年产2万吨乙醇—水精馏塔设计

1、.成绩西北大学化工学院化工原理课程设计说明书设计名称：年产两万吨乙醇-水精馏塔年级专业： 2013级化学工程与工艺姓名：指导老师：2016年 1月 15日目录1概述11.1 设计题目及要求11.1.1设计题目11.1.2设计任务11.1.3设计参数11.2 精馏过程简介12工艺设计部分22.1 全塔物料衡算22.2 乙醇-水的气液平衡数据32.3 确定Rmin及工业生产常用R的选择42.4 板效率、塔板数的计算和进料位置与状态的选择42.4.1理论塔板数NT的求取42.4.2全塔效率ET62.4.3实际塔板数Np62.4.4加料位置与状态的选择72.5 物性参数计算72.5.1定性压力pm72

2、.5.2定性温度tm72.5.3平均分子质量Mm82.5.4平均密度m92.5.5液体的平均表面张力102.5.6液体的平均粘度L,m112.6 汽液负荷计算112.6.1精馏段气液负荷计算112.6.2提馏段汽液负荷计算122.7 塔及塔板主要工艺结构尺寸结构的计算122.7.1塔径的设计计算122.7.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算142.8 校核计算172.8.1精馏段校核计算172.8.2提馏段校核计算192.9 塔板负荷性能图的计算与绘制212.9.1精馏段塔板负荷性能图212.9.2提馏段塔板负荷性能图233设备设计及辅助设计部分253.1 塔体结构的初步设计253.1.1筒体和封

3、头厚度计算253.1.2椭圆封头的选型263.2 换热器的计算与设计选型263.2.1预热器263.2.2再沸器283.2.3冷凝器293.2.4冷却器303.3 管道计算及规格选择313.3.1管道设计步骤313.3.2算例313.3.3管道设计结果汇总表343.4 泵的计算及设计选型353.4.1原料泵353.4.2冷却水泵363.5 储罐的计算与选型363.5.1原料储罐363.5.2产品储罐373.5.3热水储罐374设计数据总汇表384.1 物性参数数据384.2 工艺设计数据385认识与体会406参考文献41. v.1 概述1.1 设计题目及要求1.1.1 设计题目年产两万吨乙醇-

4、水连续精馏塔（筛板塔）1.1.2 设计任务由设定值浓度的酒精-水二元均相混合物作原料，根据所需要的年产量D、塔顶产品浓度、塔釜浓度等参数设计出酒精连续精馏塔。1.1.3 设计参数生产任务：年产量加热蒸汽压力：3.5atg（表压）冷却器进口水温度：20冷凝器出口水温：50原料浓度：塔顶产品浓度：（质量分率）塔釜浓度：）1.2 精馏过程简介图1为连续精馏塔。乙醇水混合液自塔的中部某适当位置连续地加入塔内，塔顶设有冷凝器将塔顶蒸汽冷凝为液体。冷凝液的一部分回入塔顶，称为回流液，其余作为塔顶产品（馏出液）排出。在塔内上半部（加料位置以上）上升蒸汽和回流液体之间进行着逆流接触和物质传递。塔底部装有再沸器

5、以加热液体产生蒸汽，蒸汽沿塔上升，与下降的液体逆流接触并进行物质传递，塔底连续排除部分液体作为塔底产品。在塔的加料位置以上，上升蒸汽中所含的重组分向液相传递，而回流液中的轻组分向气相传递。如此物质交换的结果，使上升蒸汽中轻组分的浓度逐渐升高。只要有足够的相际接触表面和足够的液体回流量，到达塔顶的蒸汽将成为高纯度的轻组分。塔的上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的重组分，因而称为精馏段。图 1连续精馏过程在塔的加料位置以下，下降液体（包括回流液和加料液中的液体）中的轻组分向气相传递，上升蒸汽中的重组分向液相传递。这样，只要两相接触面和上升蒸汽量足够，到达塔底的液体中所含的轻组分可降至很低，从而

