化工课程设计--乙醇与水的精馏板式塔的设计

1、化工原理课程设计报告 50000吨/年乙醇水精馏装置设计年级2010级专业10生物工程设计者姓名吴瑶设计单位巢湖学院完成日期2012年 12 月 25 日目 录一、概述11.1 设计依据11.2 技术来源11.3 设计任务及要求1二：计算过程21. 塔型选择22. 操作条件的确定42.1 操作压力42.2 进料状态42.3 加热方式42.4 热能利用53. 有关的工艺计算53.1 工艺流程简图53.2 工艺计算53.3 最小回流比、操作比的计算63.4 塔顶产品产量及釜残夜量的计算73.5全凝器冷凝介质的消耗量73.6热能利用8 3.7 理论塔板层数的确定83.8全塔效率的估算93.9 实际塔

2、板数104. 精馏塔主题尺寸的计算104.1 精馏段与提馏段的体积流量104.1.1 精馏段104.1.2 提馏段124.2 塔径的计算124.3 塔高的计算145. 塔板结构尺寸的确定155.1 塔板尺寸155.2 弓形降液管165.2.1 堰高165.2.2 降液管底隙高度h0165.2.3 进口堰高和受液盘175.3 浮阀数目及排列185.3.1 浮阀数目185.3.2 排列195.3.3 校核206. 流体力学验算206.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)206.1.1 干板阻力206.1.2 板上充气液层阻力216.1.3 由表面张力引起的阻力216.2 漏液验算216.3 液

3、泛验算226.4 雾沫夹带验算237. 操作性能负荷图247.1 雾沫夹带上限线247.2 液泛线247.3 液体负荷上限线247.4 漏液线247.5 液相负荷下限线257.6 操作性能负荷图258. 各接管尺寸的确定288.1 进料管288.2 釜残液出料管288.3 回流液管288.4 塔顶上升蒸汽管298.5 水蒸汽进口管29 9.主要符号说明30 10.结论32 10.1评述及感想32 10.2参考文献33一、概述乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近

4、些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设

5、备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。1.1 设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.2 技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。1.3 设计任务及要求原料：乙醇水溶液，年产量50000吨 乙醇含量：40%(质量分数)，原料液温度：45设计要求：塔顶的乙醇含量不小于95%(质量分数) 塔底的乙醇含量不大于1%(质量分数)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

6、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)0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0二：计算过程1. 塔型选择精馏

7、过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到气相中，气相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。筛板塔是孔板塔的一种，内装若干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。操作时，液体由塔顶进入，经溢流管（一部分经筛孔）逐板下降，并在板上积存液层。气体（或蒸汽）由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充分接触，并相互作用。泡沫式接触气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。为克服筛板安装水平要求过高的困难，发展了环流筛板；克服筛板

8、在低负荷下出现漏液现象，设计了板下带盘的筛板；减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距，制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰，塔板上开设气体导向缝的林德筛板。筛板塔普遍用作双温交换过程的冷、热塔。应用于蒸馏、吸收和除尘等。筛板塔优点：结构简单、造价低；气流压降小、板上液面落差小；板效率高。缺点：操作弹性小、筛孔小易堵塞。泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有f80mm、f100mm、f150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三

9、角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。泡罩塔板的优点是操作弹性大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高、板上液层厚，塔板压降大，生产能力及塔效率低。泡罩塔板已经逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已经很少使用。根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提

10、高生产效率，选用浮阀塔。板式塔的比较：评价板式塔的性能主要是指处理能力、操作弹性、板效率、板压降、板间距和费用等。各种塔板由于气液接触情况不同，板效率各有高低，板效率高的塔板说明它的结构比较合理。另外，板效率的高低还要与操作弹性结合起来，弹性大而板效率又高，则说明改塔能在较宽的操作范围内保持高效率。若板效率很高而弹性很小，则此中塔板只在很狭窄的范围内能良好操作，气液略有波动或生产能体需提高时，其板效率立即就会下降。 目前对各种板式塔的对比资料不尽一致，下表仅供参考。总效率的估算请参阅相关文献。 表 2板式塔的比较塔型总板效率/处理能力操作弹性p板间距/mm成本泡罩筛板浮阀舌型608070907

