兰州交通大学 年产2万吨乙醇水精馏塔的设计

1、年产2万吨乙醇-水精馏塔的工艺设计设计任务书 1设计题目：年产万吨乙醇-水精馏塔的工艺设计2设计条件生产能力：年产吨85% （mol%）乙醇设备型式：浮阀塔操作压力：常压原料液：乙醇的摩尔百分含量为35%，50进料乙醇的纯度：塔顶不低于85%（mol%,下同），塔底不高于1%。每年按330天计，每天24小时连续生产建厂地址：兰州地区要求单板压降都不大于103Pa, 3 设计步骤及要求31确定设计方案（1）流程的选择（2）塔板类型的选择，例如浮阀的类型、降液管、溢流装置等的选择（3）压力的选择（4）进料热状况的选择（5）加热方式的选择32查阅物料的物性数据（1）乙醇-水的相平衡数据（2）确定精馏

2、段和提馏段的定性温强度和压强（3）分别确定精馏段和提馏段的气相和液相的平均密度、液相的平均表面张力、液体的平等均粘度33塔的工艺计算331塔设计方案的确定（1）全塔的物料衡算（2）绘制相平衡图（t-x-y和x-y相图）（3）确定回流比（4）确定理论塔板数1（5）确定全塔效率（6）分别确定精馏段和提馏段的实际塔板数和进料板位置（7）分别确定精馏段和提馏段的气液两相的负荷332精馏段塔板主要工艺结构尺寸的计算（1）塔径（初选板间距、求取空塔气速和泛点气速）（2）塔高的计算（3）溢流装置的设计（包括溢流堰的型式、堰长、堰高、降液管的宽度和面积、降液管内流体的停留时间、降液管的底隙高度）（4）塔板上各

3、区域的布置（包括塔板的开孔区、降液区、安定区和边缘区的分布）（5）浮阀的个数以及排列方式（包括阀孔直径、个数、排列和开孔率等）（6）精馏段塔板的流体力学计算级校核（包括溢流堰上清液层的高度、塔板的压降、降液管内清液层的高度、降液管内液体的停留时间、雾沫夹带量、漏液点等）（7）绘制塔板的气液负荷性能图，要求操作弹性不小于2.（8）如果不符合上述要求重新进行以上计算333提馏段塔板主要工艺结构尺寸的计算（步骤同精馏段）334塔附件的工艺设计包括封头、筒体、法兰、补强圈接管、除沫器、裙座手孔或人孔、吊柱等335计算结果列表4设计成果41设计说明书（A4纸）（1）内容包括封面、任务书、目录、正文、参考

4、文献、附录（2）格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计的格式打印。42精馏塔工艺条件图（2号图纸）（手绘）5时间安排（1）第十九周第二十二周（2）第二十二周的星期五下午两点本人亲自到指定地点交设计成果，最迟不得晚于星期五的十八点钟.6设计考核 设计是否独立完成；设计说明书的编写是否规范；工艺计算与图纸正确与否以及是否符合规范；答辩；2目 录1 设计方案的确定12 操作条件和基础数据1 3 精馏塔的物料衡算1 31 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率1 32 物料衡算14塔板数的确定2 41 进料泡点温度的计算2 42 q值得计算 2 43 求最小回流比和操作回流比2 44 求精馏塔的气、液相负荷4

5、 45 求操作线方程4 46 图解法求理论板层数4 47 塔板效率的求取5 48 实际板层数的求取55精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算5 51 操作压力计算5 52 操作温度计算6 53 液体平均粘度计算6 54 平均摩尔质量的计算7 55 平均密度的计算8551 气相平均密度计算 8552 液相平均密度计算 8 56 液体平均表面张力计算96精馏塔的塔体工艺尺寸计算 10 61 塔径的计算 10611 精馏段塔径的计算10612 提馏段塔径的计算11 62 精馏塔有效高度的计算 127塔板主要工艺尺寸的计算 120 71 溢流装置计算 12711 堰长lW12712 溢流堰高度 hW 1

6、2713 弓形降液管宽度Wd和截面积Af 13714 降液管底隙高度ho14 72 塔板布置 14721 塔板的分块14722 边缘区宽度确定14723 开孔区面积计算14724 筛孔计算及其排列158筛板的流体力学验算 16 81 塔板降 16811 干板阻力hc计算16812 气体通过液层的阻力hl计算17813 液体表面张力的阻力h计算17 82 液面落差 18 83 液沫夹带 18 84 漏液 18 85 液泛 199塔板负荷性能图 19 91 漏液线 19 92 液沫夹带线 20 93 液相负荷下限线 21 94 液相负荷上线线 22 95 液泛线 22 96 筛板负荷图及操作弹性

