板式精馏塔的设计

1、板式精馏塔的设计目录第一章 概述31.1 精馏原理31.2 精馏原理及其在化工生产上的应用31.3 精馏塔对塔设备的要求31.4 本设计所选塔的特性4第二章 设计方案的确定52.1 操作压力52.2 进料状况52.3 加热方式52.4 热能的利用62.5 设计内容及任务6第3章 筛板精馏塔设计方案的确定及计算63.1 物料衡算63.2 塔板数的确定83.3 精馏段的工艺条件及有关物性数据的计算113.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算153.5 塔板主要工艺尺寸的计算163.6 筛板的流体力学验算19第四章 辅助设备的计算及选型234.1 全凝器234.2 塔釜再沸器234.3 原料预热器244.4

2、 产品冷却器254.5 塔体结构264.6 接管的设计264.7 泵和储罐的设计27第五章 对本设计的评述31第六章 参考文献32第七章 符号说明33第一章 概述1.1 精馏原理精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸馏，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化，经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离。精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。一定温度和压力的料液进入精馏塔后，

3、轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成。精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定地进行。而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也叫残液），一部分则经再沸

4、器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸气气流。1.2 精馏原理及其在化工生产上的应用实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，部分气化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。1.3 精馏塔对塔设备的要求精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：一：生产能力大：

5、即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。五：结构简单，造价低，安装检修方便。六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。1.4 本设计所选塔的特性筛板塔是板式塔的一种，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。其结构特点有：1.结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60%左

6、右，为浮阀塔的80%左右。2.在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%40%。3.塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但低于浮阀塔。4.气体压力较小，每板压力比泡罩塔约低30%左右。第二章 设计方案的确定课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其热能的利用。2.1 操作压力精馏可在常压，加压或减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压先操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当提高操

7、作压力还可提高塔的处理能力，但增加塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度也有所下降。降低操作压力，组分的相对挥发度增大，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低温位的加热剂。但降低压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。故我们采用塔顶压力为常压进行操作。2.2 进料状况进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料温度就不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，设计制造均比较方便。但泡点进料需预热，热耗很大。在此次设计中，我们选用3

8、0C冷夜进料。2.3 加热方式精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量，若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样操作费用和设备费用均可降低。但在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需塔板数略有增加。综合考虑，我们采用间接蒸汽加热的方式2.4 热能的利用蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被有效利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的，但其能位较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后

9、再用于加热釜液。此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可取得节能的效果。例如，可采用设置中间再沸器和中间冷凝器的流程。2.5 设计内容及任务2.5.1设计内容乙醇-水 精馏分离板式塔设计2.5.2设计任务及操作条件可选择的有处理量： t/a (15 000, 17 500, 20 000)料液组成（质量分数）： （30%，35%，40%，45%，50%）C1，C2，C3，C4，C5塔顶产品组成（质量分数）： （92.5%，93%, 93.5%）C1，C2，C3塔顶易挥发组分回收率： （99%， 99.9%）C4，C5每年实际生产时间： 7200 h 我们小组选择的参数及条件如下：生产能力（进料量）2

10、0000吨/年每年实际生产时间 7200小时/年进料组成 30%（质量分数，下同）塔顶产品组成（质量分数）93.5%塔顶易挥发组分回收率99%第3章 筛板精馏塔设计方案的确定及计算3.1物料衡算乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 处理量 20000吨/年塔顶易挥发组分回收率 D= 99%进料质量分数 = 30% 塔顶馏出液质量分数 = 92.5% 进料组成塔顶馏出液组成进料平均摩尔质量塔顶馏出液平均摩尔质量进料量流量馏出液流量釜残液流量釜残液组成釜残液平均摩尔质量名称进料流率（kmol/h）进料百分比百分含量F126.090.144D21.710.828W104.390.00173.2塔板数的确定3

11、.2.1理论塔板数的求取乙醇-水属理想物系，可以采用图解法求理论塔板数.1).由设计任务书给出的乙醇-水物系的气液平衡数据绘出x-y图. 乙醇-水物系的气液平衡数据 乙醇水混合液的x-y图 （图一） 2).求最小回流比及操作回流比.采用作图法求最小回流比. 由上图可知 ，；则 水的沸点:373.2K 乙醇的沸点:351.5K,该物系属易分离物系,最小回留比不大,故操作回流比取最小回流比的2倍.3).求精馏塔的气液相负荷 4).求操作线方程精馏段的操作线方程为 提馏段的操作线方程为5).图解法求理论塔板数采用图解法求理论塔板数,如图二所示.求解结果是 图二 总理论塔板数 (包括再沸器) 进料板位

