乙醇-水精馏塔设计任务书.doc

乙醇水精馏塔设计任务书一 设计题目 乙醇水精馏塔的设计二 设计原始数据及操作条件及基础数据1. 进精馏塔的料液含乙醇25%（质量）2. 产品的乙醇含量不得低于98%（质量）3. 残夜中乙醇含量不得高于0.1%（质量）4. 生产能力为日产（24小时）24吨98%（质量）的乙醇产品5. 操作条件 进料热状态 q取1.2 回流比自选6. 基础数据： 常压下乙醇-水系统x-y数据：相对挥发度取1.7 ET取52% HT取0.4m 空塔气速取0.79m/s三 设备型式 设备型式为板式塔四 设计任务1. 设计方案的确定及说明2. 塔的工艺计算3. 塔高、塔径尺寸的确定4. 设计结果概要或设计一览表5. 精馏塔的工作图6. 对本设计的评述或有关问题的分析讨论目录1 精馏流程的确定52塔的物料恒算52.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数52.2 平均摩尔质量52.3 物料恒算53塔板数的确定63.1理论塔板数的求取63.1.1绘制相平衡图63.1.2 求最小回流比、操作回流比63.1.3 求理论塔板数63.2全塔效率73.3实际塔板数74塔的工艺条件及物性数据计算74.1操作压力74.2温度74.3平均摩尔质量74.4平均密度84.5液体表面张力84.6液体黏度95 精馏段气液负荷计算96塔和塔板主要工艺尺寸计算96.1塔径96.2溢流装置106.2.1溢流堰长度106.2.2出口堰高度106.2.3降液管宽度和面积106.2.4降液管底隙高度ho106.3塔板布置116.4筛孔数与开孔率116.5塔的有效高度Z126.6塔高计算126.7筛板的流体力学验算.气体通过筛板压强降相当的液柱高度hp12 雾沫夹带量 塔板负荷性能图1.雾沫夹带线（1）132液泛线（2）143液相负荷上限线（3）154漏液线（气相负荷下限线）（4）155液相负荷下限线（5）16附图178设计说明与设计评论179参考文献171 精馏流程的确定根据任务书的要求，本组设计了筛板塔进行乙醇水的精馏。筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，上升 气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层或喷射的液滴群。筛塔板的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理黏性大的、脏的和带固体粒子的料液。本组设计的精馏塔塔径较宽，但开孔率较低，堰高也有所降低，最大程度地防止了漏液现象的发生。精馏的流程为：乙醇、水混合料液在过冷液体状态下送入精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽向再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。2塔的物料恒算2.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 已知乙醇的相对原子质量为46，水的相对原子质量为18。 xF=0.1154 xD=0.9504xW=0.0003962.2 平均摩尔质量MF = 0.1154 46 + (1 - 0.1154) 18 = 21.23 kg/kmolMD = 0.9504 46 + (1 - 0.9504) 18 = 44.61 kg/kmolMW = 0.000396 46 + (1 - 0.000396) 18 = 18.01 kg/kmol2.3 物料恒算 D=22.42kmol/h总物料衡算：F=DW 易挥发组分物料的衡算：22.4298+W0.1=F25联立以上二式得： F=3931.7/21.22=185.28 kmol/hW=2931.7/18.01=162.78 kmol/h3塔板数的确定3.1理论塔板数的求取3.1.1绘制相平衡图根据乙醇、水的气液平衡数据做常压下乙醇-水系统t-x-y图和y-x图。绘制相平衡图3.1.2 求最小回流比、操作回流比已知=1.7，则由相平衡方程：y = 得： 平衡线方程为：y=1.7x /(1+0.7x). q=1.2 可得q线方程：y=6x-0.577. 