精馏塔设计流程

1、在一常压操作的连续精馏塔内分离水乙醇混合物。已知原料的处理量为2000吨、组成为36%（乙醇的质量分率，下同），要求塔顶馏出液的组成为82%，塔底釜液的组成为6%。设计条件如下： 操作压力 5kPa(塔顶表压)； 进料热状况 自选 ； 回流比 自选； 单板压降 0.7kPa； 根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。【设计计算】（1） 设计方案的确定本设计任务为分离水乙醇混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预料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。该物系属易分离物系，

2、最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（2） 精馏塔的物料衡算1. 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 =46.07kg/kmol水的摩尔质量 =18.02kg/kmol =2. 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量=0.18×46.07+(1-0.18)×18.02=23.07kg/kmol=0.64×46.07+(1-0.64)×18.02=35.97kg/kmol=0.024×46.07+(1-0.024)×18.02=18.69kg/kmol3. 物料衡

3、算以每年工作250天，每天工作12小时计算原料处理量 =kmol/h总物料衡算 28.90=水物料衡算 28.90×0.18=0.64D+0.024联立解得 =7.32kmol/h =21.58kmol/h（三）塔板数的确定1. 理论板层数的求取水乙醇属理想物系，可采用图解法求理论板层数。由手册查得水乙醇物系的气液平衡数据，绘出xy图，如图。求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.18 , 0.18)作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为=0.52 =0.18故最小回流比为=3取操作回流比为=1.5×0.353=0.53

4、求精馏塔的气、液相负荷=kmol/h=（0.53+1）kmol/h=5.17+28.90=34.07 kmol/h=11.20kmol/h求操作线方程精馏段操作线方程为 =+=提馏段操作线方程为 =3.042-0.046图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如图1所示。求解结果为总理论板层数 =16（包括再沸器）进料板位置 =52. 实际板层数的求取精馏段实际板层数 =提馏段实际板层数 =（4） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算。1. 操作压力计算塔顶操作压力 =101.3+5=106.3kPa每层塔板压降 =0.7kPa进料板压力 =106.3+0.7×

5、20=120.3kPa 精馏段平均压力 =(106.3+120.3)/2=113.3kPa2. 操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中水、乙醇的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 =79.3°C进料板温度 =95.4°C精馏段平均温度 =°C3. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由=0.64，查平衡曲线（见图1），得=0.714=0.64×46.07+(1-0.64)×18.02=35.97kg/kmol=0.714×46.07+(1-0.714)×18.02=38

6、.05kg/kmol进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图1），得 =0.52查平衡曲线（见图1），得 =0.2 =0.52×46.07+(1-0.52)×18.02=32.61kg/kmol =0.2×46.07+(1-2)×18.02=23.63kg/kmol精馏段平均摩尔质量 =(35.97+32.61)/2=34.29kg/kmol =(38.05+23.63)/2=30.84kg/kmol4. 平均密度计算（1）气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即=kg/m3（2） 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算由=7

7、9.3°C，查手册3得=741.6kg/m3 =971.8kg/m3 kg/m3 进料板液相平均密度的计算由=95.4°C，查手册得=731.5kg/m3 =961.9kg/m3 kg/m3 进料板液相的质量分率 =kg/m3 精馏段液相平均密度为 kg/m3 5.液体平均表面张力计算液体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=79.3°C，查手册得 18.3mN/m 62.5mN/m mN/m 进料板液相平均表面张力的计算由=95.4.0°C，查手册得 16.53mN/m 59.78mN/m mN/m 精馏段液相平均表面张力为 mN/m

8、 6. 液体平均粘度计算液体平均粘度依下式计算，即lg=塔顶液相平均粘度的计算由=79.3.0°C，查手册得 0.436 0.355解出进料板液相平均粘度的计算由=95.4°C，查手册得 0.386 0.299解出0.315精馏段液相平均粘度为（五）精馏塔的塔体工艺尺寸计算1. 塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为0.082m3/s0.000055 m3/s由 式中C计算中的C20由化工原理课程设计P105图5-1查取，图的横坐标为0.0239取板间距m，板上液层高度m，则 m查图5-1得C20=0.074 m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为 m/sm按标准塔径圆整后为