11、090709011.41.5 1.55393 1 0.5 0.6 0.8400800200400300600300600 1 2/3 2/3 2/32. 操作条件的确定2.1 操作压力由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压其中塔顶压力为 塔底压力2.2 进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料2.3 加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以

12、采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。2.4 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。3. 有关的工艺计算3.1工艺流程简图图1.工艺流程简图3.2工艺计算由于精馏过程的计算均以摩尔

13、分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为 摩尔分数。乙醇的摩尔质量 =46 水的摩尔质量 =18 原料液的摩尔组成： 同理可求得： =0.8814 =0.0039原料液的平均摩尔质量： =0.206946+(1-0.2069)18=23.29 =0.881446+(1-0.8814)18=42.68 =0.003946+(1-0.0039)18=18.11 45下，原料液中由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表2。 表3 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液馏出液釜残液40951(摩尔分数)0.20690.88140.0039摩尔质量23.7942.6818.11

14、沸点温度/83.8378.6299.383.3最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，过点做直线x=0.2069交平衡线于点，由点可读得，因此： 可取操作回流比3.4 塔顶产品产量、釜残液量的计算以年工作日为300天，每天开车24小时计，进料量为：由全塔的物料衡算方程可写出： 总物料衡算 F=298 乙醇的物料衡算 0.2069 F=0.8814 + 0.0039 联立解得 =69 =229 求精馏塔的气、液相负荷 =RD=1.569=103.5Kmol/h =(R+1)D=(1+1.5)69=172.5Kmol/h =L+F=103.5+298=401.5Kmol/h =V=172.5K

15、mol/h3.5 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：可以查得，所以取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25和35则平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：3.6热能利用以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量可记为：其中在进出预热器的平均温度以及的情况下可以查得比热，所以，釜残液放出的热量若将釜残液温度降至那么平均温度其比热为，因此，可知，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点3.7理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：线方程：在相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出块(含塔釜)其中，精馏段6块，提馏段6块。图2.图解法求理论塔板数3.8全塔效率的估算用

16、奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：由相平衡方程式可得根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得： (塔顶第一块板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：全塔的相对平均挥发度：全塔的平均温度：在温度下查得因为所以，全塔液体的平均粘度：全塔效率3.9实际塔板数 块(含塔釜)其中，精馏段的塔板数为：块4. 精馏塔主题尺寸的计算4.1 精馏段与提馏段的体积流量4.1.1 精馏段 整理精馏段的已知数据列于表4，由表中数据可知：液相平均摩尔质量：液相平均温度：表4 精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/83.8378.62在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，精

17、馏段的液相负荷 同理可计算出精馏段的汽相负荷。精馏段的负荷列于表5。 表5 精馏段的汽液相负荷名称汽相液相平均摩尔质量/31.2536.13平均密度/8141.251体积流量/2.43(0.000625)3804(1.056)4.1.2 提馏段整理提馏段的已知数据列于表6，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表7。表6 提馏段的已知数据位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/99.3883.83表7提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/20.225.6平均密度/9110.816体积流量/8.09(0.00225)4132(1.15)4.2 塔径的计算由于精馏段和

18、提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液相平均密度： 塔径可以由下面的公式给出： 由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间： 图3.史密斯关联图功能参数：从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：全塔平均温度，在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为，所以，液体的临界温度：设计要求条件下乙醇水溶液的表面张力平均塔温下乙醇水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：，所以： 根据塔径系列尺寸圆整为此时，精馏段的上升蒸汽速度为： 提馏段的上升

19、蒸汽速度为： 4.3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算： 已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为： 个取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高度：5. 塔板结构尺寸的确定5.1 塔板尺寸由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。取无效边缘区宽度，破沫区宽度，查得弓形溢流管宽度弓形降液管面积 验算： 液体在精馏段降液管内的停留时间 液体在精馏段降液管内的停留时间 5.2 弓形降液管5.2.1 堰高采用平直堰，堰高取，则5.2.2 降液管底隙高度h0 若取精馏段取，提馏段取为，那么液体通过降液管底隙

