乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计.doc

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1、乙醇水筛板塔课程设计目录绪论.5一、设计概况介绍6二、塔板工艺设计82.1精馏塔全塔物料衡算82.2乙醇和水的物性参数计算82.2.1 温度92.2.2 平均摩尔质量102.2.3平均密度112.2.4混合液体的表面张力122.2.5混合液体的粘度14 2.2.6相对挥发度.152.3塔板的计算152.3.1 精馏段、提留段方程计算162.3.2理论塔板、实际塔板计算16 2.4操作压力的计算17三、 塔体的工艺尺寸计算173.1塔径的初步计算173.1.1气液相体积流量计算173.1.2塔径计算183.2塔体有效高度的计算203.4溢流装置20 3.4.1精馏段溢流装置的计算.20 堰长21

2、 溢流堰高度21 弓形降液管宽度和截面积22 3.4.2精馏段塔板的布置.23 塔板的分布.23 边缘区宽度的确定.23 开孔面积的计算.23 筛孔的计算及其排列.24 3.4.3提留段溢流装置的计算.24 堰长24 溢流堰高度24 弓形降液管宽度和截面积. 25 3.4.4提留段塔板的布置.25 塔板的分布.25 边缘区宽度的确定.26 开孔面积的计算.26 筛孔的计算及其排列.26四、 筛板的流体力学验算274.1塔板压降274.1.1干板阻力274.1.2气体通过液层的阻力274.1.3液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计）284.1.4气体通过每层板的压降284.2液沫夹带294.3漏

3、液294.4液泛29五、 塔板负荷性能图29 5.1精馏段塔板负荷性能图.30 5.1.1雾沫夹带线30 5.1.2液泛线31 5.1.3液相负荷上限线32 5.1.4液相负荷下限线33 5.1.5漏液线33 5.2精馏段塔板负荷性能图.34 5.2.1雾沫夹带线34 5.2.2液泛线35 5.2.3液相负荷上限线36 5.2.4液相负荷下限线36 5.2.5漏液线36六、 热量衡算37 6.1塔顶气体上升焓.38 6.2 回流液的焓.38 6.3进塔顶流出液的焓.38 6.4 冷凝液消耗的焓.38 6.5 进料口的焓.39 6.6 塔底残液的焓.39 6.7 再沸器热负荷的计算.39 6.8

4、 预热器、全凝器、再沸器等的选择及介质消耗量.39七、主要工艺接管尺寸的计算和选择44 7.1精料管.44 7.2釜残液出料管.44 7.3回流管.44 7.4塔顶蒸汽出料管.44 7.5塔底进气管.45 7.6法兰的选择.45 7.7泵的选择.45八、 塔总高度的计算46 8.1塔顶空间.46 8.2塔底空间.46 8.3人孔.47 8.4封头.47 8.5裙座.47 8.6吊柱.47 8.7塔高.47 8.8筒体.47九、辅助设备的选型.47 9.1原料储罐.47 9.2产品储罐.48十，经济衡算.48 10.1水蒸气的费用.48 10.2冷却水的费用.48 10.3设备投资费用.48 1

5、0.4总费用.48十一、设计一览表.4949绪论 工原理是一门关于化学加工过程的技术基础课，它为过程工业提供科学基础，对化工及相近学科的发展起支撑作用。化工原理课程以单元操作为内容，以传递过程原理和研究方法论为主线，研究各个物理加工过程的基本规律，典型设备的设计方法，过程的操作和调节原理。化工原理课程教学包括三个环节，即：理论课教学、实验课教学和课程设计。实验课 与理论课同步进行，课程设计安排在化工原理理论课之后进行。实验课程的设计思想：培养 学生动手能力、观察能力、综合分析和处理问题的能力。课程设计是一个总结性的教学环节， 针对化工厂中一个实际的化工单元操作，完成主体设备的工艺设计，附属设备

6、的选型设计， 主体设备总图的绘制。通过课程设计，使学生掌握化工设计的程序和方法，学会查阅资料、 使用手册、选用数据和公式、合理确定工艺流程、正确进行工艺计算、用技术经济的观点评价设计结果，用文字数表图纸表达设计思想、以及严谨认真的工作态度和工作作风。 精馏是分离液体混合物最常用的一种但愿造作，在化工、炼油、室友化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下，使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现混合物分离。一、设计概况简介1.1设计题目分离乙醇一水筛板精馏塔的设计1.2原始数据及条件：生产能力：年处理乙

7、醇一水混合液1.5万吨/年。原料：来自原料罐，温度25，乙醇含量为30%（质量分率，下同）。分离要求：塔顶乙醇含量92%。塔釜为饱和蒸汽直接加热。每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）1.3操作条件：A、塔顶操作压强：常压；B、采取4atm的饱和蒸汽间接加热；C、回流比：自选； D、泡点进料； E设备形式：筛板塔F、塔顶采用全凝器泡点回流1.4设计内容及要求 2.1 工艺设计2.1.1选择工艺流程和工艺条件1) 加料方式2) 进料热状态 3) 塔顶蒸汽冷凝方式4) 再沸器加热方式 5) 塔顶产品的出料状2.1.2精馏工艺计算1) 物料衡算确定各物料流量。2) 确定适宜回流比 3.生产