12、置 从塔顶数起 3.2.2实际板层数的求取实际板层数的求取精馏段实际塔板数 提馏段实际塔板数 3.3精馏段的工艺条件及有关物性数据的计算3.3.1操作压力计算精馏段：塔顶操作压力 设每层塔板压降 （板式塔的每个理论级压降约在0.41.1kPa）进料板压力 塔釜操作压力 精馏段的平均压力 提馏段的平均压力 3.3.2操作温度计算查化学工程手册得乙醇的安托尼方程 水的安托尼方程 式中的单位为kPa,t的单位为1).塔顶温度塔顶几乎是纯的乙醇,由操作压力.根据乙醇的安托尼方程,求得 设 ,则由安托尼方程求出 由泡点方程 (其中 称为气液平衡常数.对于理想溶液,当已知液相组成求平衡温度(泡点)时,因为

13、与其平衡的气相中各组分摩尔分数之和等于1,故有)所以 2).进料温度:泡点进料先设泡点 由安托尼方程求出 由泡点方程 同理 时 则精馏段的平均温度 3).塔釜温度塔釜几乎是纯的水,由操作压力.根据水的安托尼方程,求得 同理 时 所以提馏段的平均温度 3.3.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由 查平衡曲线(图一)得 进料板平均摩尔质量计算由图解理论板(图一),得 查平衡曲线(图一)得 精馏段的平均摩尔质量塔釜平均摩尔质量计算由 查平衡曲线(图一)得 提馏段的平均摩尔质量3.3.4平均密度计算1).精馏段气相平均密度计算由理想气体状态方程计算,即 提馏段气相平均密度计算由理想气体状态方程计算

14、,即 2）.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,查手册得 进料板液相平均密度的计算由,查手册得 进料板液相的质量分率 塔釜液相平均密度的计算由,查手册得 精馏段液相平均密度为 提馏段液相平均密度为 3.3.5液体平均表面张力的计算液体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 进料板液相平均表面张力的计算由,查手册得 塔釜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 提馏段液相平均表面张力为 3.3.6液体平均黏度的计算液体平均黏度依下式计算，即塔顶液相平均黏度的计算由,查手册得 进料板液相平均黏度的计算由,查手册得 塔釜液相平均黏

15、度的计算由,查手册得 精馏段液相平均黏度为提馏段液相平均黏度为3.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.4.1塔径的计算精馏段的气液相体积流率为由式中C由相关书中的公式查出 取板间距，板上液层高度，则查设计书得 取安全系数为0.7，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为.3.4.2精馏塔的有效高度计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开三个人孔,其高度为0.8m每个.故精馏塔的有效高度为 3.5塔板主要工艺尺寸的计算3.5.1溢流装置计算因塔径,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘,计算如下:1).堰长 取2).溢流堰高度 由 选用平直堰,堰上液层高度由设计书式5-7得 近似取,则 取板上清

16、液层高度 故 提馏段溢流装置计算取板上清液层高度 故 3). 精馏段弓形降液管宽度和截面积由 得 故 即提馏段弓形降液管宽度和截面积由 查设计书得 故 依式5-9验算液体在降液管中停留时间,即故降液管设计合理.4).精馏段降液管底隙高度 取 则 提馏段降液管底隙高度 故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘,深度 3.5.2塔板布置 (精馏段与提馏段相同)1).塔板的分块因,故塔板采用分块式,查设计书表5-3,塔板分为3块2).边缘区宽度确定 取 3).开孔区面积计算开孔区面积,即其中 故 同理可得 4).筛孔计算及其排列 本例所处理的物系无腐蚀性,可选用钢板,取筛孔直径.筛孔按正三角形排列,取

17、孔中心距 筛孔数目n为 开孔率为 精馏段气体通过阀孔的气速为 提馏段气体通过阀孔的气速为 3.6筛板的流体力学验算3.6.1塔板压降1).干板阻力计算干板阻力 由 查表得,精馏段干板阻力 液柱提馏段干板阻力 液柱2).气体通体液层的阻力计算精馏段气体通过液层的阻力可计算，即 查图得 故 液柱提馏段气体通过液层的阻力可计算 查图得 故 液柱3).液体表面张力的阻力计算精馏段液体表面张力所产生的阻力可计算为液柱气体通过每层塔板的液相高度可按下式计算,即 液柱气体通过每层塔板的压降为提馏段液体表面张力所产生的阻力可计算为液柱气体通过每层塔板的液相高度可按下式计算,即 液柱气体通过每层塔板的压降为3.