20、时的流速为精馏段：提馏段： 的一般经验数值为图4.弓形降液管参数图5.2.3降液管的形状降液管形式较多，主要有圆形、弓形和矩形等三种（图1016）。目前多采用弓形，因其结构简单，特别当塔径较大时比较合适。为了使塔板上液流均匀，一般不用圆形降液管。 图5.降液管示意图5.2.4 进口堰高和受液盘本设计不设置进口堰高和受液盘5.3 浮阀数目及排列采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。5.3.1 浮阀数目浮阀数目气体通过阀孔时的速度取动能因数，那么，因此个5.3.2 排列在筛孔大小，目前有不同得看法。有的认为孔径小好，理由时小孔气液接触好，操作范围也大。有的则认为孔径大好，理由时大孔径加工方

21、便，不易堵。孔径得所谓“大”或“小”，一般以9mm为界，大于9mm的称为大孔径。现在国内生产上使用的大多为小孔径筛板，有人从传质角度出发认为孔径d0=45mm为最合适。考虑到冲孔加工方便，对碳钢和铜合金塔板d0不宜小于板厚；对不锈钢塔板，不小于。一般孔间距，过小，易使气流互相干扰；过大，则鼓泡不均，实际设计常取，传质效果较好。目前国际上的趋势时采用大孔径，大孔径的筛孔在国外已很普遍。为了使筛板的利用率高，筛孔多取三角形排列。图6.筛孔排列示意图若同一横排的阀孔中心距，那么相邻两排间的阀孔中心距为： 取时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取，其中因此，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔

22、24个，所以总阀孔数目为个5.3.3 校核气体通过阀孔时的实际速度：实际动能因数：(在912之间)开孔率：开孔率在10%14之间，满足要求。6. 流体力学验算6.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)6.1.1 干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：因为所以 图7 有效液层阻力he6.1.2 板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数，那么：6.1.3 由表面张力引起的阻力由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以：6.2 漏液验算动能因数，相应的气相最小负荷为：其中所以可见不会产生过量漏液。6.3 液泛验算现说明一下板式塔

23、的液泛是如何引起的？当气体通过一层塔板时，因流体阻力造成压力降，即（见图1024）。根据流体力学中静力学基本方程可以算出由于（）的压差在降液管中将引起一段液柱高为此外，降液管中液体流动时有一阻力，会引起液体在降液管中的压降，此阻力又将造成降液管中一段相应的液柱高度可用式（1015）计算，则降液管中的液柱高为：（1029）值一般很小（要求不大于25mm），变动不大，则的变动取决于。气速增大，也增大。当气速大到等于或大于板间距时，液体就不再从降液管下流，而是由下塔板上升，这就是板式塔的液泛。液泛速度也就是大到液泛时的气速。因此板式塔的设计中要求降液管中的液柱高不超过板间距的倍，即（1030）凡气速

24、大到达到式（1030）情况时称为液泛极限。对式（1030）的范围看法不一致，多取0.5倍板间距。塔板的操作上限与操作下限之比称为操作弹性（即最大气量与最小气量之比或最大液量与最小液量之比）。操作弹性是塔板的一个重要特性。操作弹性大，则该塔稳定操作范围大，这是我们所希望的。 图8.降液管中的液柱高 溢流管内的清液层高度其中，所以，为防止液泛，通常，取校正系数，则有：可见，即不会产生液泛。6.4 雾沫夹带验算泛点率=查得物性系数，泛点负荷系数所以，泛点率=可见，雾沫夹带在允许的范围之内。7. 操作性能负荷图7.1 雾沫夹带上限线取泛点率为80%代入泛点率计算式，有：整理可得雾沫夹带上限方程为： 7

