25吨年乙醇-水分离过程连续精馏塔设计(总20页

1、乙醇-水分离过程连续精馏塔设计设计任务书(一) 设计题目：试设计一座乙醇-水连续精馏塔提纯乙醇。进精馏塔的料液中含乙醇50% （质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于 92% ；残液中乙醇含量不得高于 10% ；要求精馏塔的处理能力为 250000 吨/年。(二) 操作条件1) 塔顶压力 常压2) 进料热状态 自选 3) 回流比 自选 4) 塔底加热蒸气压力为 0.5Mpa（表压）(三) 塔板类型自选(四) 工作日每年工作日为300天，每天24小时连续运行。(五) 设计说明书的内容1. 设计内容(1) 流程和工艺条件的确定和说明(2) 操作条件和基础数据(3) 精馏塔的物料衡算；

2、(4) 塔板数的确定； (5) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； (6) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； (7) 塔板主要工艺尺寸的计算； (8) 塔板的流体力学验算； (9) 塔板负荷性能图； (10) 主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）(11) 塔板主要结构参数表(12) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。2. 设计图纸要求： 1) 绘制生产工艺流程图（A3号图纸）； 2) 绘制精馏塔设计条件图（A3号图纸）。 目录 概述 11、 设计方案 2 1、设计方案简介 2 1.1设计方案的确定 2 1.1.1物料的储存和输送 2 1.1.2参数的检测

3、和调控 2 1.1.3热能的利用 2 1.2操作条件的确定 2 1.2.1加热方式 2 1.2.2进料状态 2 1.2.3操作压力 2 1.2.4冷却剂与出口温度 3 2、设计条件及主要物性参数表 3 3、工艺设计计算 3 3.1物料衡算与操作线方程 3 3.1.1精馏塔的物料衡算 3 3.1.1.1原料液、塔顶和塔底产品的摩尔分数 3 3.1.1.2全塔总物料衡算 3 3.1.2塔板数的确定 4 3.1.2.1理论塔板数的求取 4 3.1.2.2实际塔板数的求取 6 3.2精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 6 3.2.1操作压力 7 3.2.2操作温度 7 3.2.3平均摩尔质量 7 3

4、.2.4平均密度计算 8 3.2.4.1气相平均密度 8 3.2.4.2液相平均密度 8 3.2.5液体平均表面张力 8 3.2.6液体平均黏度 9 3.3精馏塔的塔体工艺尺寸计算 9 3.3.1塔径的计算 9 3.3.2精馏塔有效高度的计算 10 3.4塔板主要工艺尺寸的计算 10 3.4.1溢流装置计算 10 3.4.1.1堰长 10 3.4.1.2溢流堰高度 10 3.4.1.3弓形降液管宽度和面积 11 3.4.1.4降液管底隙高度 11 3.4.2塔板布置 11 3.5塔板流体学验算 12 3.5.1气相通过浮阀塔板的降压 12 3.5.1.1干板阻力 12 3.5.1.2板上充气液

5、层阻力 12 3.5.1.3克服表面张力所造成的阻力 12 3.5.2淹塔 12 3.5.2.1液柱高度 12 3.5.2.2压头损失 12 3.5.2.3液层高度 12 3.5.3雾沫夹带 13 3.6.3液相负荷上限线 14 3.6.4漏液线 14 3.6.5液相负荷下限线 14 4、设计结果汇总表 15 5、参考文献 16概述 在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。

6、塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就板式塔展开叙述。板式塔为逐级接触型气-液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气-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。1其特点为：气、液处理量大；操作稳定，弹性大；流体流动阻力小；结构简单，材料耗用量小；方便操作、调节和检修。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、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。1精馏装置主要由精馏塔、冷凝塔与蒸馏釜组成。2一、设计方案1、设计方案简介1.1设计方案的确定精馏操作的流程基本分为：1.1.1物料的储存和输送

7、 本设计任务为乙醇-水的分离，乙醇-水作为一种二元混合物，分离需要采用连续精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点都送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下，一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属不易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。1.1.2参数的检测和调控 设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定，而且质量要稳定，这就要求各流体的流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定1，故在原料槽和泵之间安装温度计和阀门。塔顶、塔釜和冷凝回流管处安装温度计。1.

8、1.3热能的利用 精馏过程是组分多次气化和多次冷凝的过程，耗能较多，故热能的合理利用尤为重要，必须使过程处于最佳条件下进行，由于最小回流比较小，所以操作回流比取最小回流比的1.5倍。1.2操作条件的确定1.2.1加热方式 乙醇-水混合物在低浓度下水的相对挥发度比较大，本设计采用直接蒸汽加热法，其特点为：可利用压力较低的蒸汽进行加热；加热蒸汽的压力高于塔釜压力，克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中的液柱静压力。本设计用饱和水蒸气作为加热剂，提高传热温度差，从而提高传热效率。11.2.2进料状态 本设计采用泡点进料，此时塔的操作比较容易控制且不受季节气温的影响，同时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造

9、上提供方便11.2.3操作压力 在正常大气压下操作1.2.4冷却剂与出口温度 本设计采用常温水作冷却剂，最经济。产品出口温度设为30（略高于常温），冷却水的出口温度设为45。这样可以减少冷却剂的消耗。2、 设计条件及主要物性参数表2.1饱和水的物理性质（书本附录32）2.2有机液体的相对密度（书本附录52）2.3液体饱和蒸气压的安托因常数（书本附录102）2.4水在不同温度下的黏度（书本附录112）2.5液体黏度共线图（书本附录122）2.6气体黏度共线图（书本附录132）2.7液体表面张力共线图（书本附录202）2.8乙醇-水的气液相平衡数据（书本附录242）3、工艺设计计算3.1物料衡算与

