乙醇—水溶液连续筛板精馏塔设计

1、 西安文理学院化工原理课程设计乙醇水溶液连续筛板精馏塔设计系院名称：化学与化学工程学院专业班级： 12化工 指导老师 提交时间： 2021年12月10日 目录1.化学原理课程设计任务书- 3 -2.概述- 4 -2.1 精馏塔对塔设备的要求- 4 -板式塔类型- 4 -精馏塔的设计步骤- 5 -3.物料衡算- 5 -计算原料液及其塔顶产品的摩尔分数- 6 -计算原料液及其塔顶产品的平均摩尔质量- 6 -4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算- 7 -平均粘度的计算- 7 -平均外表张力的计算- 8 -4.3操作温度的计算- 9 -气相组成的计算- 9 -相对挥发度的计算- 10 -回流比确实

2、定- 10 -5.塔板数确定- 10 -理论塔板数确实定- 10 -实际塔板数确定- 11 -6.精馏塔的热量衡算- 12 -蒸汽用量- 12 -冷却水用量- 13 -7.精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 15 -精馏段与提馏段的体积流量- 15 -塔径的计算- 17 -8.塔板主要工艺尺寸的计算- 19 -溢流装置计算- 19 -塔板布置- 20 -有效面积计算- 20 -筛孔计算与排列- 21 -9.塔总体高度计算- 22 -塔顶封头- 22 -塔顶空间- 23 -塔底空间- 23 -人孔- 23 -进料板处板间距- 23 -裙座- 23 -10.塔的接管- 24 -进料管- 24 -回流管-

3、24 -塔底出料管- 24 -塔顶蒸汽出料管- 24 -塔底蒸汽出料管- 25 -11.筛板的流体力学验算- 25 -精馏段- 25 -11.2 提馏段- 27 -12.塔板负荷性能图- 28 -精馏段- 28 -提馏段- 32 -13.筛板塔设计计算结果- 36 -塔设计计算结果表表十四- 36 -14.参考文献- 37 -15.设计总述- 37 -16.符号说明- 37 -17.思想及总结- 40 -：乙醇水溶液连续筛板精馏塔设计：(1)处理量：8万吨/年；(2)料液组成质量分数：42%；(3)塔顶产品组成质量分数：95%；(4)塔顶易挥发组成回收率：99.5%；(5)年工作生产时间：33

4、0天；(6)常压精馏，泡点进料，泡点回流。1.3设计内容工艺计算：(1)物料衡算；(2)热量衡算；(3)回流比确实定；(4)理论塔板数确实定；(5)实际塔板数确实定。1.4塔板及其塔的主要尺寸的设计：(1)塔板间距确实定；(2)塔径确实定；(3)塔板的设计；(4)布置及其板上流流程确实定；(5)流体力学的计算及其有关水力性质的校核，作负荷性能图。(6)绘制工艺流程图、PID图及精馏塔的设备图。(1)设计说明书一份。(2)设计图纸包括流程图，PID图，塔盘布置图，塔工艺条件图。2.概述2.1 精馏塔对塔设备的要求精馏所进行的是气液两相之间的传质。而作为气液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气液

5、两相得到充分的接触，以到达较高的传质效率。但是，工业生产对塔板的要求不只限于高效率，塔设备还应具备以下根本要求：(1)通过能力大，即气、液处理量大。(2)操作稳定，操作弹性大。 (3)塔板压降低。 (4)结构简单，本钱低，制造和安装容易。(5)耐腐蚀、不易堵塞，方便操作、调节和检修。(6)塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板

6、上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。 筛板塔作为传质过程常用的塔设备，其主要优点有：(1)结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。(2)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。(3)塔板效率高，比泡罩塔高15左右。(4)压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。 缺点是：(1)塔板安装的水平度要求较高，否那么气液接触不匀。(2)操作弹性较小(约23)。(3)小孔筛板容易堵塞。精馏塔的设计步骤本设计按以下几

7、个阶段进行：(1)设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。(2)精馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。(3)塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算,并画出塔的操作性能图。 (4)编写说明书。(5)绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。本设计任务为别离乙醇和水的混合物。采用连续常压精馏流程，设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一局部回流至塔内，其余局部经产品冷凝器冷却后送至贮罐。该物系属于易别离物系，最小回流比比拟小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔底

8、采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。乙醇和水的物理性质表一工程分子量沸点/°C临界温度 /°C临界压强 /Kpa乙醇水100计算原料液及其塔顶产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量为：水的摩尔质量为：料液组成质量分数：；塔顶产品组成质量分数：；塔顶易挥发组成回收率：；处理量：；年工作生产时间：；那么： 3.2计算原料液及其塔顶产品的平均摩尔质量又根据回收率： 那么有： 全塔物料衡算：得出：对轻组分乙醇作物料衡算得: 得出: 4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算液相平均粘度依下式计算精馏段平均温度根据乙醇，水粘度数据表使用内插法计算得：乙醇：水：精馏段平均液相组成：精馏段粘

