乙醇水板式精馏塔课程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上1. 引言1.1. 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，上述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。1.2. 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： 生产能力大：即单位塔截面大的

2、气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。 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。 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。 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。 结构简单，造价低，安装检修方便。 能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。11.11.21.3 常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。）由于浮阀塔有如下优点： 生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能

3、力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 而且近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。、2. 设计条件与任务在一常压操作的连续板式精馏塔(自选

4、塔板类型)内分离乙醇-水混合物,直接蒸汽加热。生产能力和产品的质量要求见下表。组号处理量/料液组成(质量分数)/%塔顶产品浓度（(质量分数)/%塔釜产品浓度(质量分数)/%920 000455操作条件：塔顶压力：4kPa(表压)； 进料热状态：自选； 回流比：自选； 单板压降 。工作日：每年300天，每天24小时。厂址：武汉地区。3. 设计方案的确定3.1. 设计思路确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：、(1) 满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，

5、首先必须保证产品达到任务书上规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定。其次，设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在适当的位置安装调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再次，要考虑必需装置的仪表位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因。(2) 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。比如在精馏过程中适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的

6、高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方案。(3)满足安全生产的要求酒精属易燃物料，如果其蒸气在车间扩散，一碰到火花就可能发生爆炸。分离酒精的版式塔是在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作

7、定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。3.2. ）3.3. 加热方式精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量。本设计采用的冷却方式为全凝器冷却。 3.4. 选择适宜回流比适宜的回流比应该通过经济核算来确定，即操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比为最适宜的回流比。确定回流比的方法为：先求出最小回流比Rmin，根据经验取操作回流比为最小回流比的倍，考虑到原始数据和设计任务，本方案取，即：R ；采用釜液产品去预热原料，可以充分利用釜液产品的余热，节约能源。3.5. 回流方式：泡点回流泡点回流易于控制,设计和控制时比较方便,而且可以节约能源。3.6. 流程图!4. 精馏塔

8、的工艺设计4.1. 精馏塔全塔物料衡算F：进料量（kmol/s） ：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（kmol/s） ：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s） ：塔底组成：原料乙醇组成： xF=45/4645/46+55/18=24.26% (4.1.1) 塔顶组成：xD=92.5/4692.5/46+7.5/18=82.83% (4.1.2) 塔底组成：xW=5/465/46+95/18=2.02% (4.1.3) 进料量：F=20000ta-1=200001030.4546+1-0.243600=0.0311kmol/s (4.1.4) 间接蒸汽加热，所以：物料衡算式：F=D+

9、WFxF=DxD+WxW (4.1.5) 联立代入求解：D=0.0086kmol/sW=0.0225kmol/s (4.1.6) 4.2. 实际回流比,由数据手册查得乙醇-水物系的汽-液平衡数据如下：表4-1乙醇水系统的气液平衡数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%液相0.006m所以选取平直堰，则取板上流层高度hL=50mm。对一般的塔，板上流层高度hL可在50100mm范围内选取，这样，在求出how后可按下式给出的范围确定hw：50-howhw100-how（式中单位为mm）。故hw=hL-how=0.05-0.0086=0.0414m6.1.1.3. 弓形降液管宽度Wd和截面积

10、Af图 弓形降液管参数图由lw/D=0.70查弓形降液管参数图得AfAT=0.093；WdD=0.16故Af=0.093AT=0.0930.64=0.060m3Wd=0.16D=0.160.80=0.128m验算液体在降液管中停留时间，即：=AfHTLs1=0.0600.40.=29.4s5s所以降液管设计合理。6.1.1.4. 降液管底隙高度h0h0=LS1lwu0液体流经底隙的流速一般不大于降液管内的线速度，一般可取s,则取u0=0.07m/s,h0=LS1lwu0=0.560.10=0.0207m(0.020.025)m所以降液管底隙高度设计合理，选用凹形受液盘（对于直径在800mm以上

11、的大盘，一般多采用凹形受液盘）。又因为凹形受液盘深度一般在50mm以上， 有侧线出料时宜取深些，故在这里取深度h=80mm。设置入口堰既要多占用一定的塔板面积，还易使沉淀物在此淤积而造成堵塞，因此不设入口堰。6.1.2. 塔板设计6.1.2.1. 塔板分块塔板有整块式和分块式两种，直径在800mm一下的小塔多采用整块式塔板，直径在900mm以上的多采用分块式塔板。D=800mm，塔径采用整块式或分块式皆可，在此我们选取整块式。6.1.2.2. 边缘区宽度确定安定区的宽度WS是指入口堰或出口堰与离它最近一排孔的中心线之间的距离，其值可按下述经验范围选取：当塔径D，时，WS=6075mm；当D0.

