乙醇水板式精馏塔设计任务书.doc

1、.课程设计题目名称乙醇水精馏塔的设计课程名称化工原理学生学院专业班级学号学生姓名指导教师2013年 06月 14日.前言在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保部门，塔设备属于使用量大，应用面广的重要单元设备，而精馏操作则是工业中分离液体混合物的最常用手段。其操作原理是利用液体混合物中各组分的挥发度的不同，在气液两相相互接触时，易挥发的组分向气相传递，难挥发的组分向液相传递，使混合物达到一定程度的分离。塔设备的基本功能是提供气液两相以充分的接触机会，使物质和热量的传递能有效的进行；在气液接触之后，应使气、液两相能及时分开，尽量减少相互夹带。常用的精馏塔按其结构形式分为板式塔和填料塔两大类，

2、板式塔内装有若干层塔板，液体依靠重力自上而下流过每层塔板，气体依靠压强差的推力，自下而上穿过各层塔板上的液层而流向塔顶，气液两相在内进行逐级接触。填料塔内装有各种形式的填料，气液两相沿塔做连续逆流接触，其传质和传热的场所为填料的润湿表面。板式塔具有结构简单、安装方便、压降很低、操作弹性大、持液量小等优点。同时，也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。本设计参考了部分化工原理课程设计书上的内容， 还得到了老师和同学的帮助， 在此表示感谢。 由于本人能力有限，经验不足，书中难免会出现一些错误，恳请大家批评指正。编者2013年 6月 13日.目录第一章 绪论 .11.1设计依据 .12.1.1塔型选择

3、.12.1.2操作压力 .12.1.3进料状况 .12.1.4加热方式 .22.1.6热能的利用 .21.2设计条件及任务 .21.2.1设计条件 .21.2.2设计任务 .2第二章 塔板的工艺设计 .32.1精馏塔全塔物料衡算 .32.2塔的有关物性数据计算 .42.2.1平均温度计算 .42.2.2操作压强计算 .52.2.3平均密度计算 .52.2.4表面张力 .62.2.5平均粘度 .72.2.6相对挥发度 .72.2.7平均分子量计算 .82.2.8平均流量 .92.3最小回流比及操作回流比的确定.92.4操作线方程 .92.5全塔效率 ET 和实际板数 N P .102.6塔径的初

4、步设计 .102.6.1精馏 段的塔径 .102.6.2提馏 段的塔径 .112.7溢流装置 .122.8塔板分布，浮阀数目与排列.142.8.1塔板分布 .142.8.2浮阀数目与排列 .14第三章 流体力学验算 .153.1气体通过浮阀塔板的压降（单板压降）.153.2液泛 .153.3物沫夹带 .163.4漏液 .163.5塔板符合性能图 .163.5.1气相负荷下限线： .163.5.2雾沫夹带线 .173.5.3液相负荷下限线 .17.3.5.4液相负荷上限线 .173.5.5 液泛线： .17第四章热量衡算 .184.1塔顶冷凝器的热量衡算 .184.2塔底再沸器的热量衡算 .19

5、第五章主要接管尺寸计算 .195.1进料管 .195.2回流管 .205.3塔釜出液管 .205.4塔顶蒸汽管 .215.5塔釜蒸汽管 .215.6主要接管设计汇总 .22第六章辅助设备设计定型 .226.1预热器 .236. 2 再沸器 .236.3全凝器 .246.4冷却器 .256.5泵的选取 .256.6储槽.26第七章塔的总体结构 .277.1塔的封头确定 .277.2塔壁厚同封头壁厚： .277.3塔高.27第八章 塔的具体结构设计 .288.1. 塔板尺寸 .288.2. 塔节说明 .298.3. 降液管装置（取整） .298.4. 封接结构 .298.5. 人孔 .328.6塔

6、顶吊柱 .33第九章经济衡算 .339.1成产成本 .339.1.1水蒸汽费用 CS.339.1.2冷却水费用 CW .339.1.3设备投资费 .349. 2生产收益 .349.3利润 .34.化工原理课程设计任务书设计题目： 分离乙醇 水精馏塔设计第一章绪论乙醇 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

7、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。1.1 设计依据课程设计方案选定所涉及的主要内容有：塔型选择、操作压力、进料状况、加热方式及其热能的利用。2.1.1 塔型选择浮阀塔的操作弹性大， 特别是在低负荷时， 仍能保持正常操作。 浮阀塔由于气液接触状态良好， 雾沫夹带量小 ( 因气体水平吹出之故 )，塔板效率较

8、高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况。基于浮阀塔有上述优点，因此我们选择了浮阀塔。2.1.2 操作压力精馏常在常压，加压或减压下进行。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，在相同的塔径下，适当提高操作压力还可以提高塔的处理能力。所以我们采用塔顶压力为 10kPa（表压）进行操作。2.1.3 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，进料温度不受季节，.气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较好控制。此外，泡点进料时，精馏段和提馏的塔径相同，设计制造比较方便。故本实验采用泡点进料。2.1.4 加热方式精馏塔的设

9、计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应。本次设计任务年产量较大，对设备造成的负荷要求也高，所需热量较多，因此采用再沸器由水蒸汽间接加热，采用饱和蒸汽加热，且冷凝液在饱和温度下排出，同时需要安装塔釜上升蒸汽管把釜底蒸汽送入筒体内。2.1.6 热能的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1.2 设计条件及任务1.2.1 设计条件在常压下设计一个间接加热的连续板式精馏塔，分离乙