18、6.2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.3.6.3液沫夹带液沫夹带量 精馏段液沫夹带量kg液/kg气0.1kg液/kg气提馏段液沫夹带量 kg液/kg气0.1kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量在允许范围内.3.6.4漏液 (精馏段)对筛板塔,漏液点气速为 实际气速 稳定系数为 (提馏段)对筛板塔,漏液点气速为 实际气速 稳定系数为 故在本设计中无明显漏液.3.6.5液泛为防止塔内发生液泛,降液管内液层高应服从下式的关系,即 (精馏段)乙醇-水物系属一般物系,取,则而 板上不设进口堰,可由下式计算,即 液柱液柱(提馏段)乙醇-水物系属一般物系

19、,取,则而 板上不设进口堰,可由下式计算,即 液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象.第四章 辅助设备的计算及选型4.1全凝器 因为塔顶馏出液接近纯乙醇，则冷凝热拟定 乙醇：蒸汽液体 走壳程 冷却水： 走管程冷却水用量选 （冷却水管内，有机物蒸汽走管间的传热系数为600-1200）选择固定管板式换热器系列：G-400-16-25规格为：采用加热管的直径为：252.5mm名称公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数n规格4001.6286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200.027036.9130004.2塔釜再沸器塔釜液体基本上是水，则水的汽

20、化热 ，塔釜残液的摩尔质量为拟定 水蒸汽: 走壳程（当水蒸汽的温度为，压强为198.64kPa） 水： 走管程选 （管内走冷流体水，管间走热流体水蒸汽且有压强时传热系数为 2500-4500）规格为：采用加热管的直径为：252.5mm名称公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数n规格6002.52254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200.027065.5560004.3原料预热器原料加热：采用压强P为270.25kPa的水蒸汽加热，温度为130，冷凝温度至130走管内,原料从加热到走管间.流体形式采用逆流加热 又有 则有 选择 (乙醇冷流

21、体走管内,水蒸汽走管间的传热系数为600-1200) ,传热面积由下列公式计算 其中 则 规格为：采用加热管的直径为：252.5mm名称公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数n规格4001.62102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160.017011.4315004.4产品冷却器拟定 乙醇： 走壳程 冷却水： 走管程又有 则有 其中 选择 (无相变时,此种情况的传热系数为400-800)则 规格为：采用加热管的直径为：252.5mm名称公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数n规格1592.5113名称中心排管数管程流通面积

22、/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格160.01602.6630004.5塔体结构1）塔顶空间 塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距，为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距.所以塔顶间距为 2）. 塔底高度塔底高度选择能够储存有5min的釜液计算:设塔液的密度约为1000 kg/m3 因 再根据塔釜结构塔底高度设计为1.5m.3）. 根据化工设备的设计原理,现设计塔体支座为2.0m孔2个.4）. 结合上面所设计容易知道，并设计下列结构：塔体总高度为 4.6接管的设计1） 塔顶蒸气出口管的直径常压 : 蒸气流速 选用的热轧无缝钢管.2） 回流管直径 当塔顶冷凝器安装在塔顶平台上

23、时,回流液依靠重力自流入塔,流速可取 。 选用的热轧无缝钢管3）. 进料管管径液相进料 如果采用高位槽送料入塔,料液速度可取。 选用的热轧无缝钢管4）.塔底出料管径一般可取塔底出料管的料液流速 则 选用的热轧无缝钢管4.7泵和储罐的设计1）泵的设计：在进料口加料时，本设计采用换热器加热原料.可知：进料口高度为：进料口高度=支座+塔底+60.5 =2.5+1.5+6*0.5=7m进料密度：进料密度=乙醇密度0.174+水密度0.826 =由 选择泵的型号为：2B31B 流量为10 m3/h，扬程为22m。 2）储罐的设计：A原料罐 设计原料的储存利用时间为3天则可知：设其安全系数为：0.8 则有

