处理量为76000吨年的水乙醇分离工艺的设计说明

1、. . . . 处理量为76000吨/年的水-乙醇分离工艺设计摘 要本设计为分离乙醇-水混合物，采用筛板式精馏塔。精馏塔是提供混合物气、液两相接触条件，实现传质过程的设备。它是利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使混合物不断分离，以达到理想的分离效果。选择精馏方案时因组分的沸点都不高所以选择常压，进料为泡点进料，回流是泡点回流。塔顶冷凝方式是采用全凝器，塔釜的加热方式是使用再沸器。精馏过程的计算包括物料衡算，热量衡算,塔板数的确定等。然后对精馏塔进行设计包括：塔径、塔高、溢流装置。最后进行流体力学验算、绘制塔板负荷性能图。关键词：精馏塔 泡罩塔工艺设计 乙醇 水48 / 5

2、1目 录前 言1第1章 绪 论3第1.1节 设计方案3第1.2节 设计容与任务4第2章 塔的设计计算6第2.1节 物料衡算6第2.2节 热量衡算7第2.3节 工艺条件与有关物性数据的计算8第2.4节 塔板数的确定15第2.5节 塔板的主要工艺计算与塔板的流体力学验算19第3章 塔板流体力学验算25第3.1节 气相通过泡罩塔板的压降25第3.2节 液面落差27第3.3节 液沫夹带量27第3.4节 漏液点气速28第3.5节 溢流液泛校核28第3.6节 液体在降液管中停留时间的校核29第3.7节 塔板负荷性能图30第4章 辅助设备的计算与选型35第4.1节 塔顶全凝器35第4.2节 再沸器37第5章

3、 泡罩塔工艺设计结果39第6章 塔体的初步设计41第6.1节 塔有效高度的计算41第6.2节 裙座的计算42第6.3节 塔体各接管设计42第6.4节 罐设计44第6.5节 塔体手孔与人孔的设计46第6.5节 封头的选用46第6.6节 吊柱的选取46结 论47参考文献48前 言精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔、浮阀塔和泡罩塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、

4、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大，需要进行多次部分汽化和部分冷凝，这样才可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔进行的，塔装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。由此可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器等附属设备，才能实现整个操作。本次设计的泡罩塔是化工生产中主要的气液

5、传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件与物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。第1章 绪 论第1.1节 设计方案课程设计方案选定所涉与的主要容有：操作压力、进料状况、加热方式与其热能的利用。(1)操作压力确定操作压力主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。一般来说，常压

6、精馏最为简单经济。 (2)进料状况采用泡点进料。这样，进料温度不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较好控制。(3)加热方式塔釜采用直接蒸汽加热。其优点是，可利用压力较低的蒸汽加热，塔釜只需安装股炮管，一般可节省设备费用和操作费用。 (4)热能的利用精馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是很多的，但其位能较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。第1.2节 设计容与任务1.2.1设计题目处理量为76000吨/年的水-乙醇分离工艺设计1.2

7、.2设计任务与条件（1） 处理量：76000吨/年 （2）操作条件：塔顶压强：1. 03 atm（绝对压强）单板压降：75mm液柱 （3）料液组成（质量分数）：45%（4）塔顶产品组成（质量分数）：93%；（5）塔顶易挥发组分回收率：99%（6）每年实际生产时间：330天；1.2.3设计容（1）设计方案的确定。（2）塔的工艺计算。物料衡算塔的基础数据得设计塔径的计算（3）流体力学验算。气体通过泡罩塔的压力降的验算液沫夹带量的验算。漏液点气速的验算溢流液泛的校核液体在降液管中停留时间的校核绘制塔板的负荷性能图。（4）辅助设备的计算与选型。 以塔顶全凝器塔釜再沸器为例（5）精馏塔的附属设备的设计（

8、6）精馏塔的设备装置图与整个精馏过程的工艺流程图。第2章 塔的设计计算第2.1节 物料衡算2.1.1原料液与塔顶、塔釜的产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.1.2原料液与塔顶、塔釜的产品的平均摩尔质量原料液产品的平均摩尔质量 塔顶产品的平均摩尔质量 塔釜产品的平均摩尔质量 2.1.3物料衡算进料量 由公式 (1) (2)联立（1）（2）得第2.2节 热量衡算根据液体比热容共线得：表2.1 热量衡算数据温度78.25（塔顶）82.57（进料）99.19（塔底）乙醇的摩尔比热容/K149.5151.8水的摩尔比热容/K75.675.6原料液平均摩尔比热容 原料液的焓 原料液带入的热量