6、获得高纯度的重组分。塔的下半部完成了下降液体中重组分的提浓即提出了轻组分，因而称为提馏段。一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段，再这样的塔内可将一个双组分混合物连续地、高纯度地分离为轻、重两组分。精馏与蒸馏的区别在于“回流”，包括塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流，回流是构成气、液两相接触传质的必要条件，没有气液两相的接触也就无从进行物质交换。另一方面，组分挥发度的差异造成了有利的相平衡条件（y > x）。这使上升蒸汽在与自身冷凝回流液之间的接触过程中，重组分向液相传递，轻组分向气相传递。相平衡条件y > x使必需的回流液的数量小于塔顶冷凝液的的总量，即只需要部分回流，而无

7、需全部回流。唯有如此，才能从塔顶抽出部分凝液作为产品。因此，精馏过程的基础是组分挥发度的差异。2 工艺设计部分2.1 全塔物料衡算质量分率化为摩尔分率，得2.2 乙醇-水的气液平衡数据图2乙醇水相平衡曲线图t/x图3乙醇-水等压相图（p=1atm）2.3 确定Rmin及工业生产常用R的选择根据图 1，得Rmin时精馏段操作线斜率为最小回流比回流比取回流比，则2.4 板效率、塔板数的计算和进料位置与状态的选择2.4.1 理论塔板数NT的求取精馏段操作线方程：化简，得提馏段操作线方程：化简，得根据气液相平衡数据及精馏段、提馏段操作线方程，利用MATLAB编程计算理论板数，得图 4。图4图解法计算理

8、论板数即理论板数2.4.2 全塔效率ET采用法，根据可得：塔顶相对挥发度：塔顶温度：塔底相对挥发度：塔底温度：代入数值，结合相平衡曲线计算得相对挥发度全塔效率2.4.3 实际塔板数Np以塔釜作为一块理论板，根据精馏段塔板数提馏段塔板数总塔板数2.4.4 加料位置与状态的选择加料位置：第33块塔板进料状态：泡点进料2.5 物性参数计算2.5.1 定性压力pm取每层塔板压降为计算塔顶：加料板：塔底压力：精馏段定性压力：提馏段定性压力：2.5.2 定性温度tm塔顶温度：加料板温度：塔底温度：精馏段定性温度：提馏段定性温度：2.5.3 平均分子质量Mm塔顶：加料板：塔底：精馏段：精馏段定性温度,由图可

9、知气相平均分子质量：液相平均分子质量：提馏段：提馏段定性温度为由图可知2.5.4 平均密度m1、 液相平均密度塔顶：塔顶温度下查得水的密度为，乙醇的密度为。进料板：加料板温度下查得水的密度为，乙醇的密度为。塔底：塔底温度下查得水的密度为，乙醇的密度为。精馏段：精馏段定性温度下查得水的密度为，乙醇的密度为。提馏段：提馏段定性温度下查得水的密度为,乙醇的密度为。2、 气相平均密度2.5.5 液体的平均表面张力塔顶：塔顶温度下查得水的表面张力为，乙醇的表面张力为为。加料板：加料板温度下查得水的表面张力为，乙醇的表面张力为塔底：塔底温度下查得水的表面张力为，乙醇的表面张力为。精馏段：精馏段定性温度下查

10、得水的表面张力为，乙醇的表面张力为。提馏段：提馏段定性温度下查得水的表面张力为为,乙醇的表面张力为2.5.6 液体的平均粘度L,m塔顶：在塔顶温度下，查得水的黏度为，乙醇的黏度为。加料板：在加料板温度下，查得水的黏度为，乙醇的黏度为。塔底：在塔底温度下，查得水的黏度为，乙醇的黏度为。精馏段：在精馏段定性温度，下查得水的黏度为，乙醇的黏度为。提馏段：在提馏段定性温度下，查得水的黏度为,乙醇的黏度为2.6 汽液负荷计算2.6.1 精馏段气液负荷计算气相摩尔流率：气相体积流量：液相回流摩尔流率：液相体积流量：2.6.2 提馏段汽液负荷计算气相摩尔流率：气相体积流量：液相回流摩尔流率：液相体积流量：2