12、006m所以选取平直堰，则取板上流层高度hL=50mm。|对一般的塔，板上流层高度hL可在50100mm范围内选取，这样，在求出how后可按下式给出的范围确定hw：50-howhw100-how（式中单位为mm）。故hw=hL-how=0.05-0.0113=0.00387m6.2.1.2. 弓形降液管宽度Wd和截面积Af由lw/D=0.70查弓形降液管参数图得AfAT=0.093；WdD=0.16故Af=0.093AT=0.0930.64=0.060m3Wd=0.16D=0.160.80=0.128m验算液体在降液管中停留时间，即：=AfHTLs2=0.0600.40.00123=19.51

13、s5s所以降液管设计合理。6.2.1.3. 降液管底隙高度h0h0=LS2lwu0液体流经底隙的流速一般不大于降液管内的线速度，一般可取s,则取u0=0.07m/s,h0=LS2lwu0=0.560.10=0.0313m(0.020.025)m所以降液管底隙高度设计合理，选用凹形受液盘（对于直径在800mm以上的大盘，一般多采用凹形受液盘）。又因为凹形受液盘深度一般在50mm以上， 有侧线出料时宜取深些，故在这里取深度h=80mm。设置入口堰既要多占用一定的塔板面积，还易使沉淀物在此淤积而造成堵塞，因此不设入口堰。6.2.2. 塔板设计6.2.2.1. |6.2.2.2. 塔板分块塔板有整块式

14、和分块式两种，直径在800mm一下的小塔多采用整块式塔板，直径在900mm以上的多采用分块式塔板。D=800mm，塔径采用整块式或分块式皆可，在此我们选取整块式。6.2.2.3. 边缘区宽度确定取WS=60mm=0.06m；取Wc=40mm=0.04m。6.2.2.4. 浮阀数目与开孔率浮阀的形式有很多种，在这里使用F1型重阀，直径均为39mm。对F1型浮阀，当板上所有浮阀刚刚全开时，F0c的大小在912之间。在设计时，取【F0c=11u0c=F0cV=112.07=7.646 u0=u0c浮阀数N=VS4d02u0=0.3903.1440.03927.646=436.2.2.5. 阀孔的排列

15、鼓泡区面积Aa计算：在确定了弓形宽度Wd，安定区的宽度WS和边缘区的宽度Wc之后，应按下式计算鼓泡区面积：)Aa=2xr2-x2+r2180arcsinxr式中 Aa为鼓泡区面积，m2;x=D2-Wd+Ws,m; r=D2-Wc,m; arcsinxr为以弧度表示的反三角函数。 计算：x=D2-Wd+Ws=0.40-0.128+0.06=0.212mr=D2-Wc=0.40-0.04=0.36mAa=2xr2-x2+r2180arcsinxr=2(0.2120.362-0.2122+3.140.arcsin0.2120.36=0.2866m2计算：t=d00.907AaA0=0.0390.90

16、70.28660.3907.646=0.088m取整得t=.根据已确定的孔径作图，图 边缘区挡板设置图在鼓泡区内实际布置得出的确定的阀孔总数N=63，由式】N=VS4d02u0得：u0=VS4d02N=0.5293.1440.039237=8.319m/s则F0= u0v=7.0332.01=12（912）开孔率=A0AT=N（d0D)2=37(0.0390.8)2=8.79%因此作图得到的阀孔数能满足要求。6.3. 塔板的流体力学性能的验算6.3.1. 精馏段6.3.1.1. !6.3.1.2. 塔板压降核算气体通过浮阀塔顶的静压头降hf=hc+hl+h其中hf为气体通过一层浮阀塔板的静压头

17、降，m；hc为干板静压头降，即气体客克服干板阻力所产生的静压头降，m； hl为气体克服板上液层的静压强所产生的静压头降，m； h为气体克服液体表面张力所产生的静压头降，m. （1）干板静压头降hc)浮阀塔板在浮阀全开前与全开后，静压头降有不同的大小，对F1型重阀可按下式计算：全开前：hc=19.9u00.175L全开后：hc=5.34u0c22gVL式中 hc为干板静压头降,mu0为阀孔气速，m/s L为液体密度,kg/m3 V为气体密度，kg/m3 计算临界阀孔u0c，可将两式联立计算，即：19.9u00.175L=5.34u0c22gVL将g=9.81m/s2代入，解之得u0c=1.825

18、73.1V=7.165 m/s7.033m/s（u0）所以hc=19.9u00.175L=0.0350m液柱(2)板上液层阻力hl气体通过板上液层所引起的静压头降称为板上静压头降，它受堰高、气速、液流强度、气泡状况等各种因素影响，一般用下述经验公式计算，即hl=0hL式中hL为板上液层高度，m；0为反映板上液层充气程度的因数，无因次。液体为水时，0=0.5；为油时，0=0.20.35；为碳氢化合物时，0=0.40.5。计算：此处0取，hL=0.05mhl=0.50.05=0.025m液柱（3）液体表面张力所造成的静压头降h一般很小，计算时可忽略。所以hf=0.0350+0.025=0.060m

19、液柱6.3.1.3. 液泛降液管内的液面随气、液流量的增大而升高，严重时可将泡沫层升举到降液管的顶部甚至液面超过上一层塔板的堰顶，产生液体倒流，使板上液体无法顺利流下而造成液泛，破坏了全塔的正常操作。液泛是气、液两相做逆向流动时的操作极限，在操作时应避免。为此，降液管内的液面应维持一定的高度，以避免液泛，保证液体能由上层塔板稳定的流入下层塔板。:降液管内液面高度可用下式计算，即Hd=hf+hW+hd+h+h0w式中Hd为降液管内液面高度，m;hf为气体通过一层浮阀塔板的静压头降，m； hW为溢流堰的高度，m; hd为液体流过降液管的静压头降，m； h为板上液体落差，m； h0w为堰上液流高度，