9、回流液的焓近似取纯乙醇的焓 回流液带入的热量 塔顶蒸汽的热焓近似地取纯乙醇蒸汽的焓塔顶蒸汽带出的热量塔底产品的焓近似地取纯水的焓 第2.3节 工艺条件与有关物性数据的计算2.3.1操作温度塔顶温度：进料温度：塔底温度：精馏段平均温度：提馏段平均温度：2.3.2平均摩尔质量的计算表2-2 乙醇-水汽液平衡组成（摩尔）与温度的关系（1） 精馏段（t=80.41）液相组成=气相组成= (2)提馏段（t=90.88）液相组成=气相组成=2.3.3平均密度的计算（1）精馏段液相密度 气相密度 （2）提馏段液相密度 气相密度 2.3.4液相表面力表2-3 乙醇和水不同温度下的表面力（1） 精馏段乙醇的表面

10、力水的表面力=0.4324A=B+Q=(-0.4608)-1.0031=-1.4639（2）提馏段 T=90.88乙醇的表面力水的表面力=0.05672.3.5黏度表2.4 水在不同温度下的粘度表温度/黏度/温度/黏度/01.788700.4061101.306800.3551201.004900.3149300.80151000.2825400.65331100.2590500.54941200.2374600.46991300.2178图2.1 温度-黏度图（1） 精馏段 精馏段黏度（2） 提馏段提馏段黏度2.3.6相对挥发度（1） 精馏段 （2）提馏段2.3.7气、液相体积流量计算（1）

11、 精馏段 质量流量 体积流量（2） 提馏段 q=1质量流量体积流量第2.4节 塔板数的确定2.4.1最小回流比与操作回流比图2.2 乙醇-水溶液的最小回流比由图可知q线与相平衡线交点为最小回流比确定取操作回流比2.4.2求精馏塔的气、液相负荷2.4.3操作线方程精馏段操作线方程：即：提馏段操作线方程： 即：2.4.4图解法求理论板层数图2.3 理论板层数图2.4 理论板层数局部放大采用直角阶梯法求理论板层数，如图所示，在塔底或恒沸点附近作图时要将图局部放大，求解结果为：理论板层数 （不包括再沸器）进料板位置 精馏段的板层数 =11提馏段的板层数 =3（包括进料板）2.4.5实际板层数的求取根据

12、奥康奈尔关联式：（1） 精馏段（2） 提馏段全塔所需实际塔板数全塔效率加料版位置在第23块塔板第2.5节 塔板的主要工艺计算与塔板的流体力学验算2.5.1塔径的计算（1）最大空塔气速和空塔气速最大空塔气速计算公式：由计算，其中由史密斯关联图查取，图中横坐标为：若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性与安装检修有利；但是当板间距增大时，会增加塔身总高度、金属消耗量、塔基、支座的负荷，从而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，虽然可降低塔高，但因其只能允许较小的空塔气速，因此塔径就要增大，且容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据不同情况予以考虑。化工生产

13、中常用的板间距有：300，350, 400，450, 500, 600，700, 800（mm），取板间距=0.45m，板上液层高度=0.07m，则图2.5 史密斯关联图查图2.5得=0.080，则同理，提馏段最大空塔气速为 由化工原理课程设计可知：取安全系数为0.7，则空塔气速为同理，提馏段空塔气速为（2）塔径按标准塔径圆整后得：塔截面积实际空塔气速为同理，提馏段，空塔气速由化工原理课程设计板间距与塔径的关系可知：D1、D2都在0.81.8m的围，且板间距也在300450的围，因此取板间距为450mm是合理的。2.5.2溢流装置计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，选择单流型这种液流方式时，液

14、体的流径较长，塔板效率较高，并且塔板的结构简单，加工方便。采用凹形受液盘，各项计算如下：（1） 堰长单溢流：取同理，提馏段堰长（2） 溢流堰高度 溢流堰高度计算公式其中：板上清液层高度；:堰上液层高度由化工原理课程设计可知选用平直堰，堰上液层高度可用弗兰西斯公式计算： 其中 L：塔液体流量； E：液体收缩系数，且根据设计经验，取E=1时所引起的误差能满足工程设计的要求精馏段：对于常压塔板上清液层高一般在0.050.1m之间选取，取板上清液层高度=0.07m同理，提馏段（3） 弓形降液管宽度与截面积降液管有圆形和弓形两类。通常情况下，由于圆形降液管的流通截面小，没有足够的空间分离液体中的气泡，气