11、.7 塔及塔板主要工艺结构尺寸结构的计算2.7.1 塔径的设计计算初选塔板间距，及板上液层高度，则按Smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）查Smith通用关联图，得负荷因子：泛点气速：操作气速：取精馏段塔径：提馏段塔径：圆整，取此时的泛点气速：操作气速：2.7.2 塔板工艺结构尺寸的设计与计算1、塔板工艺结构尺寸的设计与计算溢流装置：a. 精馏段采用单溢流型的平形溢流堰、弓形降液管、平行受液盘，且不设进口内堰。溢流堰长（出口堰长）：取，堰上溢流强度：满足筛板塔的堰上溢流强度要求。出口堰高：式中：板上液层高度，m堰上液层高度，m对平直堰：由及，查图得，于是，圆整，取降夜管的宽度和降夜管的面

12、积由即液体在降夜管内的停留时间为：降夜管的底隙高度：液体通过降夜管底隙的流速一般为，取液体通过降夜管底隙的流速为，则b. 提馏段（计算过程与精馏段相似）溢流堰长（出口堰长）：堰上溢流强度：满足筛板塔的堰上溢流强度要求。出口堰高：降夜管的宽度和降夜管的面积液体在降夜管内的停留时间为：降夜管的底隙高度：塔板布置a.精馏段段塔板布置塔板分块因，根据塔板分块数与塔径的关系图将塔板分作边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度：一般为，时，可达。安定区宽度：规定时，。本设计取开孔区面积b.提馏段塔板布置塔板分块因，根据塔板分块数与塔径的关系图将塔板分作边缘区宽度与安定区宽度开孔区面积（3）、开孔数和开孔率a.精馏

13、段开孔数和开孔率取筛孔的孔径，正三角排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取，故孔心距每层塔板的开孔数每层塔板的开孔率每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速b.提馏段开孔数和开孔率孔心距每层塔板的开孔数每层塔板的开孔率每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速（4）塔高计算2.8 校核计算2.8.1 精馏段校核计算1、 塔板压降校核（1）气体通过干板的压降式中，孔流系数由，查图得出（2）气体通过板上液层的压降式中，充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查图，得，（一般可近似取）。（3）气体通过筛板的压降（单板压降）和2、 雾沫夹带量的校核气体实际通过塔截面的速度雾沫夹带量：

14、式中，取板上泡沫层高度校核结果说明不会产生过量的雾沫夹带。3、漏液的校核漏液点气速计算公式：故漏液点气速为：筛板的稳定性系数4、液泛的校核为防止降夜管发生液泛，应使降夜管中的清液层高度相对泡沫密度取，则有成立，故不会产生液泛。通过流体力学校核，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合格。2.8.2 提馏段校核计算1、塔板压降校核（1）气体通过干板的压降（2）气体通过板上液层的压降式中，充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查图，得，（一般可近似取）。于是（3）气体通过筛板的压降（单板压降）和2、雾沫夹带量的校核雾沫夹带量：式中，取板上泡沫层高度校核结果说明不会

15、产生过量的雾沫夹带。3、漏液的校核故漏液点气速为：筛板的稳定性系数4、液泛的校核为防止降夜管发生液泛，应使降夜管中的清液层高度相对泡沫密度取，则有成立，故不会产生液泛。通过流体力学校核，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合格对板式塔负荷性能图的计算。2.9 塔板负荷性能图的计算与绘制2.9.1 精馏段塔板负荷性能图1、 液沫夹带线式中而液沫夹带量化简，得于是可做出液沫夹带线2、 液泛线（气相负荷上限线）于是，计算得到3、 液相负荷上限线4、 漏液线（气相负荷下限线）漏液点气速5、 液相负荷下限线平堰堰上液层高度6、 操作线与操作弹性工作点为：操作气液比：过和工作点在图中做出操作线。7、 做出

16、精馏段塔板负荷性能图如下图5精馏段塔板负荷性能图操作线的上限由夹带线控制，下限由漏液线所控制，其操作弹性为2.9.2 提馏段塔板负荷性能图1、液沫夹带线式中经计算，得于是可做出雾沫夹带线2、液泛线（气相负荷上限线）3、液相负荷上限线4、漏液线（气相负荷下限线）漏液点气速5、液相负荷下限线取平堰堰上液层高度6、操作线与操作弹性操作气液比7、 做出提馏段塔板负荷性能图如下图6提馏段塔板负荷性能图操作弹性3 设备设计及辅助设计部分3.1 塔体结构的初步设计3.1.1 筒体和封头厚度计算塔体圆筒高度：23.3m，设计压力p：1.1MPa，许永应力：170MPa塔体内径：1200mm，塔体焊接接头系数：

