故在设计负荷下不会产生过量漏液。6.4 液泛验算 为防止降液管液泛的发生，应使用降液管中清液层高度 取，则 故，在设计负荷下不会发生液泛。 根据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。7.塔板负荷性能图7.1 雾沫夹带线（1） 其中 （a） 取近似值， 故 （b） 取雾沫夹带极限值，已知， 将（a）、（b）式代入，可得： 整理得 （1） 在操作范围内，任取几个LS值，依（1）式算出相应的VS值列于下表中。5.014.714.524.35依表中数据在VSLS图中做出雾沫夹带线（1）7.2 液泛线（2）联立式可知 近似取， 故 由于 因此，此时可知 由于，联立上式可知： 整理得下式 （2） 在操作范围内取若干LS值，依式（2）计算VS值，列于下表之中，依表中数据做出液泛线（2）。6.205.955.765.587.3 液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为4s，由式 （3） 液相负荷上限线（3）在VSLS坐标图上为与气体流量VS无关的垂直线。 7.4 漏液线（气相负荷下限线）（4）由 代入漏液点气速式： 其中，已得出，代入并整理得： （4）此即气相负荷下限关系式，在操作范围内任取n个LS值，依式（4）计算相应的VS值，列于下表中，依附表中的数据作气相负荷下限线（4）。1.461.541.591.637.5 液相负荷下限线（5） 取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，取，则 整理上式得 （5） 以此值在VSLS坐标图上作线（5）即为液相负荷下限线。 将以上5条线标绘于图中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围的区域为精馏段塔板操作区，P点为操作点，OP线为操作线。OP线与线（1）的交点相应气相负荷为，OP线与气相负荷下限线（4）的交点相应的气相负荷为 可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。 精馏段的操作弹性图10 精馏段负荷性能图8.筛板塔的工艺设计计算结果总表 项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强PmkPa115.2略各段平均温度tm93.18平均流量气相Vsm/s2.92液相Lsm/s0.0033实际塔板数N块33板间距HTm0.40塔的有效高度Zm12.8塔径Dm1.8空塔气速um/s2.094塔板液流形式单流型溢流装量溢流管形式弓形堰长lWm1.26堰高hWm0.047溢流堰宽度Wdm0.261管底与受液盘距离hOm0.026板上清夜层高度hLm0.06孔径domm5孔间距tmm15孔数n个8904开孔面积0.18筛孔气速uom/s16.68塔板压强降PpkPa0.59液体在降液管中停留时间s27.75降液管内清夜层高度Hdm0.134雾沫夹带eVkg液/kg气0.025负荷上限雾沫夹带控制负荷下限漏液控制气相最大负荷Vs,maxm/s4.30气相最小负荷Vs,minm/s1.52操作弹性2.839.精馏塔的附属设备及接管尺寸选用列管式原料预热器，强制循环式列管全凝器，列管式塔顶及塔底产品冷凝器，热虹吸式再沸器三、设计小结经过两周的化工原理课程设计，受益颇多。 课程设计是一个我们自我学习，自我检测的过程，在设计的过程中，学会自己查阅资料，运用图书馆，网络等可以运用的资源来收集所需的资料，所以，这次的课程设计，是自我完善的良好过程。 在这次设计当中，不论是谁都付出了相当多的努力，同学之间相互研究问题，讨论问题，仔细思考，以寻求问题的答案，这期间，我们同心协力，把互帮互助，团队合作发挥到最大值，同学之间相互帮助，耐心帮助有问题不懂的同学，正是这种互帮互助的精神，才使得我们的设计都非常顺利。 本次，我的设计题目是乙醇和水的连续精馏，这使得我对课本中有关蒸馏的章节有了更加深入的了解和学习，对于蒸馏方面问题的把握也更加准确。当然，在次过程中，我亦发现了我存在的需都问题，譬如，对概念的把握有些迷糊等，幸而通过设计巩固了所学的知识。 此外，通过设计，让我更加明白了理论联系实际的重要性，无论理论知识学得再好，不能设计出方案也是不行的，但是，反言之，一味追求实际，而忽略理论知识的重要性也是万万不可