15、相夹带较严重，从而降低了塔板的效率。因此本设计选择弓形降液管。由查弓形降液管宽度参数得，故 提馏段提馏段依下式验算液体在降液管中停留时间，即：提馏段故降液管设计合理。(4)降液管低隙高度 计算公式式中液体通过降液管底隙时的流速取，则同理提馏段同理提馏段故降液管低隙高度设计合理。2.5.3 塔板布置（1）塔板的分块当塔径较大时则由于刚度的要求，势必会增加塔板的厚度，在制造、安装和检修方面都存在困难；且塔径此时已经可以使人进入塔安装检修塔板，为了便于安装，一般采用分块式塔板结构。为了减少液位落差，可采用单流塔板。（2）安定区宽度的确定由化工原理课程设计可知：入口安定区的宽度可按下述围选取，即：塔径

16、小于1.5m的塔 =6075mm塔径大于1.5m的塔 =80110mm因为D=1.8m>1.5m，取=85mm。（3）边缘区宽度的确定 由化工原理课程设计可知： 一般取边缘区宽度=3070mm，取=35mm.（4）有效传质区面积的计算同理，提馏段第3章 塔板流体力学验算第3.1节 气相通过泡罩塔板的压降可根据式来计算塔板压强降式中：气体通过每层塔板的压降：气体通过板上液层的压降：气体通过筛板的干板压降：气体克服液体表面力的压降3.1.1干板阻力气体通过筛板的干板阻力可由以下经验公式估算，即：通常，泡罩孔的开孔率，故上式简化为： 查流量系数图得 同理气体通过液层的阻力：精馏段：对单流型塔板

17、同理，提馏段同理，提馏段 3.1.2板上充气液层阻力本设计分离乙醇和水的混合液，即液相为水，可取充气系数，依式计算，即3.1.3液体表面力的阻力计算同理，提馏段为气体通过每层塔板的液柱高度同理，提馏段气体通过每层塔板的压降为都在设计允许值围第3.2节 液面落差对于泡罩塔液面落差很小，且本设计中的塔径和液流量均不大，故可以忽略液面落差的影响。第3.3节 液沫夹带量对于泡罩塔可以用Hunt的经验式计算，公式如下：精馏段：因为0.0626%<1%，所以符合设计要求。提馏段：因为0.0859%<1%，所以符合设计要求。第3.4节 漏液点气速对泡罩塔，漏液点气速 带入数据得 实际速率同理，提

18、馏段稳定系数同理，提馏段由化工原理课程设计可知：Ks的适宜的围为1.52.0。因为1.7在1.52.0的围之，因此设计是合理的。故无明显漏液第3.5节 溢流液泛校核为了防止液泛现象的发生，要控制降液管中清液高度，乙醇-水物系属于一般物系，取同理，提馏段而 板上不设进口堰，可由下式计算同理，提馏段同理，提馏段故不会有漏液现象第3.6节 液体在降液管中停留时间的校核由化工原理课程设计可知：对液体在降液管中的停留时间要求一般不应小于5s。依下式验算液体在降液管中停留时间，即：提馏段由此可知，设计符合要求。第3.7节 塔板负荷性能图(1)漏液线由：得：整理得：同理，提馏段得整理得：取点可以作出液漏线。

19、 (2)液沫夹带线以为限，求的关系：由因为：所以同理，提馏段取点即可作出液沫夹带线。（3）液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。同理，提馏段据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线.（4）液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限。同理，提馏段由此，可以做出液相负荷上限线。(5)液泛线，联立得：; 将以下关系式代入上式：其中，可以忽略。将有关数据代入整理得：同理，提馏段：取点可以作出液泛线。精馏段的负荷性能图为图2.6 精馏段负荷性能图操作弹性为提馏段的负荷性能图为图2.7 提馏段负荷性能图操作弹性为第4章 辅助设备的计算与选型第4.1节 塔顶全凝器按泡