17、0.85计算过程整理如下表：表1塔体和封头厚度计算及校核过程计算内容计算公式计算结果塔内液柱高度h2.67液柱静压力0.021<0.05p计算压力1.1圆筒计算厚度4.6圆筒设计厚度6.7圆筒名义厚度8圆通有效厚度6封头计算厚度4.58封头设计厚度6.58封头名义厚度8封头有效厚度6圆筒厚度：8mm，封头厚度：8mm。3.1.2 椭圆封头的选型公称直径（DN）:1200mm，名义厚度：8mm，材质为16MnR总深度：325mm内表面积：1.6552容积：0.25453.2 换热器的计算与设计选型3.2.1 预热器1、 预热器的设计计算预热器入口温度：25，出口温度：预热定性温度：蒸汽压力

18、3.5atg，即451.3kPa查表，451.3kpa下蒸汽温度为：取传热系数对数平均推动力查定性温度55.4下水的摩尔热容，乙醇的摩尔热容热负荷：传热面积：高压蒸汽汽化潜热：，密度：蒸汽用量：2、预热器的设计选型前端管箱型式：封头（整体端盖）（B）壳体型式：单程壳体（E）后端管箱型式：有背衬的浮头（S）公称直径：DN=325mm公称压力：2.5MPa换热面积：换热管长度：L=3m换热管外径：d=25mm管程数：预热器型号为：3.2.2 再沸器1、再沸器的设计计算塔底温度：塔底温度98.8下，查得水的汽化潜热为，查得乙醇的汽化潜热为取传热系数：热负荷：推动力：传热面积：高压蒸汽汽化潜热：，密度

19、：蒸汽用量：2、再沸器的设计选型前端管箱型式：封头（整体端盖）（B）壳体型式：单程壳体(E)后端管箱型式：固定管板（M）公称直径：DN=273mm公称压力：1.60MPa换热面积：换热管长度：LN = 4.5m换热管外径：d = 25mm管程数：再沸器型号为：3.2.3 冷凝器1、冷凝器的设计计算塔顶温度：塔底温度78.3下，查得水的汽化潜热为，查得乙醇的汽化潜热为取传热系数：热负荷：推动力：冷凝器出口水温：50传热面积：冷凝水用量：2、冷凝器的设计选型前端管箱型式：（A）壳体型式：单程壳体（E）后端管箱型式：固定管板（S）公称直径：DN=500mm公称压力：2.5MPa换热面积：换热管长度：

20、LN=4.5m换热管外径：d=19mm管程数：冷凝器型号为：3.2.4 冷却器1、冷却器的设计计算定性温度：定性温度51.65下，查得水的摩尔比热容为，查得乙醇的汽化潜热为冷却水定性温度：取传热系数：热负荷：推动力：传热面积：冷却水用量：2、冷却器的设计选型前端管箱型式：（A）壳体型式：单程壳体（E）后端管箱型式：（L）公称直径：DN=400mm公称压力：1.60MPa公称换热面积：公称长度：LN=1500mm=1.5m换热管外径：d=25mm管程数：冷却器型号为：3.3 管道计算及规格选择3.3.1 管道设计步骤1、 确定管道内液体或气体的体积流量2、 初选设计流速3、 确定管道横截面积A4

21、、 计算管道内径：5、 查取管道设计尺寸6、 根据管道所选尺寸计算管道实际流速3.3.2 算例1、原料储罐与预热器之间的管路计算根据加料流率，可知管内液体的流量为：设计流速：管道横截面积：管道内径：取管道尺寸为：管壁厚度为：管道外径：实际管道内径为：47mm，取管件当量长度：100m。实际流速为：2、预热器与进料口之间的管路根据进料率，可知管内液体的流量为：设计流速：管道横截面积：管道内径：取管道尺寸为：管壁厚度为：管道外径：实际管道内径为：47mm，实际流速为：3、预热器高压蒸汽管路计算管内蒸汽的流量为：设计流速：管道横截面积：管道内径：取管道尺寸为：管壁厚度为：管道外径：实际管道内径为：6

