[能源化工]乙醇-水分离过程连续精馏塔直接加热的设计

1、 化工原理课程设计乙醇-水分离过程连续精馏塔的设计3. 乙醇-水分离过程连续精馏塔的设计(一) 设计题目：试设计一座乙醇-水连续精馏塔提纯乙醇。进精馏塔的料液含乙醇20%（质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于94%；残液中乙醇含量不得高于0.3%；要求产品乙醇的年产量为2.1万吨/年。(二) 操作条件1) 塔顶压力 常压2) 进料热状态 自选 3) 回流比 自选 4) 塔底加热蒸气压力 0.5mpa（表压）(三) 塔板类型自选(四) 工作日每年工作日为300天，每天24小时连续运行。(五) 设计说明书的内容1. 设计内容(1) 流程和工艺条件的确定和说明(2) 操作条件和基础数据

2、(3) 精馏塔的物料衡算； (4) 塔板数的确定； (5) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； (6) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； (7) 塔板主要工艺尺寸的计算； (8) 塔板的流体力学验算； (9) 塔板负荷性能图； (10) 主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）(11) 塔板主要结构参数表(12) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。2. 设计图纸要求： 1) 绘制生产工艺流程图（a3号图纸）； 2) 绘制精馏塔设计条件图（a3号图纸）。 目 录1 设计方案的确定12 操作条件和基础数据1 3 精馏塔的物料衡算1 31 原料液及塔顶、塔底产品的

3、摩尔分率1 32 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量1 33 物料衡算24塔板数的确定2 41 理论板层数nt的求取 2411 求最小回流比及操作回流比 2412 求精馏塔的气、液相负荷 3413 求操作线方程 3414 图解法求理论板层数 4 42 塔板效率的求取4 43 实际板层数的求取65精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算6 51 操作压力计算6 52 操作温度计算6 53 平均摩尔质量的计算6 54 平均密度的计算7541 气相平均密度计算 7542 液相平均密度计算 7 55 液体平均表面张力计算8 56 液体平均粘度计算86精馏塔的塔体工艺尺寸计算9 61 塔径的计算9611

4、精馏段塔径的计算 9612 提馏段塔径的计算 10 62 精馏塔有效高度的计算10 63 精馏塔（板式塔）的高度计算107塔板主要工艺尺寸的计算11 71 溢流装置计算11711 堰长lw 11712 溢流堰高度 hw 11713 弓形降液管宽度wd和截面积af12714 降液管底隙高度ho 12 72 塔板布置13721 塔板的分块13722 边缘区宽度确定13723 开孔区面积计算13724 筛孔计算及其排列138筛板的流体力学验算13 81 塔板降14811 干板阻力hc计算 14812 气体通过液层的阻力hl计算14813 液体表面张力的阻力h计算 14 82 液面落差14 83 液沫

5、夹带15 84 漏液15 85 液泛159塔板负荷性能图16 91 漏液线16 92 液沫夹带线16 93 液相负荷下限线17 94 液相负荷上线线17 95 液泛线1810 主要工艺接管尺寸的计算和选取 20 101 蒸汽出口管的管径计算20 102 回流液管的管径计算20 103 进料液管的管径计算20 104 釜液排出管的管径计算20 105 人孔相关尺寸的选取2111塔板主要结构参数表2112设计过程的评述及有关问题的讨论22参考文献 25设计计算1设计方案的确定本设计任务为分离乙醇水混合物提纯乙醇，采用连续精馏塔提纯流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内

6、。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，回流比较大，故操作回流比取最小回流比的1.1倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2 操作条件和基础数据进料中乙醇含量（质量分数） ；产品中乙醇含量（质量分数） ；塔釜中乙醇含量（质量分数） ；处理能力 ；塔顶操作压力 常压操作；进料热状况 泡点进料；根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算如下。3精馏塔的物料衡算31 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 32 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 33 物料衡算每年300天，每天工作24小

7、时，其处理量为10万吨/年故原料液的处理量为 总物料衡算 乙醇的物料衡算 联立解得 4塔板数的确定41 理论板层数nt的求取411求最小回流比及操作回流比 乙醇-水是非理想物系，先根据乙醇-水平衡数据（见下表1）【1】，绘出平衡线，如图（a）所示，然后由a（0.860，0.860）点出发作平衡线的切线，由于是泡点进料，此切线与q线交于d点，d点坐标为（）。 表1 乙醇-水平衡数据液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.400.6140.040.2730.500.6570.060