24、：B储存罐 乙醇： 设计产品的储存时间为3天 产品密度=乙醇密度0.828+水密度0.172 则可知： 设其安全系数为：0.8 则有： 水：经污水处理后，由下水道排出。 选择设备：采用立式圆筒形固定顶储罐系列（HG-21502.1-92）原料储罐的选择规格为：名称标准序号公称体积/m3计算体积/m3内径/mm总高/mm材料总重/kg规格HG-21502.1-92-217800594.51050010338Q235-A.F22840乙醇产品储罐的选择规格为名称标准序号公称体积/m3计算体积/m3内径/mm总高/mm材料总重/kg规格HG-21502.1-92-20830033075008305Q

25、235-A.F12760设计结果概要或设计一览表筛板塔设计计算结果序号项目（精馏段）数值（提馏段）数值1平均温度88.397.82平均压力111.2123.83气相流量1.0790.9744液相流量0.000990.00225实际塔板数2266有效段高度10.52.57塔径，118板间距，0.400.40 9溢流形式单溢流单溢流10降液管形式弓形弓形11堰长，0.7 0.712堰高，0.05160.045713板上液层高度，0.060.0614堰上液层高度，0.00840.014315降液管底隙高度，0.01770.039316安定区宽度，0.0650.06517边缘区宽度，0.0350.03

26、518开孔区面积，0.4870.48719筛孔直径，0.0050.00520孔中心距，0.0150.01521开孔率，%10.110.122空塔气速，1.5001.24123筛孔气速，21.9419.8024稳定系数2.862.0925每层塔板压降，845 70526负荷上限液泛控制液泛控制27负荷下限漏液控制漏液控制28液沫夹带0.04610.023429气相负荷上限，1.3571.71430气相负荷下限，0.3930.42931操作弹性3.4533.99532筛孔数目2500250033第五章 对本设计的评述此次课程设计的任务是乙醇-水板式精馏塔的设计，在设计方案中，对于操作压力和进料温度

27、的选择上，由于缺乏经验可能选择和理论计算时有些不够好。辅助设备的计算和选型，平时接触的较少，例如在全凝器、塔釜再沸器、原料预热器的选择及根据有关参数、原理选择时考虑的不足，在计算过程中出现了一些问题，后来经过验证和改正才得以完成。之所以选择这些物料参数，如生产能力（进料量）20000吨/年，操作周期7200小时/年，进料组成 30%（质量分数），塔顶产品组成（质量分数）93.5%，塔顶易挥发组分回收率99%，是考虑到了本次设计物料乙醇水溶液的特性，并且查阅了大量的资料，上网搜索了类似工厂企业的物料参数，然后在给定的几个参数和条件中选择的。在这次的课程设计过程中，由于知识水平的有限，很多地方难以

28、达到专业设计的要求，这使得在整个设计过程中有很多地方是借鉴他人的设计，但是在设计过程中我也学到了如何去完成一份化工原理课程设计，知道在设计塔设备的步骤，在设计塔设备的时候要注意哪些问题，也使得我们将化工原理的上课内容更加深刻的记在我们的闹钟。在这次的设计过程中，我知道了自己自身知识储备的不足，在今后的其他设计中，我要努力提升自己的知识，让设计可以更加好。而这次设计是团队合作，这让我了解了团队工作的重要性，在很多的问题上正因为有了我的队友，我才能将问题解决。这次的设计时间紧促，在很多地方还有很多不足，希望老师在阅读过程中给予指出。第六章 参考文献1. 贾绍义，柴诚敬，化工原理课程设计。天津：天津大学出版社，2002.082. 柴诚敬，化工原理。北京：高等教育出版社，2010.063. 化学工业规划设计，塔的工艺计算。北京：石油化学工业出版社，19974. 化学工程手册编辑委会，化学工程手册，第1篇化工基础数据；第13篇气液传质设备。北京：化学工业出版社，19865. 大连理工大学化工原理教研室，化工原理课程设计。大连：大连理工大学出版社，19946. 柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计。天津：天津科学技术出版社，19957. 华南理工大学，化工过程及设备设计。广州，华南理