20、点回流设计，即饱和蒸汽冷凝且回流，冷却水的进口温度为25，出口温度为45逆流操作。由化工原理（祖荣主编）“液体比热容共线图”可以查得在不同温度下乙醇、水的比热容。4.1.1热负荷Qc的计算: =4.1.2冷却水的消耗量:取进口温度25，出口温度454.1.3 总传热系数取4.1.4 泡点回流时的平均温差4.1.5 换热面积A取安全系数为0.8，则实际面积：表4.1 塔顶冷凝器规格公称直径/mm公称压力管程数N管子根数n9001.606538中心排管数管程流通面积/计算换热面积/换热管长度/mm260.0311375.99000第4.2节 再沸器做全塔平衡式： 解得： 压力=121.4kPa(表

21、)时， 因为设备蒸汽热损失为加热蒸汽供热量的5%，所以所需蒸汽的质量流量为：:加热蒸汽的冷凝潜热 选用0.25MPa（表压）的饱和蒸汽加热，温度为138.8选择表4.2 塔釜再沸器规格公称直径/mm公称压力管程数N管子根数n11004.006830中心排管数管程流通面积/计算换热面积/换热管长度/mm320.0479579.99000第5章 泡罩塔工艺设计结果项目数值塔径D/m精1.8提1.6板间距0.45板上液层高度0.07空塔气速精馏塔1.45768提馏塔1.4170溢流堰长度 精1.188提1.056溢流堰高度精馏段0.05625提馏段0.05308降液管截面积m2精0.1836提0.1

22、451降液管高度精0.2232提0.1984降液管底隙高度精馏段0.0227681提馏段0.0310599塔板压降精馏段0.08899提馏段0.0742液体在降液管的停留时间精馏段23.496提馏段15.313降液管的清液高度精馏段0.13219提馏段0.1167液相负荷下限精馏段0.00101提馏段0.0009液相负荷上限精0.02066提0.01632操作弹性精馏段 3.3提馏段3.4第6章 塔体的初步设计第6.1节 塔有效高度的计算（1）精馏段有效高度的计算：（2）提馏段有效高度的计算：（3） 每隔8层塔板开一人孔，人孔高度为0.8m，共开4个，3.2m（4）塔顶间距：（5）塔底空间高度

23、：取产品停留时间1015min。计算结果再加上12m作为塔底空间，即：（6）进料板处板间距：塔高：第6.2节 裙座的计算，故选择圆筒形群座第6.3节 塔体各接管设计6.3.1各接管尺寸的确定（1）进料管=848.2923( kg/m3)进料体积流量：料液由高位槽进塔时，料液流速取0.40.8m/s。由泵输送时，流速取1.52.5m/s。取适宜的输送速度:,故经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：(2) 釜残液出料管釜残液的体积流量：釜液流出的速度一般取0.51.0m/s。取适宜的输送速度：，则经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：(3) 回流液管回流液体积流量：利用

24、液体的重力进行回流，一般流速为0.20.5m/s。取适宜的回流速度：那么经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：(4)塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量：饱和水蒸汽压力在295kPa（表压）以下时，蒸汽在管中流速为2040m/s;表压在785kPa以下时，流速取为4060m/s；表压在2950kPa以上时，流速取为80m/s。取适宜的速度：那么：经圆整选取拉制黄铜管，规格：第6.4节 罐设计容器填充系数取k=0.76.4.1进料罐（常温贮料）在20时，压力取1.24Mpa （绝对压力）进料进料质量流量进料罐容积其中为停留时间，取4天，进料罐容积6.4.2回流罐（40），取停留时间

25、为所以圆整后取6.4.3馏出产品罐取产品停留时间为5天，即=120 所以 圆整为1108。6.4.4釜液罐取停留时间为5天，即=120 h ， 圆整取。第6.5节 塔体手孔与人孔的设计人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于不需要经常清洗的物料，一般每隔810块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔34块塔板开一个人孔。乙醇-水体系属于不需要经常清洗的物料，选择每隔8层开一个人孔。则，人孔数：人孔直径一般为450600mm，选择人孔高度为800mm。第6.5节 封头的选用封头分为椭圆形封头、蝶形封头等几种，本设计采用椭圆形封头，由公称直径dN=2000mm，查得曲面高度h1=450mm，直边高度h。=40mm，表面积F封=3.73m2，容积V封=0.866m3，选用封头DN1800×6，1154-73。第6.6节 吊柱的选取对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸件，既经济又方便，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因设计塔径D=1800mm，可选用吊柱500kg，S=1000mm，L=3400mm，H=1000mm，材料为A3。结论本设计的重点在