9、 D=0.3m塔截面积为0.0707 m2实际空塔气速为m/s2. 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为m提馏段有效高度为m在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精馏塔的有效高度为5.7+2.7+0.8=9.2m（6） 塔板主要工艺尺寸的计算1. 溢流装置计算 因塔径D=0.3m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1） 堰长取 m（2） 溢流堰高度由 选用平直堰，堰上液层高度依下式计算，即近似取E=1，则0.0027m取板上清夜层高度 mm故 m（3） 弓形降液管宽度和截面积由 查化工原理课程设计P112图5-7，得故 0.0051m20.0372 m依下式验算液体在降

10、液管中停留时间，即27.8s5s故降液管设计合理。（4） 降液管底隙高度取 m/s0.00066m0.05664m> 0.006m故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度mm。2. 塔板布置（1） 塔板的分块因，故塔板采用分块式，查表得，塔板分为3块。（2） 边缘区宽度确定查化工原理课程设计P114得，取 0.07m，0.05m。（3） 开孔区面积计算开孔区面积依下式计算，即其中 m m 0.0162m2（4） 筛孔计算及其排列本题所处理的物系无腐蚀性，可选用mm碳钢板，取筛孔直径mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距为mm筛孔数目为 个开孔率为 %气体通过阀孔的气速为 m/s（7）

11、 筛板的流体力学验算1. 塔板压降（1） 干板阻力计算干板阻力依下式计算，即由，查化工原理课程设计图5-10得，故 m液柱 （2） 气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力依下式计算，即 m/s 查化工原理课程设计图5-11得，。故 m液柱（3） 液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力依下式计算，即 m液柱气体通过每层塔板的液柱高度可依下式计算，即 m液柱气体通过每层塔板的压降为 pa < 0.7kpa（设计允许值） 2. 液面落差对于筛板塔液面落差很小，且本题的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3. 液沫夹带液沫夹带依下式计算，即 m故 kg液/kg气< 0.

12、1kg液/kg气4. 漏液对筛板塔，漏液点气速可依下式计算，即 m/s实际孔速m/s >稳定系数为 >2故在本设计中无明显漏液。5. 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从如下式的关系，即水乙醇物系属不易起泡物系，取，则m而 板上不设进11堰，可依下式计算，即 m液柱 m液柱 故在本设计中不会发生液泛现象。（8） 塔板负荷性能图1. 漏液线由 得 整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5-4。表5-4，0.00060.00150.00300.0045，0.01550.01650.01740.0184由上表数据即可作出漏液线1。2. 液沫夹带线以kg液/

13、kg气为限，求关系如下：由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5-5。表5-5，0.00060.00150.00300.0045，0.62070.46280.25940.0885由上表数据即可作出漏液线2。3. 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度m作为最小液体负荷标准。由下式得取，则 m3/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。4. 液相负荷上限线以s作为液体在降液管中停留的下限，由下式得故 m3/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5. 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 将有关数据带入，得故

14、或 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5-6。表5-6，0.00060.00150.00300.0045，3.0672.8022.2511.515由上表数据即可作出漏液线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图5-20所示。在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA即作出操作线4。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图5-20查得 m3/s m3/s 故操作弹性为所设计的筛板的主要结果汇总于表5-7。表5-7 筛板塔设计计算结果序号项目数值1平均温度 ，81.02平均压力 ，kpa113.03气相流量 ，（）0.6324液相流量 ，（）0.0

15、00605实际塔板数266有效段高度 Z，m10.47塔径，m0.68板间距，m0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，m0.39612堰高，m0.52413板上液层高度，m0.0614堰上液层高度，m0.007215降液管底隙高度，m0.01916定安区宽度，m0.0717边缘区宽度，m0.0518开孔区面积，m0.35619筛孔直径，m0.00520筛孔数目251121孔中心距，m0.01522开孔率，%10.123空塔气速，m/s1.2624筛孔气速，m/s12.8025稳定系数1.5726每层塔板压降，pa51927负荷上限液泛控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带 ，（kg液/kg气）