25、.2 液泛线液泛线方程为其中，代入上式化简后可得：7.3 液体负荷上限线取，那么 7.4 漏液线取动能因数，以限定气体的最小负荷： 7.5 液相负荷下限线取代入的计算式：整理可得：7.6 操作性能负荷图由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。图9.筛板塔操作性能示意图(1)图中线a为最小液体负荷线，此时最小液体流量为一定值，与气速无关，所以在图上是一垂直线。(2)线b为漏液线。此线表明不同液体流量时的最小气速，即操作下限。(3)线c为最大液体负荷线，此时最大液流量为一定值，与气速无关，所以在图上也是一垂直线。(4)线d按液体在降液管中允许停留时间计算，当降液管容积等于或小于液体流量（单

26、位为）的倍时即达极限。当塔的降液管的体积确定后（设计时已选定停留时间为若干秒），则降液管液体体积流量为一定值即等于降液管容积/，所以液体流量与气速无关，此线是一垂直线。(5)线e为降液管液泛线。为气液负荷大到使降液管中液层高度到达塔板间距的一半时的线。此线与气、液量都有关，液量愈大，在较低气体负荷时即达液泛极限，所以如图中曲线所示。(6)线 f为雾沫夹带线，为气体负荷操作上限。此图的阴影部分，为塔板的稳定操作区（当c线在d线右方时，稳定操作区应位于d线的左方）。必须指出，图中设计的上下限，设计时可以控制。例如，漏液线b可以用改变开孔率来调整，允许雾沫夹带线f可以用合理选取塔板间距来调整。 根据

27、生产任务规定的气液负荷，可知操作点P(0.00146，1.103)在正常的操作范围内。连接OP作出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：所以，塔的操作弹性为有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表8 表8. 筛板塔主要设计参数工艺参数汇总序号 项目 数值序号 项目 数值1 平均温度， 90.82 平均压力 ， 108.83 气相流量（ ） 0.734 液相流量（ ） 0.00195 实际塔板数(块) 236 有效段高度（） 9.27 塔径 （ ） 1.28 板间距（ ） 0.49 溢流形式 单溢流10 降液管形式 弓形11 堰长 （） 0.79212 堰高

28、（） 0.04813 板上液层高度 （） 0.0614 堰上液层高度（） 0.04815 降液管底隙高度() 0.03616 安定区宽度() 0.06517 边缘区宽度（） 0.03518 开孔区面积（） 0.28019 筛孔直径（ ） 0.00420 筛孔数目（个） 224621 开孔率为（） 10.122 孔中心距（） 1223 空塔气速（） 0.87224 筛孔气速（） 25.8125 稳定系数 4.9526 每层塔板压降（） 0.48227 负荷上限 液泛控制28 负荷下限 漏液控制29 液沫夹带 0.01730 气相负荷上限（） 1.5731 气相负荷下限（） 0.49632 操作弹

29、性 3.3418. 各接管尺寸的确定8.1 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(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.2 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(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.3 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(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.4 塔顶上升蒸汽管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(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.5 水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量： 取适宜速度，那

30、么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：9.主要符号说明-塔板开孔面积，-降液管面积，-筛孔面积，-负荷系数，量纲为1-流量系数，量纲为1-塔径，-筛孔直径，-全板效率，量纲为1-液沫夹带量，kg（液）/kg（气）-进料流量，-重力加速度，-塔高，-板间距，-与干板压降相当的液柱高度，-与液体流经降液管的压降相当的液柱高度，-板上层液高度，-降液管底隙高度，-堰上层液高度，-与单板压降相当的液柱高度，-溢流堰高度，-筛板的稳定系数，量纲为1-塔内下降液体的流量，-液体流量，-塔内下降液体的流量，-溢流堰长度，-塔板数-实际塔板数-理论塔板数-筛孔数-操作压强，-压强降，-进料热状态参数-回流比，-开孔区半径，-筛孔中心距，-空塔气速，-按开孔区流通面积计算的气速，-筛孔气速，-降液管底隙处液体流速，-塔内上升蒸汽量，-塔内上升蒸汽流量，m/s-塔底产品流量，-有效区宽度，-弓形降液管宽度，-液相中易挥发组分的摩尔分数-气相中易挥发组分的摩尔分数 -塔的有效高度，-干板筛孔流量系数修正系数，量纲为1-筛板厚度，-板上液层充气系数，量纲为1-开孔率-粘度，-液相密度，