8、.340.60.06980.080.3920.700.7550.100.430.800.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.200.5251.01.0 因为，在图上读出于是 取操作回流比为 412 求精馏塔的气、液相负荷 413 求操作线方程精馏段操作线方程为 提馏段操作线方程为 414 图解法求理论塔板数采用图解法求理论板层数，如图（b）所示。 求解结果为：总理论塔板数 进料板位置 第17块板42 塔板效率的求取操作温度计算：由乙醇水的气液两相平衡图【1】可查得组成分别为的泡点温度：由乙醇水的气液两相平衡图可查得：塔顶和塔釜的气液两相组成为： 查

9、化工物性算图手册得：则塔内相对挥发度：全塔液体平均粘度的计算：液相平均粘度的计算，即 塔顶液相平均粘度的计算由，查手册【2】得： 解出 塔底液相平均粘度的计算由，查手册【3】得： 【1】 解出 则全塔液相平均粘度为 故 查奥康内尔（oconnell）关联图【1】得： 因为筛板塔全塔效率相对值为1.1【1】，故精馏塔的全塔效率为 43 实际板层数的求取精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 5精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算。51 操作压力计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 52 操作温度计算从乙醇水溶液的气液相平衡图【1】查得个点的泡点温度（近似看作

10、是操作温度）为：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度为：53 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由，查平衡曲线（见图（b），得 进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图（b），得 查平衡曲线（见图（b），得 精馏段平均摩尔质量 54 平均密度计算541 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 542 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算由，查手册【2】得 塔顶液相的质量分率 进料板液相平均密度的计算由，查手册【2】得 进料板液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 55 液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力的计算由，查手册【2

11、】得 进料板液相平均表面张力的计算由，查手册得 精馏段液相平均表面张力为 56 液体平均粘度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，查手册【2】得： 解出 进料板液相平均粘度的计算由，查手册【3】得： 【1】 解出 精馏段液相平均粘度为 6精馏塔的塔体工艺尺寸计算61 塔径的计算611 精馏段的塔径计算精馏段的气、液相体积流率为 由 式中c由式计算，式中c20由图（史密斯关系图）【4】查得，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 查图（史密斯关系图）【4】得 取安全系数为0.7，则空塔气速为 612 提馏段的塔径计算提馏段塔径计算，所需数据可从相关手册【1，2，4】查得，计

12、算方法同精馏段。计算结果为 比较精馏段与提馏段计算结果，两段的塔径相差不大，圆整塔径，取 塔截面积为 实际空塔气速为 62 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 故精馏塔的有效高度为 63 精馏塔（板式塔）的塔高计算实际塔板数 ； 进料板数 ；由于该设计中板式塔的塔径，为安装、检修的需要，选取每8层塔板设置一个人孔【4】，故人孔数 ；进料板处板间距 ；设人孔处的板间距；为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距【4】，故选取塔顶间距 ；塔底空间高度 【4】封头高度 ；【5】裙座高度 。故精馏塔的总高度为 7塔板主要工艺尺寸的计算71 溢流装置计算因为塔径，一般场合可选用

13、单溢流弓形降液管【4】，采用凹形受液盘。各项计算如下：711 堰长lw取 712 溢流堰高度hw由 选用平直堰，堰上液层高度how由下式计算，即 近似取e=1，则 取板上清液层高度 故 713 弓形降液管宽度wd和截面积af由 查图（弓形降液管的参数）【4】，得 故 依式 【4】验算液体在降液管中停留的时间，即 故降液管设计合理。714 降液管底隙高度ho 取 则 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度 【4】72 塔板布置721 塔板的分块因为，故塔板采用分块式。查表（塔板分块数）【4】，则塔板分为4块。722 边缘区宽度确定取 ，733 开孔区面积计算开孔区面积按下式计算，即 其中

14、 故 724 筛孔计算及其排列本次所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为 开孔率为 气体通过阀孔的气速为 8筛板的流体力学验算81 塔板压降811 干板阻力hc计算干板阻力hc由下式计算，即 由，查图（干筛孔的流量系数）【4】得，故 812 气体通过液层的阻力hl计算气体通过液层的阻力hl由下式计算，即 查图（充气系数关联图）【4】得：故 813 液体表面张力的阻力h计算液体表面张力所产生的阻力h由下式计算，即 气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即 气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）82 液面落差对于筛板塔，液面落差很小