10、醇-水混合物，要求1. 年生产能力3000t/a（每年按300 个工作日，每天24 小时计算）2. 原料规格 0.2 (质量分数 ) ；塔顶产品规格 0.9 (质量分数 )；回收率 0.953. 操作条件塔顶压力： 10kPa（表压）；单板压降 0.7kPa进料热状态：泡点进料；回流比：3.5-4.51.2.2 设计任务1. 精馏塔工艺计算（物料衡算，热量衡算，设备计算与选型）2. 精馏塔主要工艺尺寸的设计计算3. 热量衡算及板式塔的结构与附属设备的计算4. 精馏塔设备结构图和工艺流程图5. 撰写设计说明书.第二章塔板的工艺设计2.1 精馏塔全塔物料衡算原料液的摩尔组成：0 . 2x F46

11、.070 .0890.20 . 846.0718 .01塔顶产品的摩尔组成：0.9xD46.070.7790.90.146.0718.01M D =M 乙醇 x D +M 水 (1- xD ) = 46.07 x 0.779 + 18.01 x (1-0.779)= 39.869kg/kmol同理可得： M F = 20.51kg/kmolM W = 18.15kg/kmolQ/MDD =T6= 3x10 /(39.869 x 300 x 24) = 10.451kmol/hDxD=Fx F= 0.95Dx DF =xF= 96.290kmol/hW = F D = 85.839kmol/h塔

12、釜液的摩尔组成：Fx FDx DxW0.00499W.表 1物料衡算数据记录F96.290kmol/h0.089xFD10.451kmol/h0.779xDW85.839kmol/h0.00499xW2.2 塔的有关物性数据计算2.2.1 平均温度计算表 2乙醇 -水溶液的气液平衡数据乙醇摩尔分数温度 /乙醇摩尔分数温度 /液 相气 相液 相气 相0.000.001000.32730.582681.50.1900.170095.50.39650.612280.70.07210.389189.00.50790.656479.80.09660.437586.70.51980.659979.70.1

13、2380.470485.30.57320.684179.30.16610.508984.10.67630.738578.740.23370.544582.70.74720.781578.410.26080.558082.30.89430.894378.15利用表中数据由差值法可求：塔顶： t D78.5 C ，塔釜： t W100 C ，进料： t F 87.4 Ctm78.5100289.25 C全塔平均温度：，78.587.14tm82.82 C精馏段平均温度：2.tm87.14100293.57 C提馏段平均温度：2.2.2 操作压强计算塔顶压强： PD=111.325KPa ，取每层压

14、强降为P0.5KPa塔底压强：PWPD* N P111.3250.517119.825KPa进料板压强： PFPDN 精 P111.3250.512117.325KPa全塔平均操作压强：PmPDP111.325119.825115.575KPa22精馏段平均操作压强：PmPFPD111.325117.325114.325KPa22提馏段平均操作压强：PmPFPW117.325119.825118.575KPa222.2.3 平均密度计算液相塔顶 t178.5 C ，查得 水 (液 ) 972.93 kg / m3乙醇 (液 ) 737.02 kg / m3L10.779 737.02（ 10.

15、779） 972.93789.156 kg / m3进料 t 287.14 C ，查得 水 (液 ) 967.159 kg / m3乙醇 (液 ) 727.12 kg / m3L20.089 727.12（ 1 0.089） 967.159 945.796 kg / m3塔釜t3 100C查得水( 液 ) 958.4kg / m3.乙醇 (液 ) 716 kg / m3L30.00499 716（ 1 0.00499） 958.4 957.190 kg / m3精馏段液相平均密度： （ 789.156+945.796 ） /2=867.476 kg / m3提馏段液相平均密度： （ 945.7

16、96+957.190 ） /2=951.493 kg / m3气相塔顶 t178.5 C ，查得 水 (气 ) 0.2744 kg / m3乙醇 (气 ) 1.449 kg / m3vmPm M v m111.325235.17751.2022Rtm精8.314582.82273.15精馏段：vmPm M v m111.32523.9080.7945Rtm提8.314593.57273.15提馏段：2.2.4 表面张力塔顶 t178.5 C ，查得 水62.95 mN/m乙醇 18.43 mN/m1 0.779 18.43（ 1 0.779） 62.95 28.269mN/m进料 t 287.

17、14 C ，查得水乙醇61.34 mN/m17.57 mN/m2 57.444mN/m塔釜t3 100C查得水乙醇58.70 mN/m16.29 mN/m3 58.494 mN/m精馏段平均表面张力：(精 )=(28.269+57.444)/2=42.8565 mN/m提馏段平均表面张力：(提 )=(57.444+58.494)/2=57.969 mN/m.2.2.5平均粘度塔顶 t178.5 C ，查得乙醇的黏度为0.47mPa s,水的黏度为 0.3800 mPa s1x） *0.3800=0.45 mPa s=0.47*0.779+ （ 1-0.779进料 t 287.14 C ，查得乙

18、醇的黏度为0.41 mPa s ，水的黏度为 0.3400 mPa s2 0.3477 mPa s塔釜 t3100 C，查得乙醇的黏度为0.340 mPa s ，水的黏度为0.280 mPa s3 0.2803mPa s平均粘度m31233 0.45 0.3471 0.28030.3524mPa s2.2.6相对挥发度Y (1X )相对挥发度：X (1Y)塔顶：X D =0779 时， YD 0.810t1 78.5 C挥发度1 1.209进料：X F =0.089 时， YF 0.417t2 = 87.4 C挥发度2 7.321塔釜：X W =0.00499 时， YW 0.057t398.7 C （由于考虑到实际情况常用100 C ），挥发度3 12.27