乙醇丙醇筛板精馏塔课程设计文档

1、吉林化工学院化工原理 课 程 设 计题目 乙醇丙醇二元物系筛板精馏塔的设计 教 学 院 化工与材料工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2011年12月15日设计任务书 设计条件：常压 P=1atm (绝压)； 处理量：100kmol/h; 进料组成=0.468、流出液组成=0.938、釜底组成=0.038（以上均为摩尔分数） 单板压降0.7kpa.设计任务： 完成该精馏塔的工艺设计，包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计计算； 画出带控制点的工艺流程图（2号图纸），精馏塔工艺条件图（2号图纸）； 写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。目录摘要- 1 -第一章 前言-

2、 2 -第二章 精馏塔物料衡算- 3 -2.1 物料衡算- 3 -2.2摩尔衡算- 3 -第三章 塔体主要工艺尺寸- 4 -3.1 塔板数的确定- 4 -3.1.1 塔板温度计算- 4 -3.1.2 物料相对挥发度计算- 6 -3.1.3 回流比计算- 6 -3.1.4 塔板物料衡算- 7 -3.1.5 实际塔板数的计算- 9 -3.1.5.1 黏度- 9 -3.1.5.2总塔板效率- 9 -3.1.6 实际塔板数计算- 10 -3.2 塔径计算- 10 -3.2.1 平均分子质量计算- 10 -3.2.2 平均密度计算- 10 -3.2.3 液相表面张力计算- 12 -3.2.4 塔径计算-

3、 13 -3.3 塔截面积- 15 -3.4 精馏塔有效高度计算- 15 -3.5 精馏塔热量衡算- 16 -3.5.1 塔顶冷凝器的热量衡算- 16 -3.5.1.1 比热容及汽化热的计算- 16 -3.5.1.2 基准态的选择- 17 -3.5.1.3 各股物料热量计算- 18 -第四章 板主要工艺尺寸计算- 19 -4.1 溢流装置计算- 19 -4.1.1 堰长- 19 -4.1.2 溢流堰高度- 19 -4.1.3降液管宽度Wd和截面积Af- 19 -4.1.4 降液管底隙高度h0- 20 -4.2 塔板布置- 20 -4.2.1 塔板的分块- 20 -4.2.2 边缘宽度的确定-

4、20 -4.2.3 开孔区面积的计算- 20 -4.2.4 筛孔板n与开孔率- 21 -4.3流体力学验算- 21 -4.3.1 塔板压降- 21 -4.3.1.1干板压降相当的液柱高度- 21 -4.3.1.2 气流穿过板上液层压降相当液柱高度- 22 -4.3.1.3 克服液面表面张力压降相当液柱- 22 -4.3.2 液泛- 23 -4.3.3 液沫夹带的验算- 24 -4.3.4 漏液- 24 -4.3.5 塔板负荷性能图- 25 -4.3.5.1 漏液线方程- 25 -4.3.5.2 液沫夹带线- 26 -4.3.5.3 液相负荷下限线- 27 -4.3.5.4 液相负荷上限线- 2

5、7 -4.3.5.5 液泛线- 28 -4.3.5.6 负荷性能图- 30 -第五章 管径设计- 32 -第六章 塔的附属设备设计- 34 -6.1冷凝器的选择- 34 -6.2再沸器的选择- 34 -第七章 设计筛板的主要结果汇总表- 35 -结束语- 38 -参考文献- 39 -化工原理课程设计教师评分表- 40 -摘要 在本设计中我们使用筛板塔，筛板塔的突出优点是结构简单,造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高。采用筛板可解决堵塞问题，适当控制漏液。 本设计从课程设计的一般原理、要求、内容和步骤，选择典型的单元操作，主要关于筛板精馏塔的设计内容：从物料守恒，

6、热量守恒方面进行计算；了解并掌握塔的基本构造，及其关于塔的主要计算，设计出符合条件的塔；连接塔的各种管道大小不一，需要根据数据算出各个管道，并通过查标准管道表选出符合条件的管道；在设计过程中，涉及很多物理量参数，通过查资料得出各个相关的数，利用插值法算出要求的。通过本设计，主要是增强学生对塔的熟练程度，提高学生的综合能力，以便适应实际生产能力。关键词：筛板塔；操作弹性；物料守恒；热量守恒第1章 前言蒸馏塔有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。 蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相

7、中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点。蒸馏过程根据操作压力的不同，可分为常压、减压和加压蒸馏。本设计中，由于物料乙醇、正丙醇都是易挥发有机物，所以常压操作，塔顶蒸汽压力为大气压，全塔的压力降很小。由任务书给定，进料热状况为泡点进料，加热方式采用间接蒸气加热，设置再沸器。塔底设冷凝回流装置。通过物料