8、经常费 4.精馏塔理论塔板数N5.总费用和适宜操作回流比 6.精馏塔设备设计7.选择塔型和板型 8.塔板设计和流体力学计算9.对精馏段和提馏段分别进行塔板设计和流体力学计算。 10绘制塔板汽液负荷性能图11 精馏塔机械结构和塔体附件1) 接管规格2) 全塔高度。 12附属设备设计和选用4.1 加料泵选型4.2 高位槽、贮槽容量和位置4.3 换热器选型3.4 塔顶冷凝器设计选型 13编写设计说明书 包括工艺流程图(和精馏塔装配总图1.5时间及地点安排 时间：2013.7.122013.7.25 地点：c3-3041.6参考文献1.柴诚敬等编，化工原理课程设计，天津科学技术出版社，1994.62.

9、化学工程手册编委会编，化学工程手册（第二版），化学工业出版社，19963.卢焕章等编，石油化工基础数据手册，化学工业出版社，19824.潘国昌，化工设备设计，清华大学出版社，20015.娄爱娟，吴志泉，吴叙美编，化工设计，华东理工大学出版社，20026.贾绍义，柴诚敬编，化工原理课程设计，天津大学出版社，20037.上海医药设计院，化工工艺设计手册（上下册），化学工业出版社，19988.化工部，化工工艺孔管设计化工管路手册（上下册），化学工业出版社，19969.谈天恩编 化工原理（第三版），上、下册。北京：化学工业出版社，200910.北京大学化学系化学工程基础编写组。化学工程基础（第二版）北

10、京：高等教育出版社，200611赵军，张有忱等编 化工设备机械基础（第二版），化学工业出版社，2007 二、塔板工艺设计2.1精馏塔全塔物料衡算F：进料量（Kmol/h） D：塔顶产品流量（Kmol/h） W：塔底残液流量（Kmol/h） 原料乙醇组成：塔顶组成：每小时产量： , 解的：mF=5926.5kg/hMF=0.144*46+0.856*18=22.03kg/kmolMD=0.818*46+0.182*18=40.90kg/kmol 物料衡算式：F=D+W联立求解：W =222.7Kmol/h XW=0.0039 表1 物料衡算数据记录F269.0 kmol/hXF0.144D46.

11、3kmol/hXD0.818W222.7 kmol/hXW0.00392.2乙醇和水的物性参数计算2.2.1 温度常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系温度T液相中乙醇的摩尔分率%气相中乙醇的摩尔分率%1000.000.0095.50.01900.170089.00.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23770.544582.30.26080.558081.60.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.

12、684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943 根据表中数据可以求得 1. 2. 3. 4. 精馏段平均温度：5. 提留段平均温度：2.2.2平均摩尔质量计算 查平衡关系得 塔顶： 查平衡关系得 进料板： 查平衡关系得 塔釜： 精馏段平均摩尔质量： 提馏段的平均摩尔质量：2.2.3平均密度不同温度下乙醇与水的密度表温度T，708090100110754.2742.3730.1717.4704.3977.8971.8965.3958.4951.6 1）气相平均密度的计算：精馏段平均密度计算 提馏段平均密度计算：2） 液相平均密度计算

13、： 塔顶液相平均温度由查手册得塔顶：进料板：塔釜：精馏段液相平均密度：提馏段液相平均密度：混合气密度：塔顶温度：气相组成： 进料温度：气相组成： 塔底温度：气相组成： （1） 精馏段液相组成：气相组成：所以 (2) 提留段液相组成：气相组成：所以 2.2.4混合液体的表面张力 附表 乙醇与水的表面张力温度/2030405060708090100110乙醇表面张力103/N/m22.321.220.419.818.81817.1516.215.214.4水表面张力103/N/m72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.91，精馏段： 乙醇表面张力： 水的表面张

14、力： A=B+Q=-1.8182联立 解得： 1，提馏段： 乙醇表面张力： 水的表面张力： A=B+Q=-0.2064联立 解得：2.2.5混合物的黏度 查手册得 查手册得 （1） 精馏段黏度：（2） 提留段黏度：2.2.6相对挥发度 （1） 精馏段平均相对挥发度（2）提留段平均相对挥发度2.3塔板的计算2.3.1 精馏段、提留段方程的计算 乙醇水体系的平衡曲线有下凹部分，求最小回流比自a（）作平衡线的切线并延长与y轴相交，截距 通常最有回流比为的1.1-2倍取操作回流比精馏段方程： 即提留段方程：2.3.2理论塔板数、实际塔板数的计算作图法求理论塔板数得 （包括再沸器）。其中精馏段理论板数为