20、m。 &对浮阀塔，一般塔板上液面落差h很小，可忽略；液体流过降液管的静压头降hd主要是由降液管底隙处的局部阻力造成，可按下式经验公式计算：塔板上不设入口堰时，hd=0.153（Lslwh0）2=0.153（u0)2塔板上设入口堰时，hd=0.2（Lslwh0）2=0.2（u0)2式中Ls为液体流量，m3/s ;lw为堰长，即降液管底隙长度，m； h0为降液管底隙高度，m； u0为液体通过降液管底隙时的流速，m/s. 计算：hd=0.153（Lslwh0）2=0.153（u0)2=0.153（0.540.0207）2=0.m；h0w=0.0086m；hf=0.060m；hW=0.0414m；h忽

21、略不计；|所以Hd=hf+hW+hd+h+h0w=0.060+0.0414+0.00813+0.0086=0.1108m此处算出的应是降液管内当量清液层高度Hd，是清液层高度与液面上泡沫层阻力相当的液层高度之后。所以降液管内流体和泡沫的实际高度应大于Hd值。为了防止液泛，这一总高度不能超过上层塔板的出口堰，为此，应使Hd（HT+hW)式中HT为板间距，m；hW为溢流堰高度，m； 为考虑降液管内液体充气及操作安全两种因素而设置的校正系数。对易起泡的物系，取为；对不易起泡的物系取为;对一般物系取为。在此，=0.5，HT=0.4，hW=0.0414HT+hW=0.50.4+0.0414=0.2207

22、Hd|故本设计中液沫夹带量在允许范围内。6.3.1.4. 雾沫夹带雾沫夹带是指下层塔板上产生的雾滴被上升气流带到上层塔板的现象。雾沫夹带会导致塔板效率下降。一般雾沫夹带量lv0.1kg液/kg干气体。泛点率（常用操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值，作为估计雾沫夹带量的指标）按下式计算：F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa100%F1为泛点率，% VS、LS分别为塔内气、液流量，m3/s ;V、L分别为塔内气、液密度，kg/m3;ZL为板上液体流程长度，m；对单溢流型塔板，ZL=D-2Wd ，其中D为塔径，Wd为弓形降液管宽度；Aa为板上液流面积，m2；对单溢流塔板，Aa=A

23、T-2Af ，其中AT为塔截面积，Af为弓形降液管截面积；GF为泛点负荷因数，可根据泛点负荷因数图查出；K为物性参数。图 泛点负荷因数查图可得GF=0.11;查表可知K =1;ZL=D-2Wd=0.8-20.128=0.544mAa=AT-2Af=0.64-20.06=0.52m2F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa100%=0.5292.01800.9-2.01+1.360.0.54410.110.52=47.4%5，所以不会发生液泛。6.3.2. 提馏段6.3.2.1. 塔板压降核算（1）干板静压头降hcu0c=1.82573.12.07=7.05 m/sHd故本设计中液沫夹带量

24、在允许范围内。6.3.2.3. 雾沫夹带GF=0.11K=1ZL=D-2Wd=0.8-20.128=0.544m】Aa=AT-2Af=0.64-20.06=0.52m2F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa100%=0.3902.07897.2-2.07+1.360.001230.54410.110.52=34.4%5，所以不会发生液泛。6.4. 塔板的负荷性能图6.4.1. 精馏段1. .2.3.4.5.6.6.1.6.2.6.3.6.4. ,6.5.6.5.1.6.5.1.1. 漏液线（气相负荷下限线）Vs,min=4d02N5V=3.1440.039252.01=0.2353m3

25、/s1.2.3.4.5. 6.6.1.6.2.6.3.6.4.6.4.1.6.4.1.1.6.4.1.2. 液相负荷下限：%how=2.E(Ls,minlw)23=0.006Ls,min=0.00039m3/s6.4.1.3. 过量雾沫夹带线F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa=0.7VS=0.783-14.14LS=0.7741.2.3.4. 5.6.6.1.6.2.6.3.6.4.6.4.1.6.4.1.1.6.4.1.2. 6.4.1.3.6.4.1.4.6.4.1.5. 液相负荷上限Ls,max=AfHT=0.060.45=0.0048m3/s6.4.1.6. 液泛线Hd=(HT+hw)由Hd=hp+hL+hd，hp=hc+hl+h0，hl=0hL，hL=hw+how得aVS2=b-cLs2-dLs23a=1.91105vLN2=0.1208b=HT+-1-0hw=0.1586c=0.153lw2h02=1138.6d=2.8410-3E(1+0)(3600lw)23=1.4730.1208VS2=0.1586-1138.6Ls2-1.473Ls23可得出精馏段塔板负荷性能图如下：图 精馏段塔