10、操作线方程3.1.1精馏塔的物料衡算3.1.1.1原料液、塔顶和塔底产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量，水的摩尔质量，则 总物料的平均摩尔质量原料液流量 3.1.1.2全塔总物料衡算总物料 （a）易挥发组分物料衡算 （b）联立（a）（b）解得：回收率 3.1.2塔板数的确定3.1.2.1理论塔板数的求取乙醇水属理想体系，可采用图解法求理论板层数。由手册查得乙醇-水物系的气液平衡数据，绘出附图1，如下 附图1 X-Y相图采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，由点（0.818，0.818）点出发作平衡线的切线，由图可知切线截距d=0.3617即 求得1.26取操作回流比为（1） 操作线方程精馏段上升

11、蒸汽量 下降液体量 操作线方程 提馏段上升蒸汽量 下降液体量 操作线方程 (2) 图解法求理论板数采用图解法求理论板层数，如附图-2 所示。求解结果为：总理论板层数NT=14(包括再沸器)，其中，（不包括再沸器）3.1.2.2实际塔板数的求取由相平衡方程式,得 , (塔顶第一块板） , （塔釜）求得： 平均相对挥发度：依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇-水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶: 塔底: 塔顶和塔釜的算术平均温度：查表，在86.11下，由公式,得：由奥康奈尔关联式得全塔效率方程为：精馏段实际板层数 提馏段实际版层数 (包括塔釜)总实

12、际板层数 （包括塔釜）3.2精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.2.1操作压力塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压降 精馏段平均压降 3.2.2操作温度依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇-水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 3.2.3平均摩尔质量塔顶混合物平均摩尔质量计算由,查相平衡曲线，得 进料板混合物平均摩尔质量计算由图解求理论板（见图），得查平衡曲线（见图），得精馏段平均摩尔质量计算3.2.4平均密度计算3.2.4.1气相平均密度由理想气体状态方程计算，即3.2.4.2液相平均密度液相平均密度依下式计

13、算，即塔顶液相平均密度。由，查手册得 进料板液相平均密度。由,查手册得进料板液相的质量分数精馏段液相平均密度为3.2.5液体平均表面张力液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力。由，查手册得进料板液相平均表面张力。由,查手册得精馏段液相平均表面张力为3.2.6液体平均黏度液体平均粘度依下式计算，即塔顶液相平均黏度。由，查手册得 解得： 进料板液相平均黏度。由,查手册得解得： 精馏段液相平均黏度为3.3精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.3.1塔径的计算精馏段的气液相体积流率为由式中C由计算，其中由附图查取，图的横坐标为取板间距,板上液层高度,则查图得，则取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准

14、塔径圆整之后为 塔截面积 实际空塔气速为 3.3.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，精馏段设3个人孔，其高度均为0.80 m故精馏塔的有效高度为3.4塔板主要工艺尺寸的计算3.4.1溢流装置计算因塔径D=2.2m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：3.4.1.1堰长取3.4.1.2溢流堰高度由.选用平直堰，堰上液层高度即近似取E=1，则 取板上清液高度 ，故3.4.1.3弓形降液管宽度和面积，由查图得故 依式验算液体在降液管中停留时间，即故降液管设计合理。3.4.1.4降液管底隙高度 取，则故降液管底隙高度设计合理。3.4.2塔

15、板布置取法孔动能因数，则依据求每层塔板上的浮阀数，即取边缘区宽度，破沫区宽度，则塔板上的鼓泡区面积 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的孔心距，则可按下式估算排间距，即3.5塔板流体学验算3.5.1气相通过浮阀塔板的降压可根据计算3.5.1.1干板阻力因，则3.5.1.2板上充气液层阻力 本设备分离乙醇和水的混合液，即液相为水，可取充气系数。则3.5.1.3克服表面张力所造成的阻力 因本设计采用浮阀塔，其很小，可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的降压所相当的液柱高度为单板降压 3.5.2淹塔为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层的高度3.5.2.1液柱高度3.5.2.2压头

16、损失 3.5.2.3液层高度 取，则取，则可见，符合防止淹塔的要求。3.5.3雾沫夹带根据下式计算泛点率或板上液体流经长度 板上液流面积 水和乙醇可按正常系统取物性系数K=1.0，由查得泛点负荷系数，将以上数值代入，得泛点率在80%以下，则雾沫夹带量能够满足的要求。3.6塔板负荷性能图3.6.1雾沫夹带线对于一定的物系及一定的塔板结构，式中均为已知值，相应于的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入，得出，可作出负荷性能图中的雾沫夹带线。按泛点率=80%计算：整理得 作直线于附图中3.6.2液泛线由确定液泛线。忽略，得因物系一定，塔板结构尺寸一定，则均为定值，而式中阀孔数N和孔径为定值。则可将上式

17、简化。3.6.3液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留，停留时间为：5s求出上限液体流量值（常数），在图上，液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。以作为液体在降液管中停留时间的下限，则3.6.4漏液线对于F1型重阀，依计算，则。又知，即式中均为已知数，可由此式求出气相负荷的下限值，据此作出与液相流量无关的水平漏液线。以作为规定气体最小负荷的标准，则3.6.5液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，以下列计算式计算出的下限值，依此作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。取E=1，则4、设计结果汇总 浮阀塔板工艺设计结果项目数值及说明备注塔径D/m2.2板间距HT/m0.45分块式塔板塔板型式单溢流弓形降液管空塔气速u/（m/s）1.60堰长lw/m1.452堰高hw/m0.0332板上液层高度hL/m0.05降液管底隙高度h0/m0.0031浮阀数N/个530等腰三角形叉排阀孔气