22、0mm实际流速为：4、预热器到疏水器间的管路计算管内液体的流量为：设计流速：管道横截面积：管道内径：取管道尺寸为：管壁厚度为：管道外径：实际管道内径为：15mm实际流速为：5、塔顶出口与冷凝器间的蒸汽管道管内蒸汽的流量为：设计流速：管道横截面积：管道内径：取管道尺寸为：管壁厚度为：管道外径：实际管道内径为：60mm实际流速为：48.3 m/s3.3.3 管道设计结果汇总表表2 管道设计数据表管道流体状态流量设计流速管道内径Mm管道尺寸mm实际内径mm实际流速原料储槽预热器液0.003243.702471.729预热器进料口液0.003243.702471.729预热器高压蒸汽管汽0.13665

23、058.986048.3预热器疏水器液0.000316221.18151.789塔顶出口冷凝器汽1.810510480.1255029.1475冷凝器出口管液0.011283.683841.985冷凝器冷却水管液0.02672130.431331.9236冷凝器出口回流管液0,0019234.779361.867冷凝器冷却器液0.000633220.079261.929冷却器冷却水管液0.0192110.23631151.838塔底出口管液0.0035247.203491.856塔底再沸器液0.0017232.898361.67再沸器进塔汽1.717410495.624729.815再沸器高压

24、蒸汽管汽0.54650117.912246.72再沸器疏水器液0.00126228.36301.78塔底热水储罐液0.0018233.85361.768总蒸汽管汽0.68350131.8613647.0总冷却水管液004582170.81741.92663.4 泵的计算及设计选型3.4.1 原料泵管内液体的流量为：，流速：u=1.729假设料液面至加料孔高度差为：10m当量长度：10m雷诺系数：查得当量长度：100m阻力损失：离心泵扬程：流量：选取离心泵型号为：3.4.2 冷却水泵管内液体流速：取当量长度100m，高度差：30m离心泵扬程：离心泵流量：选离心泵型号为：3.5 储罐的计算与选型3

25、.5.1 原料储罐体积流量：储罐容积：乘以系数后容积应为圆整，取储罐容积为：设置罐体高度：H=150m储罐直径3.5.2 产品储罐（质量分率）体积流量：储罐体积：圆整，取储罐体积为：1200设置罐体高度：储罐直径：3.5.3 热水储罐体积流量：储罐体积：圆整，取储罐体积2600。设置罐体高度为：储罐直径：取储罐直径：60m4 设计数据总汇表4.1 物性参数数据表3 物性参数数据表项目符号单位计算数据塔顶塔底加料板精馏段提馏段定性压力pkPa101.3120.3117.3109.3110.8定性温度98.885.782.092.2液相分子质量15.971521.254231.254218.612

26、8气相分子质量42.601618.264639.945436.273524.6039液相平均密度748.8595979.6705898.278839.728949.179气相平均密度0.95861.3403液体的表面张力25.125758.372855.892248.620858.1665液体的平均黏度mPas0.42610.28300.33740.34380.30694.2 工艺设计数据表 4工艺设计数据表项目符号单位计算数据精馏段提馏段加料流量F453.1料液组成摩尔分数0.1153馏出液流率D60.3产物组成摩尔分数0.8407釜液流率W392.7釜液组成摩尔分数0.0039最小回流比1

27、.67回流比R3理论板数153实际板数326操作气速u1.12061.0629泛点气速1.60091.5185塔板间距mm450板上液层高度mm50塔径mm12001200溢流堰长m0.720.72出口堰高m0.040.03降夜管的宽度m0.120.12降夜管的面积m20.05770.0577降夜管的底隙高度m0.03250.0601边缘区宽度mm6060安定区宽度mm7575开孔区面积m20.78390.7839孔心距tmm1415每层塔板的开孔数n46324036每层塔板的开孔率0.11570.1008每层塔板的开孔面积m20.09070.0790气体通过筛孔的孔速19.964321.7388塔高Zm19.