9、度：提馏段平均温度 根据乙醇，水粘度数据表使用内插法计算得：乙醇：水：提馏段平均液相组成： 提馏段粘度：乙醇和水的黏度(表二)温度/°C2030405060708090100110水/mp乙醇/mp乙醇和水的外表张力表三温度/°C2030405060708090100110水/mN乙醇/mN液相平均外表张力依下式计算由 根据乙醇，水粘度数据表使用内插法计算得 乙醇A：水B：进料版液相平均外表张力的计算由 根据乙醇，水粘度数据表使用内插法计算得乙醇A：水B：塔底液相平均外表张力的计算由 根据乙醇，水粘度数据表使用内插法计算得乙醇A：水B：那么精馏段液相平均外表张力： 提馏段液

10、相平均外表张力：4.3操作温度的计算因 ,根据化工设计书乙醇水相平衡数据表3-13使用内插法计算得：进料温度 塔顶温度 塔釜温度 故，精馏段平均温度 提馏段平均温度塔顶温度： 汽相组成：进料温度： 汽相组成： 塔釜温度： 汽相组成：精馏段平均汽相组成：提馏段平均汽相组成： 由=0.221， =0.538，由=0.881， =0.886，由=0.00146，=0.01322，精馏段的平均相对挥发度： 提馏段的平均相对挥发度： 得 (泡点进料)计算精馏段、提馏段操作线方程精馏段操作线方程； 提馏段操作线方程：逐板法计算理论塔板数由Excel计算得精馏塔各板液相气相摩尔分数，见下表。理论塔板数表四X

11、YN1234567891021112得：第4块板进料精馏段理论塔板数为3块，提馏段理论塔板数为8块精馏段： ： 块提馏段 ： 块全塔所需实际塔板数： 全塔效率: 精馏段: 提馏段: 因那么，蒸汽用量预热器热蒸汽的用量取原料液进预热器的入口温度，出口温度为在下，由液体的比热容数据表得， 即混合液体的平均比热容又预热器的热负荷为： 热量衡算得：查液体的汽化热共线图，得时水的汽化热那么再沸器加热蒸汽用量查水的饱和蒸汽表，得时水的汽化查液体的汽化热共线图，得时乙醇的汽化热; 再沸器的热负荷为：热量衡算得：那么冷却水用量操作回流比，产品产出速率 那么出塔顶蒸汽流量冷凝器冷却水用量设冷凝水入口温度，出口温

12、度在下，查水的物理性质得在塔顶温度下，查得水的汽化热为乙醇的汽化热为。那么的乙醇的汽化热为冷凝器的热负荷为热量衡算得：那么冷却器冷却水用量冷却水入口温度，设出口温度；产品进冷却器的温度，设产品出口温度为。在乙醇水溶液被冷却的平均温度时，查得 即混合液体的平均比热容在冷却水的平均温度时，查得冷却器的热负荷为：热量衡算得：那么精馏段：液相平均温度：此时 液相平均密度：其中，平均质量分数： 所以 精馏段液相负荷： 液相质量流量：液相体积流量：精馏段的气相负荷： 根据克拉佩龙方程以及得，带入以上数据可得气体的平均密度：气相体积流量： 精馏段物性数据表五位置进料板塔顶质量分数摩尔分数摩尔质量沸点温度 /

13、°C提馏段：液相平均温度： 此时 平均密度为：其中，平均质量分数： 所以 提馏段气液相负荷：提馏段物性数据表六位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量沸点温度 /°C 塔径的计算由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，取两端的塔径相等由以上的计算结果可知：塔中的平均蒸汽流量： 塔中的平均液相流量: 塔中的气相平均密度：塔中的液相平均密度：适宜的空塔气速： 取塔板间距： 板上液层高度： 别离空间： 两相流动参数：查10-42泛点关联图化工原理下册得： 平均外表张力:全塔平均温度： 根据表3，插入法可得：乙醇：水： 液泛气速：取所需气体流通面积：按表10-2化工原理下

14、册选择单流型塔板，并取堰长由图10-40查得溢流管面积和塔板总面积之比：那么塔截面积: 又由: 得：将D圆整到，作为初选塔径，那么有降液管面积：实际气速： 实际堰长：实际液泛百分率： 塔高的计算：因塔径所以可选取单溢流弓形降液管，采用平行受液盘( 此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用)。溢流堰高度：由选用平直堰(溢流堰板的形状有平直形与齿形两种，设计中一般采用平直形溢流堰板) ，堰上层液高度取堰长 故弓形降液管截面积: 通过查10_40图可求得,弓形降液管的宽度 依下式验算液体在降液管中的停留时间，即其中HT为板间距0.45m，Lh