联立方程，可得：Xq=0.130 Yq=0.203 则可得最小回流比为：Rmin = =10.24 取R=1.5Rmin=15.36 则可得： 精馏段操作线方程：y=0.9348x+0.0620 提馏段操作线方程：y=1.4269x-0.0002 q线方程:y=6x-0.577 平衡线方程：x=y/(1.7-0.7y)3.1.3 求理论塔板数采用逐板计算法，可得：板数yx板数yx10.95040.918509210.057850.0348620.9204880.871957220.0487040.02923630.876780.80716230.0408150.02441940.8159420.722815240.0340580.02031950.7367510.622111250.0283060.01684760.64220.513571260.0234340.01391970.5402920.408756270.0193270.0114680.4418810.317744280.0158770.00940190.356430.245729290.0129890.007682100.2888150.192822300.0105760.006249110.2391410.156036310.0085660.005057120.2046020.131427320.0068940.004067进料板0.1814970.115386330.0055060.003246140.1620750.102156340.0043540.002566150.1431140.089456350.0033990.002002160.1252980.077715360.0026090.001536170.1088260.067018370.0019550.001151180.093820.057406380.0014150.000833190.0803350.048872390.0009680.00057200.0683630.041378400.0005990.000353可知理论板数：NT=403.2全塔效率由已知条件，全塔效率ET取52%。3.3实际塔板数 精馏段 N精=12/0.52=24层提馏段 N提=28/0.52=54层实际板数 N= N精+ N提=78层4塔的工艺条件及物性数据计算4.1操作压力 塔顶压强PD=4+101.3=105.3kPa,取每层塔板压强降P=0.7kPa, 则进料板压强PF=105.3+130.7=114.4kPa 精馏段平均操作压强Pm=109.9kPa4.2温度根据操作压强依据 P=P0AxA+P0BxB用试差法 计算操作温度得： 塔顶= 78.8 , 进料板= 99.4则精馏段平均温度 = (78.8+99.4)/2 = 89.1 4.3平均摩尔质量塔顶： =0.9504 x1=0.9185 = 0.950446+（1-0.9504）18=44.61 kg/kmol =0.918546+（1-0.9185）18=43.72kg/kmol进料板： = 0.1815 =0.1154= 0.181546+（1-0.1815）18=20.18 kg/kmol=0.115446+（1-0.1154）18=21.23kg/kmol精馏段的平均摩尔质量=(44.61+20.18)/2=33.40 kg/kmol (气相)=(43.72+21.23)/2=32.48 kg/kmol （液相）4.4平均密度4.4.1.液相密度LM 依 1/LM=A/LA+B/LB (为质量分数)根据已知温度89.1，查得乙醇密度为730/m3；水的密度为965.3/m3塔顶 1/L，DM=0.98/730+ 0.02/965.3 L，DM=733.58/m3进料板:由加料板液相组成,=0.1154根据已知温度99.4，查得乙醇密度为716/m3；水的密度为958.4/m31/L，MF =0.25/716+0.75/958.4L，MF=883.63 kg/故精馏段平均液相密度LM (精)=（733.58+883.63）=808.61kg/4.4.2.气相密度101.333.40/8.314(89.1+273.15)=1.12344.5液体表面张力则精馏段平均张力为：(19.63+53.87)/2=36.754.6液体黏度 0.950.459+0.050.361=0.454mPa.s0.11540.332+(1-0.1154)0.283=0.289mPa.s则精馏段平均液相粘度mPa.s5 精馏段气液负荷计算V=（R+1）D=(15.36+1)22.42=366.7912=366.791233.40/(36001.1234) =3.0292mL=RD=15.3622.42=344.37kmol/hLs=（344.3732.48）/（3600808.6）=0.0038m=13.83m3/h6塔和塔板主要工艺尺寸计算6.1塔径根据已知条件，空塔气速为u=0.79m/s故 精馏段塔径为： D=(43.0292/(3.140.79)1/2=2.21m6.2溢流装置 采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰，各项计算如下。