15、10层，提留段为3层（包括再沸器），第10层为加料板。板效率可用奥康萘尔公式计算1，精馏段： 即精馏段实际塔板有22块2，提留段： 即提留段实际塔板有8块（包括再沸器）3，全塔范围： ; 实际塔板效率：进料位置在第23块板2.4操作压力的计算塔顶操作压力 取每块板的压降为0.7KPa进料板压力 塔釜压力 精馏段压力 提留段压力 三、塔体的工艺尺寸计算3.1塔径的初步计算3.1.1气液相体积流量计算 精馏段气液负荷计算V=（R+1）D=(2.72+1)46.3=172.236=L=RD=2.7246.3=125.936=提馏段气液负荷计算V=V=172.236kmol/h=1.43 1mL=L+

16、F=125.936+269=394.936=0.00237m3.1.2塔径计算板式塔的塔径依据流量公式计算，即 式中 D 塔径m；Vs 塔内气体流量m3/s；u 空塔气速m/s。由上式可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为 式中 umax允许空塔气速，m/s；V，L分别为气相和液相的密度，kg/m3 ； C气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；图中的气体负荷参数C20仅适用于液体的表面张力为0.02N/m，若液体的表面

17、张力为6N/m，则其气体负荷系数C可用下式求得： 所以，初步估算塔径为： 其中，u适宜的空塔速度，m/s。由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。图中 HT塔板间距，m； hL板上液层高度，m；V ,L分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s； V，L 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 1，精馏段塔径计算取 查图得m/s取安全系数0.7则空塔气速D=按标准塔径圆整后，精馏段塔径为D=1.0m塔截面积为 实际空

18、塔气速流率为 2，提留段塔径计算取 查图得取安全系数0.7则空塔气速D=0.9693m精馏段与提留段相差不大，根据JB-1153-73圆整塔径取D=1m提留段实际气速：，3.2塔体有效高度的计算精馏段有效高度：提留段有效高度：精馏塔有效高度3.4溢流装置的计算3.4.1精馏段溢流装置的计算 采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。塔径为D=1.0m Lh=0.00135*3600=4.86可选择单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘1堰长单溢流：，取2溢流堰高度2.出口堰高由 ，图4-9 液流收缩系数计算图查图4-9，知E =1则故 3弓形降压管的宽度与降液管滴面积

19、 由 图4-11 弓形降液管的宽度和面积查图4-11，得 ，故 由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即 (符合要求)4.降液管底隙高度取液体通过降液管底隙得流速 ，依下式计算降液管底隙高度 而3.4.2精馏段塔板布置1塔板的分块因为故塔板采用分块式。查塔板分块相关资料塔径14001400160016001800分块数334故分3块2边缘区宽度的确定溢流堰前的安定区宽度Ws为70100mm 对于小塔边缘区宽度Wc一般为3050mm取 3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算，即其中 故4筛孔计算及其排列由于乙醇和水物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为

20、 筛孔数目n为开孔率为每层塔班上的开孔面积A0=气体通过阀孔的速度精馏段：3.5.1提留段塔板主要尺寸计算提留段的塔径为D=1.0m 选择单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘1.堰长单溢流：，取2.溢流堰高度2.出口堰高由 ， 查图4-9，知E =1则故 3.弓形降压管滴宽度与降液管滴面积 由 查图4-11，得 ，故 由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即 (符合要求)4.降液管底隙高度取液体通过降液管底隙得流速 ，依下式计算降液管底隙高度 而故降液管底隙高度设计合理3.5.2塔板布置1塔板的分块因为故塔板采用分块式。查塔板分块相关资料塔径14001400160016001800分块

21、数334故分3块2边缘区宽度的确定溢流堰前的安定区宽度Ws为70100mm 对于小塔边缘区宽度Wc一般为3050mm取 3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算，即其中 故4筛孔计算及其排列由于乙醇和水物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为开孔率为每层塔班上的开孔面积A0=气体通过阀孔的速度提馏段：四.筛板的流体力学验算4.1塔板压降4.1.1干板阻力图4-13 干筛孔的流量系数由查图故 精馏段： 提留段：4.1.2气体通过液层的阻力精馏段单溢流板时图4-14 充气系数关系图由图4-14查取板上液层充气系数为0.59。=0.59*0.06=0.035

22、4m提留段:单溢流板时=0.57*0.06=0.0342m4.1.3液体表面张力的阻力精馏段液体表面张力的阻力提留段液体表面张力的阻力4.1.4气体通过每层板的压降精馏段：提留段：气体通过每层塔板的压降为精馏段压降提留段压降液面落差在正常的液体流量范围内，对于D1600mm的筛板，液面落差可以忽略4.2液沫夹带精馏段：提留段：故设计符合要求4.3漏液精馏段：筛板的稳定性系数 提留段： 筛板的稳定性系数 故在设计负荷下不会产生过量漏液。4.4液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度。 精馏段 对于易发泡物质安全系数取，则故，在设计负荷下不会发生液泛。提留段： 对于易发泡物质安全系数取，则故，在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板各项流体力学验算，可认为塔径等各项尺寸是合适的。五、塔板负荷性能图5.1精馏段塔板负荷性能图5.1.1雾沫夹带线（1） （a） 近似取 ， 故 （b）取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知，并将式（a）、（b）代入,得下式：整理得 （1） 在操作范围内，任取几个值，依（1）式算出相应的值列于下表中。1.21861.1871.10