15、为每小时的体积流量。验证结果为降液管设计符合要求。为保证液封，取降液管底部与塔板间距的距离为：塔板的分块因为所以选择采用分块式，便于通过人孔装拆塔板。边缘区宽度确定取出、入口安定区宽度，边缘宽度。有效面积按下式计算：其中故 一般碳钢的板厚为3mm，取筛孔径筛孔按正三角形排列，一般情况下孔间距取开孔率为：每层塔板上的开孔面积: 精馏塔段气体通过筛孔的气速：提馏塔段气体通过筛孔的气速：塔板上的筛孔数目： 塔工艺条件设计计算结果汇总表七工程符号单位结果/备注实际塔板数块27板间距塔板有效高度塔径2塔板液流形式单流型溢流装置溢流管形式弓形堰长堰高溢流堰宽度管底与盘距板上清液层高度孔径8孔间距28筛孔气

16、速液体在降液管中停留时间降液管内清液层高度开孔率开孔面积塔总体高度利用下式计算：封头分为椭圆形、蝶形封头等几种。本设计采用椭圆形封头，由公称直径,查附录得曲面高度,直边高度,内外表积,容积。那么封头高度。设计中取塔顶间距,考虑到需要安装除沫器，所以选取塔顶空间1.2m。塔底空间高度是指从塔底最下层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5。那么：对D1000mm的板式塔，为安装检修的需要，一般间隔68塔板设一个人孔，本塔中一共有27块塔板，需设置4个人孔，每人孔直径为450mm，在设置人孔处板间距。考虑在进口处安装防冲措施，取进料板处间距。

17、塔底常用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙座。由于裙座内径800mm，故裙座壁厚取16mm。根底环内径：根底环外径：圆整后： 考虑到再沸器，取裙座高H2=3m。塔体总高度本设计采用直管进料管。管径计算如下：取，那么查标准系列选取规格的热轧无缝钢管。采用直流回流管，取查标准系列选取规格的热轧无缝钢管采用直流回流管，取查标准系列选取规格的热轧无缝钢管采用直流回流管，取查标准系列选取规格的热轧无缝钢管采用直流回流管，取查标准系列选取规格的热轧无缝钢管塔板的压降.1 干板的阻力计算由公式并取 ,可查史密斯关联图得，所以液柱.2气体通过液层的阻力的计算由公式可查图表得，得所以液柱.3液体外表张力的阻力计算由公

18、式计算,那么有液柱气体通过每层塔板的液柱高度，按下面公式计算液柱气体通过每层塔板的压降为液面落差对于筛板塔，液面落差很小，由于塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。液沫夹带采用公式由 所以：可知液沫夹带量在设计范围之内。漏液对于筛板塔，漏液点气速可由公式实际孔速为稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。液泛溢流管中的当量清液高度可由式10-8计算，：故降液管的当量清液高度 乙醇-水的混合物不易起泡，取,降液管内气沫层的高度 所以不会发生溢流液泛。11.2 提馏段塔板的压降.1干板的阻力计算由公式并取,可查图得化工原理课程设计p54图3-21 所以液柱 .2气体通过液层的阻力计算由公式 可查

19、图得化工原理课程设计p54，图322所以液柱.3液体外表张力的阻力计算由公式计算,那么有液柱气体通过每层塔板的液柱高度,可按公式液柱气体通过每层塔板的压降为 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，因塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。液沫夹带 采用公式由所以液气液/气可知液沫夹带量在设计范围之内。漏液由公式稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液高度应服从式子乙醇与水属于一般物系，取 那么由以上计算可知本设计不会发生液泛。过量液沫夹带线ev =0.1kg液/kg气为限，求VsLs关系如下：整理得 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于

20、下表精馏段雾沫夹带计算结果(表八)Ls m3/sVs m3/s液泛线 近似取E=1.0，那么： 由 由 及上式联立得：整理得： 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs的值，结果如下表精馏段液泛线计算结果表九Ls m3/sVs m3/s漏液线 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表精馏段漏液线计算结果表十Ls m3/sVs m3/s液量下限线对于平流堰，取堰上液层高度how=0.005m作为最小液体负荷标准，由式据此可做出与气体流量无关的垂直液量下限线液量上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式故据此可以作出与气体流量无关的垂直液量上限将以上5条线标绘于