15、，且本次的塔径（）和液流量（）均不大，故可以忽略液面落差的影响。83 液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 故在本次设计中液沫夹带量ev在允许范围内。84 漏液对筛板塔，漏液点气速u0，min可由下式计算，即 实际孔速稳定系数为 故在本次设计中无明显漏液。85 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高hd应服从下式的关系，即 乙醇水物系属一般物系，不易发泡，故安全系数取，【4】则 而 板上不设进口堰，hd可由下式计算，即 故在本次设计中不会发生液泛现象。9塔板负荷性能图91 漏液线由 得 整理得 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2。表2 0.0006 0.0015

16、 0.0030 0.0045 0.83 0.86 0.89 0.92 由上表数据即可作出漏液线1。92 液沫夹带线以为限，求vsls关系如下：由 故 整理得 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3。表3 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 2.98 2.86 2.71 2.58 由上表数据即可作出液沫夹带线2。93 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。则 取，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。94 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式可得，即 故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负

17、荷上限线4。95 液泛线令 由 联立得 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得 式中 将有关的数据代入，得 故 或 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4。表4 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 3.89 3.81 3.72 3.58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（c）所示。在负荷性能图上，作出操作点a，连接oa，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液沫夹带控制，下限为漏液控制。由图（c）可查得 故操作弹性为 10主要工艺接管尺寸的计算和选取101 蒸汽出口管的管直径计算由于是常压精馏

18、，允许气速为6，故选取，则 圆整直径为102 回流管的管径计算冷凝器安装在塔顶，一般流速为6，故选取，则 圆整直径为103 进料管的管径计算由于料液是由泵输送的，一般允许流速为6，故选取；进料管中料液的体积流量 故 圆整直径为104 釜液排出管的管径计算釜液流出速度一般范围为6，故选取；塔底平均摩尔质量计算由，得：塔底液相平均密度的计算由，查手册【2】得 塔底液相的质量分率 塔釜排液管的体积流量 故 圆整直径为105 人孔相关尺寸的选取 由于本次设计中塔径，为安装、检修的需要，每隔八层塔板设置一个人孔，本次设计中实际塔板数有40块，故要设置5个人孔。本次设计，人孔的直径选取，其伸出塔体的筒体长

19、为220mm，并且设置人孔处的板间距为600mm。11 塔板主要结构参数表所设计筛板的主要结果汇总于表5。表5 筛板塔设计计算结果参数表 序 号项 目数 值1234567891011121314151617181920212223242526272829303132平均温度tm，平均压力pm，kpa气相流量vs，（m3/s）液相流量ls，（m3/s）实际塔板数有效段高度z，m塔径d，m板间距ht，m溢流形式降液管形式堰长lw，m堰高hw，m板上液层高度hl，m堰上液层高度how，m降液管底隙高度，m安定区宽度ws，m边缘区宽度wc，m开孔区面积aa，m2筛孔直径d0，m筛孔数目n孔中心距t，m

20、开孔率，%空塔气速，m/s筛孔气速，m/s稳定系数每层塔板压降，pa负荷上限负荷下限液沫夹带ev，（kg液/kg气）气相负荷上限vs，max，m3/s气相负荷下限vs，min，m3/s操作弹性82.5112.51.690.00194015.21.40.40单溢流弓形0.920.0490.060.0110.0260.070.0351.130.00558010.0150.011.3914.811.951.95552.9液沫夹带控制漏液控制0.0202.740.843.2612 对设计过程的评述和有关问题的讨论121 筛板塔的特性讨论筛板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要优点有：结构简单，易于加工，造价较低；在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%40%；踏板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔；气体压降较小，约比泡罩塔低30%；但也有一些缺点，即是：小孔筛板易堵塞，不易处理一些粘性较大或带固体粒子的料液；操作弹性相对较小。本次设计中的物系是乙醇水体系，故选用筛板塔。122 进料热状况的选取 本次设计中选用泡点进料，原因是泡点进料的操作比较容易控制，且不受季节气温的影响。123 回流比的选取 一般筛板塔设计中，回流比的选取是最小回流比的1.12.0倍。本次设计中，由于最小回流比比较大，故选用。124 理论塔板数的确定