8、守恒、热量守恒，计算设计要求的主要数据，以便选择符合要求的管道、板块以及塔的各种设备。第2章 精馏塔物料衡算2.1 物料衡算已知数据：乙醇的摩尔质量MA=46kg/kmol,正丙醇摩尔质量MB=60kg/kmolXf=0.25 XD=0.98 XW=0.05原料处理量 kmol/h=0.028 kmol/s总物料流量衡算塔底物料流量衡算：易挥发组分物料衡算：FXF=DXD+WXW 解得：D=47.778 kmol/ W=52.222 kmol/2.2摩尔衡算原料液及塔顶、塔底产品的流量和平均摩尔质量=53.45 kg/kmol=46.87 kg/kmol=59.47 kg/kmol第三章 塔体

9、主要工艺尺寸3.1 塔板数的确定3.1.1 塔板温度计算液相组成汽相组成温度0.0000.00097.160.1260.24093.850.2100.33991.600.3580.55088.320.8440.91480.591.0001.00078.38表-1：乙醇丙醇平衡数据利用插值法：设进料温度为,塔顶温度为,塔釜温度: : : 精馏段的平均温度：提留段的平均温度：汽相组成： 塔顶的汽相组成： : 塔釜的汽相组成： : 进料的汽相组成： 精馏段平均液相组成： 平均汽相组成： 液相平均分子质量：kg/kmol 汽相平均分子质量: kg/kmol 提馏段平均液相组成: 平均汽相组成: 液相平

10、均分子质量： kg/kmol汽相平均分子质量 kg/kmol 温度-饱和蒸汽压关系式（安托因方程）： (1)表-2：由化工手册查的A、B、C:ABC乙醇7.338271652.05231.48丙醇6.744141375.14193.0乙醇： 丙醇： 结果如下：塔顶： kPa kPa塔底： kPa kPa 进料板(数据取自后文塔板物料衡算结果)： kPa kPa3.1.2 物料相对挥发度计算 (2)根据上文求出的数据可得：塔顶：2.13 塔底：= 2.02 进料板：=2.07平均相对挥发度： =23.1.3 回流比计算最小回流比 (3) q线方程：采用饱和液体进料时q=0.96,故q线方程为：

11、(4) 相平衡方程： (5)（4），（5）联立得：=0.514 =0.67代入式（5）可以求得： 最小理论板数=8.595 （6）作图求R:RN0.0730.7360.140.5122O.190.47200.240.45190.280.41170.320.38170.350.3516O.360.34160.410.3115O.440.2915作图得：由图可知：拐点靠近1.5，所以R=1.5=2.32最合适。3.1.4 塔板物料衡算精馏段操作线方程：，代入数据得：提馏段操作线方程：，（）， （7）代入数据得：相平衡方程: （8）逐板法：物料衡算过程模式:Yn-1 xn-1 yn xn yn+1

12、xn+1 第一块板下降液体： 第二块板上升汽体：第二块板下降液体：同理可得： 、所以第10块板上升的汽体用提留段操作方程计算得，、800mm,故裙座壁厚取16mm。基础环内径： 基础环外径：圆整后：考虑到再沸器，取裙座高：塔体总高度： =（35-1-4-1）0.4+10.8+40.6+1.2+1.67+0.39+2.4 =20.46m3.5 精馏塔热量衡算3.5.1 塔顶冷凝器的热量衡算3.5.1.1 比热容及汽化热的计算 表6： 乙醇 丙醇温度汽化热比热容汽化热比热容60897.772.76757.602.6970859.322.88741.782.7980838.053.01725.342

13、.8990815.793.14708.202.92100792.523.29690.302.961 塔顶温度下的比热容： .进料温度下的比热容： .塔底温度下的比热容： .他低温度下的汽化潜热 3.5.1.2 基准态的选择上文中已经求出塔顶蒸汽温度，该温度也为回流液和馏出液的温度。同时，操作压力为101.325kPa。以塔顶操作状态为热量衡算基准态，则= QD=03.5.1.3 各股物料热量计算 0时塔顶上升的热量，塔顶以0为基准回流液的热量 塔顶馏出液的热量 进料的热量 塔底残液的热量冷凝器消耗的能量再沸器提供的能量 塔釜热损失为10 再沸器的实际热负荷： 得：= 项目进料冷凝器塔顶馏出物塔

14、底残液再沸器平均比热容167.75 _138.25175.19 _热量Q 第四章 板主要工艺尺寸计算4.1 溢流装置计算 因塔径D=1.4m,可选单溢流的弓形降也管，采用凹形受液盘4.1.1 堰长取=0.66D=0.924m4.1.2 溢流堰高度堰上液层高度精馏段：提馏段： 4.1.3降液管宽度Wd和截面积Af由lW/D=0.66查资料，得Af/AT=0.0722， Wd/D=0.12,4故Af=0.0722AT=0.07221.54=0.111 m2 Wd=0.124D=0.1241.4=0.1736 m 依下式验算液体在降液管中停留时间，即精馏段：s提馏段：故降液管的设计合理4.1.4 降