7、2310 主要工艺接管尺寸的计算和选取 24 101 蒸汽出口管的管径计算 24 102 回流液管的管径计算25 103 进料液管的管径计算25 104 釜液排出管的管径计算251 105 人孔相关尺寸的选取26参考文献262设计计算1设计方案的确定本设计任务为分离乙醇水混合物提纯乙醇，采用连续精馏塔提纯流程。设计中采用50冷进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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至储罐。该物系较难分离，回流比较大，故操作回流比取最小回流比需提高。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2 操作条件和基础

8、数据进料中乙醇含量（摩尔分数） ；产品中乙醇含量（摩尔分数） ；塔釜中乙醇含量（摩尔分数） ；处理能力 ；进料热状况 50冷进料；根据上述工艺条件作出浮阀塔的设计计算如下。3精馏塔的物料衡算31 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 32物料衡算每年330天，每天工作24小时，其处理量为2万吨/年故塔顶馏出液的量为 总物料衡算 乙醇的物料衡算 联立解得 4 塔板数的确定由于精馏塔采用冷进料，故，并不能采用气液相图直接计算。41 进料泡点温度的计算根据饱和蒸汽压的安托尼方程：和泡点方程： 联立试差计算得到泡点温度。乙醇的安托尼方程 水的安托尼方程 兰州当地的压强 求得

9、泡点温度 42 q值的计算化工原理（陈敏衡）给出如下公式用以计算非泡点温度进料。 泡点温度乙醇的摩尔热容 泡点温度水的摩尔热 泡点温度乙醇的摩尔气化潜热 泡点温度水的摩尔气化潜热 43求最小回流比及操作回流比 乙醇-水是非理想物系，先根据乙醇-水平衡数据，绘出平衡线，如图所示。液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.400.6140.040.2730.500.6570.060.340.60.06980.080.3920.700.7550.100.430.800.820.140.

10、4820.8940.8940.180.5130.950.9420.200.5251.01.0q线方程 最小回流比 为q线方程与平衡线方程的交点。作图解得交点为（0.370，0.597） 通常情况下，乙醇水物系在乙醇浓度比较高时较难分离。根据资料乙醇水物系通常取回流比为。 故可得44 求精馏塔的气、液相负荷 45 求操作线方程精馏段操作线方程为 提馏段操作线方程为 46 图解法求理论塔板数采用图解法求理论板层数，如图所示。可以求得理论塔板NT=21块。47 塔板效率的求取操作温度计算：由于兰州地区的压力远小于标准大气压，泡点温度可用安托尼方程和泡点公式联力试差求得。 由乙醇水的气液两相平衡图可查

11、得：塔顶和塔釜的气液两相组成为： 查化工物性算图手册得：则塔内相对挥发度：塔的平均温度为 在此平均温度下查手册得：，。则全塔液相平均粘度全塔效率由奥康奈尔Oconnell关联式计算：48 实际板层数的求取精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 5精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算51 操作压力计算塔顶操作压力 （塔顶高于当地气压）每层塔板压降 进料板压力 塔釜压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 52 操作温度计算泡点温度可用安托尼方程和泡点公式联力试差求得泡点温度为：塔顶温度 进料板温度 塔釜温度 精馏段平均温度为：提馏段平均温度为：53 液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即 塔顶液相平

12、均粘度的计算由，查手册得： 解出 进料板液相平均粘度的计算由，查手册得： 解出 塔釜液相平均粘度的计算由，查手册得： 解出 精馏段液相平均粘度为 提馏段液相平均粘度为 54 平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量计算由，查平衡曲线，得 塔釜摩尔质量计算由，查平衡曲线，得 进料板摩尔质量计算由图解理论板，得查平衡曲线，得 精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量 55 平均密度计算551 气相平均密度计算精馏段气相密度由理想气体状态方程计算，即 提馏段气相密度由理想气体状态方程计算，即 552 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相密度的计算由，查手册得 塔顶液相的质量分率 进料板液相密度的计

13、算由，查手册得 进料板液相的质量分率 塔釜液相密度的计算由，查手册得 塔釜液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 提馏段液相平均密度为 56 液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力的计算由，查手册得 进料板液相平均表面张力的计算由，查手册得 塔釜液相平均表面张力的计算由，查手册得 精馏段液相平均表面张力为 提馏段液相平均表面张力为 6精馏塔的塔体工艺尺寸计算61 塔径的计算611 精馏段的塔径计算精馏段的气、液相体积流率为 由 式中C由式计算，式中C20由史密斯关系图查得，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 查史密斯关系图得 取安全系数为0.8，则空塔气速

14、为 圆整塔径，取塔截面积为 实际空塔气速为 612 提馏段的塔径计算提馏段的气、液相体积流率为 由 式中C由式计算，式中C20由史密斯关系图查得，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 查史密斯关系图得 取安全系数为0.8，则空塔气速为 圆整塔径，取塔截面积为 实际空塔气速为 62 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 故精馏塔的有效高度为 7塔板主要工艺尺寸的计算71 溢流装置计算因为塔径较小，一般场合可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：711 堰长lW精馏段 提馏段 712 溢流堰高度hW由 选用平直堰，堰上液层高度hOW由下式计算，即 近似取E=1，