6.2.1溢流堰长度 取堰长为0.6D，即=0.62.21=1.326m6.2.2出口堰高度由/D=0.6,查图 取E=1.05，依式（425）即 how=m0.006m 依式（428）则有 得 取=0.05m 则 =0.05+0.0143=0.0643m6.2.3降液管宽度和面积由/D=0.6,查图得 可得=0.0992.21=0.219m =0.0550.785=0.211 由式（429）计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即0.2110.4/0.0038=22.21s(大于5s符合要求）6.2.4降液管底隙高度ho 由 则经计算后有取0.07m/s 则=0.041m（符合要求）6.3塔板布置取边缘区宽度0.065m、安定区宽度0.095m 则m =2.21/2-0.065=1.04m 依式（431）计算开孔区面积 =3.716.4筛孔数与开孔率取筛孔的孔径为5mm,正三角形排列，一般碳钢的板厚为3mm,取t/d0=4.0,故孔中心距。依式（4-33）计算塔板上的筛孔数n，即孔 依式（4-32）计算塔板上开孔区的开孔率，即（在5%15%范围内）每层塔板上的开孔面积为气孔通过筛孔的气速m/s6.5塔的有效高度Z6.6塔高计算 =(78-1-11-1)0.4+11.2+110.6+1+1 =35.8m6.7筛板的流体力学验算.气体通过筛板压强降相当的液柱高度hp依式（4-34） 1.干板压强降相当的液柱的高度 5/3=1.67 查图得依式（4-35）0.0531m 2.气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度m/s塔板上层液充气系数m 3.克服液体表面张力压强降相当的液柱高度依式（4-41）m则=0.0187+0.0431+0.00167=0.06347m单板压强降0.06347808.69.81=505.61Pa0.7KPa（设计允许值）雾沫夹带量的验算依式（4-41）=Kg液/Kg气1.5）故在设计负荷下不会产生过量漏液液泛计算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度即依式（4-45）计算 即 =0.06347+0.0431+0.000747=0.1073m取=0.5则故,在设计负荷下不会发生液泛。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸是合适的。五、塔板负荷性能图1.雾沫夹带线（1） 依式（441） 式中 (a) 由已知条件 .05 故 =0.125+1.455 (b) 取雾沫夹带极限值eV为0.1kg液/kg气，已知N/m， 并将式(a)、(b)代入式（442），得下式： 整理得 （1）在操作范围内，任取几个Ls值，依（1）式算出相应的Vs值列于下表中。5.81275.45475.21645.0166 依表中数据在VsLs图中做出雾沫夹带线，如图所示。2液泛线（2）联立式（444）以及（446）得 取E=1.05，lw=1.326m,由式（425） 故 （c）由式（434） 由式（435） =0.002193由式（437）及式（c） =0.0335+0.3899由已知条件得： m（已计算）故 = (d)由式（445） (e)将为0.4m,为0.05m,=0.5及式（c）（d）（e）代入式（444）及式（446）的联立式得： 整理得下式： （2）在操作范围内，任取几个Ls值，依（2）式算出相应的Vs值列于下表中。9.28929.07518.91168.81363液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为4s，由式（429） （3）液相负荷上限线（3）在Vs-Ls坐标图上为与气体流量Vs无关的垂直线，如图所示。4漏液线（气相负荷下限线）（4） 由、代入式（442）漏液点气速式： 将A0=0.214m2代入上式整理，得 （4）此即气相负荷下限关系式，在操作范围内，任取几个Ls值，依（2）式算出相应的Vs值列于下表中，依附表中数据作气相负荷下限线，如图所示。2.19392.28292.34032.38745液相负荷下限线（5） 取平堰、堰上液层高度how=0.006m作为液相负荷下限条件，依式（425），取E=1,则 整理上式得 （5）依此值在Vs-Ls坐标图上作线即为液相负荷下限线，如图所示。最终得精馏段负荷性能图如下将以上5条线绘于图中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围区域为精馏段塔板操作区项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强Pmkpa109.9略各段平均温度tm89.1平均流量气相Vsm3/s3.0292液相Lsm3/s0.0038实际塔板数N块78板间距HTm0.4塔的有效高度Zm30.77塔径Dm2.21空塔气速um/s0.79塔板液流形式单流型溢流装置溢流管形式弓形堰长lwm1.326堰高Hwm0.05溢流堰宽度Wdm0.219管底与受液盘间距h0m0.041板上清夜层高度hLm0.0643孔径