15、液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙的流速m/s，依式：精馏段： 提馏段： 4.2 塔板布置4.2.1 塔板的分块因D800mm，故采用分块式。4.2.2 边缘宽度的确定取4.2.3 开孔区面积的计算开孔区面积Aa按下式计算其中： 4.2.4 筛孔板n与开孔率本流程所处理的物系无腐蚀性，可选用=3mm碳钢板，取孔径=5，取；孔中心距个每层塔板上开孔面积为： 精馏段气体通过筛孔的气速： 提馏段气体通过筛孔的气速： 4.3流体力学验算4.3.1 塔板压降4.3.1.1干板压降相当的液柱高度依查图得：精馏段：提馏段：式中hc干板压降，m 液柱；u0筛孔气速，m/s；4.3.1.2 气流穿过板上液层压

16、降相当液柱高度精馏段：由图查的：hw外堰高，m；how堰上液流高度，m；提馏段：由图查的：hw外堰高，m；how堰上液流高度，m；4.3.1.3 克服液面表面张力压降相当液柱精馏段： 单板压降提馏段： 单板压降4.3.2 液泛精馏段：为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度液体通过降液管的压强降指降液管中清夜层高度为板上清夜层高度，取值为为塔板总压降指与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，主要有降液管底隙处的局部阻力造成。由于塔板上未设置进口堰，可按下式计算：取全开后的压降为设计压降，即乙醇与正丙醇属于不易发泡物质，其泡沫层的相对密度取0.5为防止液泛，应保证降液管中泡沫液体的高度不能超

17、过上层塔板的出口堰，即可见，目前的设计数据符号要求。提馏段：为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度液体通过降液管的压强降指降液管中清夜层高度为板上清夜层高度，取值为为塔板总压降指与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，主要有降液管底隙处的局部阻力造成。由于塔板上未设置进口堰，可按下式计算：取全开后的压降为设计压降，即乙醇与正丙醇属于不易发泡物质，其泡沫层的相对密度取0.5为防止液泛，应保证降液管中泡沫液体的高度不能超过上层塔板的出口堰，即可见，目前的设计数据符号要求。4.3.3 液沫夹带的验算精馏段：提馏段：4.3.4 漏液精馏段：稳定系数符合K 1.5 2.0，故在本系统中无明显漏液现

18、象。提馏段：稳定系数符合K 1.5 2.0，故在本系统中无明显漏液现象4.3.5 塔板负荷性能图4.3.5.1 漏液线方程精馏段：由代入漏液点气速式：提馏段： 所以，在设计范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表11-1。(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 (m3/s) 0.594 0.618 0.6411 0.6600 由代入漏液点气速式：所以，在设计范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表11-1。(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 (m3/s) 0.509 0.544 0.567 0.

19、585 4.3.5.2 液沫夹带线精馏段：由 整理得到液沫夹带线方程: 取部分数据作出、关联表：(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 (m3/s) 4.62 2.64 2.45 2.33 2.22 提馏段：由 整理得到液沫夹带线方程: 取部分数据作出、关联表：(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 (m3/s) 4.62 2.99 2.81 2.67 4.3.5.3 液相负荷下限线精馏段与提馏段：对于平直堰，堰上液层高度为0.006m作为最小液体负荷标准 取E 为1,可得液相负荷下限线：4.3.5.4 液相负荷上限线精馏段与提馏段：

20、以作为液体在降液管中停留时间的下限则通过式： 可得液相负荷上限线为:4.3.5.5 液泛线精馏段：令由联立，忽略与，与，与的关系式代入，整理得式中将有关数据代入求得：在设计范围内，取部分，求出相应的,列表如下：(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 (m3/s) 1.57 1.50 1.45 1.4提馏段：令由联立，忽略与，与，与的关系式代入，整理得式中将有关数据代入求得：在设计范围内，取部分，求出相应的,列表如下：(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 (m3/s) 1.43 1.35 1.31 1.264.3.5.6 负荷性能图根

21、据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图:由图可知：由图可知：第五章 管径设计回流管的直径DR利用直管回流，本设计取 所以有选型如表12-2所示：表12-2 回流管规格名称 接管公称直径Dg（mm） 接管外径厚度规格 32 进料管的直径DF本设计采用泵输送料液，料液速度可取，本设计取选型如表12-3所示：名称 接管公称直径Dg（mm） 接管外径厚度规格 40 塔底出料管的直径DW采用直管出气，取选型如表12-4所示： 名称 接管公称直径（mm） 接管外径厚度规格 40 塔顶蒸汽出料管采用直管出气 ，取所以有选型如表12-2所示：表12-2 回流管规格名称 接管公称直径（mm） 接管外径厚度规格