21、散点图中得精馏段负荷性能图如下：精馏段塔板性能负荷图(图一)如上图所示，操作线与雾沫夹带线的交点相应汽相负荷为，与汽相负荷下限的交点相应汽相负荷为。可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。临界点的操作弹性=提馏段 过量液沫夹带线ev =0.1kg液/kg气为限，求VsLs关系如下： 整理得 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表提馏段雾沫夹带计算结果表十一Ls m3/sVs m3/s液泛线 近似取E=1.0，那么： 由 那么由 及上式联立得：整理得：在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs的值，计算结果如下表提馏段液泛线计算结果表十二Ls m3/sVs

22、 m3/s12漏液线 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表提馏段漏液线计算结果表十三Ls m3/sVs m3/s液量下限线对于平流堰，取堰上液层高度how=0.005m作为最小液体负荷标准，由式据此可做出与气体流量无关的垂直液量下限线液量上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式故据此可以作出与气体流量无关的垂直液量上限将以上5条线标绘于散点图中得提馏段负荷性能图如下：提馏段塔板性能负荷图(图二)如上图所示，操作线与雾沫夹带线的交点相应汽相负荷为，与汽相负荷下限的交点相应汽相负荷为。可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。 临界点的操作弹性=塔设计计

23、算结果表表十四序号工程精馏段提馏段1平均温度 tm 2平均压力 Pm kPa3气相流量 Vs m3/s4液相流量 Ls m3/s5实际塔板数276有效高度 7塔总体高度H8精馏塔塔径 m29板间距 m10溢流形式单溢流11降液管形式弓形12堰长 m13堰高 m14板上液层高度 m15降液管底隙高度 m16安定区宽度 m17边缘区宽度 m18开孔区面积 m219筛孔直径 m20筛孔数目384121孔中心距 m22开孔率 23筛孔气速 m/s24每层塔板压降 kPa25负荷上限液泛控制26负荷下限漏液控制14.参考文献1时钧等，化学工程手册，化学工业出版社 ，1-108-1-1092陈敏恒 丛德滋

24、 放图南 齐明斋，化工原理第三版下，化学工业出版社，359-3803陈敏恒 丛德滋 放图南 齐明斋，化工原理第三版上，化学工业出版社，261-2864吴俊生 邵惠鹤，精馏设计操作和控制，中国石化出版社5贾绍义 柴诚敬，化工原理课程设计，天津大学出版社，1086潘国昌 郭庆丰，化工设备设计，清华大学出版社，1757武汉大学主编，化学工程根底，高等教育出版社，415-42515.设计总述 本设计进行乙醇和水的别离，采用直径为2m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。该设计的优点：(1)操作调节、检修方便；(2)制造安装较容易；(3)处理能力大，效率较高，压

25、强较低，从而降低了操作费用；(4)操作弹性较大。该设计的缺点：设计中对文献的收索、查阅、记录都不全，设备的计算及选型都有较大的问题存在，从而选取的操作点的不是在最好的范围内，影响了设计的优良性。16.符号说明英文字母Aa- 塔板的开孔区面积，m2Af- 降液管的截面积, m2Ao- 筛孔区面积, m2 AT-塔的截面积 m2PP-气体通过每层筛板的压降C-负荷因子 无因次t-筛孔的中心距C20-外表张力为20mN/m的负荷因子do-筛孔直径 uo-液体通过降液管底隙的速度D-塔径 mWc-边缘无效区宽度ev-液沫夹带量 kg液/kg气Wd-弓形降液管的宽度ET-总板效率Ws-破沫区宽度R-回流

26、比Rmin-最小回流比 M-平均摩尔质量 kg/kmoltm-平均温度 2Z-板式塔的有效高度Fo-筛孔气相动能因子 kg1/21/2)hl-进口堰与降液管间的水平距离 m-液体在降液管内停留时间hc-与干板压降相当的液柱高度 m-粘度hd-与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m-密度hf-塔板上鼓层高度 m-外表张力hL-板上清液层高度 m-液体密度校正系数h1-与板上液层阻力相当的液注高度 m下标ho-降液管的义底隙高度 mmax-最大的how-堰上液层高度 mmin-最小的hW-出口堰高度 mL-液相的hW-进口堰高度 mV-气相的h-与克服外表张力的压降相当的液注高度 mH-板式塔高度 mHB-塔底空间高度 mHd-降液管内清液层高度 mHD-塔顶空间高度 mHF-进料板处塔板间距 mHP-人孔处塔板间距 mHT-塔板间距 mH1-封头高度 mH2-裙座高度 mK-稳定系数lW-堰长 mLh-液体体积流量 m3/hLs-液体体积流量 m3/sn-筛孔数目 P-操作压力 KPaP-压力降 KPaPp-气体通过每层筛的压降 KPaNT-理论板层