15、则精馏段： 取板上清液层高度 故 提馏段： 取板上清液层高度 故 713 弓形降液管宽度Wd和截面积Af由 查图（弓形降液管的参数）【4】，得 故精馏段有 依式 验算液体在降液管中停留的时间，即 故精馏段降液管设计合理。故提馏锻 依式 验算液体在降液管中停留的时间，即 故提馏段降液管设计合理。714 降液管底隙高度ho 取 精馏段 提馏段 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度 72 塔板布置721 塔板的分块精馏段，故塔板采用分块式。查表，则塔板分为3块。提馏段，故塔板采用分块式。查表，则塔板分为3块。722 边缘区宽度确定取 ，723 鼓泡区面积计算鼓泡开孔区面积按下式计算，即 精

16、馏段 故 提馏段 故 724 浮阀计算及其排列7241精馏段浮阀计算及其排列取阀孔动能因数，则孔速求取每层塔板上的浮阀数，即开孔所占面积：估算孔心距：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,即考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分股跑区面积，因此排间距不宜采用,而应小于此值，故取按，以等腰三角形叉排方式作图，得阀数N=140个。按N=100重新核算孔速及阀孔动能因数：阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。塔板开孔率开孔率在之间，故合理。7242提馏段浮阀计算及其排列取阀孔动能因数，则孔速求取每层塔板上的浮阀数，即开孔所占面积

17、：估算孔心距：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,即考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分股跑区面积，因此排间距不宜采用,而应小于此值，故取按，以等腰三角形叉排方式作图，得阀数N=100个。按N=100重新核算孔速及阀孔动能因数：阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。塔板开孔率开孔率在之间，故合理。8筛板的流体力学验算81 塔板压降811 干板阻力hc计算干板阻力hc由下式计算，即 由，查图干筛孔的流量系数得，故精馏段 故提馏段 812 气体通过液层的阻力hl计算气体通过液层的阻力hl由下式计算，即精馏段则有： 查充气系

18、数关联图得：故 提馏段则有： 查充气系数关联图得：故 813 液体表面张力的阻力h计算精馏段液体表面张力所产生的阻力h由下式计算，即 提馏段液体表面张力所产生的阻力h由下式计算，即 气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即 精馏段 提留段 精馏段每层塔板的压降为 提馏段每层塔板的压降为 82 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本次的塔径和液流量均不大，故可以忽略液面落差的影响。83 液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故精馏段 故精馏段 故在本次设计中液沫夹带量eV在允许范围内。84 漏液对筛板塔，漏液点气速u0，min可由下式计算，即 精馏段有实际孔速稳定系数为 故在本次设计中有少量漏

19、液。提馏段有实际孔速稳定系数为 故在本次设计中无明显漏液。85 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从下式的关系，即 乙醇水物系属一般物系，不易发泡，故安全系数取。而 则精馏段 板上不设进口堰，hd可由下式计算，即 故在本次设计中不会发生液泛现象。则提馏段 板上不设进口堰，hd可由下式计算，即 故在本次设计中不会发生液泛现象。9塔板负荷性能图91 漏液线由 得 精馏段有 整理得 提馏段有 整理得 即可作出漏液线。92 液沫夹带线精馏段以为限，求VsLs关系如下：由 故 整理得 提馏段以为限，求VsLs关系如下：由 故 整理得 即可作出液沫夹带线。93 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上

20、液层高度作为最小液体负荷标准。则 取，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。94 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式可得，即 故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线。95 液泛线令 由 联立得 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得 式中 将精馏段有关的数据代入，得 故 或 将提馏段有关的数据代入，得 故 或 即可作出液泛线。96 筛板负荷图及操作弹性根据以上各线方程，可作出精馏段筛板塔的负荷性能图，如图所示。在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液沫夹带控制，下限为漏液控制。由图可查得 故精馏段操

21、作弹性为 根据以上各线方程，可作出提馏段筛板塔的负荷性能图，如图所示。在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液沫夹带控制，下限为漏液控制。由图可查得 故提馏段操作弹性为 由本次设计所得的数据计算得出的塔板负荷性能图如图所示。由图中可看出，操作点在理论范围内，但偏边界位置，即该操作点并非最佳操作点，可能由于回流比取值误差导致的。10主要工艺接管尺寸的计算和选取101 蒸汽出口管的管直径计算由于是常压精馏，允许气速为，故选取，则 圆整直径为102 回流管的管径计算冷凝器安装在塔顶，一般流速为，故选取，则 圆整直径为103 进料管的管径计算由于料液是由泵输送的，一