22、 250 塔底蒸汽出料管采用直管出气 ，取所以有选型如表12-2所示：表12-2 回流管规格名称 接管公称直径（mm） 接管外径厚度规格 250 第六章 塔的附属设备设计6.1冷凝器的选择本设计取K=700kmol/( )=2926kJ/( )出料温度78.66（饱和气）78.66（饱和液）冷却水 2035 逆流操作，根据全塔热量衡算得: = KJ/h传热面积 A=36.4取安全系数1.04，则选择：BES 400-1.6-38.-6/19 6浮头式换热器。6.2再沸器的选择选用120饱和水蒸汽，总传热系数取K=2926kJ/( )料液 95.85100水蒸汽温度 120120逆流操作， 则：

23、 根据全塔热量衡算得：KJ/h ;传热面积：A= =92.69取安全系数1.04，则A= 选择：BES 600-1.6-108-6/19 4浮头式换热器。 第七章 设计筛板的主要结果汇总表 参数符号参数名称精馏段提馏段T m (C)平均温度84.68593.28P m (kpa)平均压力107.975113.575M Lm(kg/kmol)液相平均摩尔质量51.3957.9M Vm(g/kmol)气相平均摩尔质量50.2756.535lm (kg/m)液相平均密度735.25728.35vm (kg/m)气相平均密度1.872.20m (dyn/cm)液体平均表面张力18.27517.96m

24、(mpas)液体平均粘度0.5540.5083Vs(m/s)气相流量1.030.0.974Ls (m/s)液相流量0.002270.00258N实际塔板数1917Z( m)有效段高度20.46D(m)塔径1.41.4H T(m)板间距0.40.4 (m)板厚0.0030.003溢流形式单溢流单溢流降液管形式弓形弓形溢流堰平行平行l W (m)堰长0.9240.924h W (m)堰高0.0340.026hl (m)板上液层高度0.060.06h OW (m)堰上液层高度0.00250.0034h O (m)降液管底隙高度0.0310.035W d (m)降液管宽度0.17360.1736W s

25、 (m)安定区宽度0.0650.065W c (m)边缘区高度0.0350.035Aa (m)有效传质面积1.1201.120A T (m)塔横截面积1.541.54A f (m)降液区面积0.1110.111A O （m）筛孔面积0.07280.0728d O（m）筛孔直径0.0050.005t（m）孔中心距0.018750.01875n筛孔数目36893689（%）开孔率6.56.5U （m/s）空塔气速0.350.35安全系数0.70.7U O（ （m/s）筛孔气速14.2413.4K稳定系数1.731.55H c （m液柱）干板阻力0.0370.0038H l （m液柱）液体有效阻力H

26、l0.03720.0372H（m液柱）液体表面张力阻力0.002030.00201H p （m液柱）总阻力0.076230.7721P（pa）每层塔板压降464.47551.67 (s)停留时间1917ev (0.1kg液/kg干气)液沫夹带量0.00830.00834液泛合格合格漏液合格合格E液流收缩系数1.01.0C O孔流系数0.840.84液层充气系数0.620.62Fa气相动能因子0.960.97 表 主要符号说明n浮阀个数-N一层塔板上的筛孔总数-Np实际塔板数-NT理论塔板数-P系统的总压Paq进料中液相所占分率-R回流比-r摩尔汽化潜热kJ/kmolT温度Ku空塔气速m/suo

27、筛板气速m/sV上升蒸气流率Kmol/sVh塔内气体流量m3/hVs塔内气体流量m3/sW蒸馏釜的液体量KmolWc塔板边缘区宽度mWd降液管宽度m Wd降液管宽度mWs塔板上入口安定区宽度m Ws塔板上出口安定区宽度mx液相组分中摩尔分率-y气相组分中摩尔分率-Z塔的有效段高度m液面落差m相对挥发度-0板上液层无孔系数-粘度mN/m塔板开孔率-密度Kg/m3L液体密度Kg/m3V气体密度Kg/m3液体表面张力dyn/cm液体在降液管内停留时间s结束语本设计符合化工条件的各项要求。通过设计筛板精馏塔，深刻的了解了塔的内部空间结构，板块的设计，管道的计算和选取，再沸器和冷凝器的选择。 在设计过程中，了解了与设计相关的各个物理参数，并掌握了其计算方法。物料衡算、热量衡算的熟练掌握。其中的各个物理量的精度要求、规格的选取，也是一门知识。 在此，我感谢学校的培养，感谢老