乙醇水溶液筛板精馏塔设计

1、70560吨/年乙醇水精馏装置设计年级专业设计者姓名设计单位完成日期年 月 日目 录一、概述51.1 设计依据51.2 技术来源51.3 设计任务及要求5二：计算过程61. 塔型选择62. 操作条件的确定62.1 操作压力72.2 进料状态72.3 加热方式72.4 热能利用73. 有关的工艺计算73.1 最小回流比及操作回流比的确定93.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算93.3 全凝器冷凝介质的消耗量103.4 热能利用103.5 理论塔板层数的确定113.6 全塔效率的估算123.7 实际塔板数134. 精馏塔主题尺寸的计算134.1 精馏段与提馏段的体积流量134.1.1 精

2、馏段144.1.2 提馏段154.2 塔径的计算16精馏段塔径的计算164.2.2 精馏塔高的计算195. 塔板结构尺寸的确定195.1 塔板尺寸19精馏段塔板尺寸195.1.2 提馏段塔板尺寸20塔板布置226筛板的流体力学验算23先对精馏段进行计算236.1.1.塔板压降23液面落差24液沫夹带24漏液验算246.1.5 液泛验算25对提馏段进行计算256.2.1.塔板压降25液面落差26液沫夹带26漏液验算276.2.5 液泛验算277. 塔板负荷性能图277.1 精馏段的计算277.1.1 漏液线277.1.2 液沫夹带线287.1.3 液体负荷下限线29液体负荷上限线297.1.5

3、液泛线297.1.6 操作性能负荷图307.2 提馏段的计算317.2.1 漏液线317.2.2 液沫夹带线317.2.3 液体负荷下限线32液体负荷上限线327.2.5 液泛线337.2.6 操作性能负荷图337.7 筛板塔的工艺设计计算结果358. 各接管尺寸的确定368.1 进料管368.2 釜残液出料管378.3 回流液管378.4 塔顶上升蒸汽管378.5 水蒸汽进口管38一、概述乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃

4、料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。1.1 设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.2 技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有

5、一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。1.3 设计任务及要求原料：乙醇水溶液，年产量70560吨乙醇含量：31%(质量分数)，原料液温度：45设计要求：塔顶的乙醇含量不小于80%(摩尔分率)塔底的乙醇含量不大于0.05%(摩尔分率)表1 乙醇水溶液体系的平衡数据液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)液相中乙醇的含量(摩尔分数)汽相中乙醇的含量(摩尔分数)二：计算过程1. 塔型选择根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落

6、差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。2. 操作条件的确定2.1 操作压力由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压其中塔顶压力为塔底压力2.2 进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料2.3 加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用

7、直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。2.4 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。3. 有关的工艺计算由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。原料液的摩尔组成：原料液的平均摩尔质量：同理可求得：45下，原料液中由此可由t-x(y)图:查得原料液，塔顶和塔

8、底混合物的沸点，表2 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液馏出液釜残液(摩尔分数)摩尔质量沸点温度/84.6391.753.1 最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，过点做直线交平衡线于点，由点可读得，因此：又过点作平衡线的切线，如图：读得切点坐标为，因此：所以，可取操作回流比3.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算以年工作日为300天，每天开车24小时计，进料量为：由全塔的物料衡算方程可写出：(蒸汽) (泡点) 3.3 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：可以查得，所以取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25和45则平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：3.4

9、 热能利用以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量可记为：其中查得乙醇的比热水的比热用（x代表质量分数）计算得釜残液放出的热量若将釜残液温度降至那么平均温度查得乙醇的比热水的比热其比热为，因此，可知，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点3.5 理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：线方程：在相图中分别画出上述直线，如图;利用图解法可以求出块(含塔釜)其中，精馏段1块，进料板在第13块理论板。3.6 全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：由相平衡方程式可得根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得：(塔顶第一块板)(加料板)(塔釜)因此可以求得：全塔的相对平均挥发

10、度：全塔的平均温度：在温度下查得相应黏度及用公式计算所得黏度如下表表3溶液黏度与温度t（）x（）（）液（）50082042全塔液体的平均粘度：全塔效率3.7 实际塔板数块(含塔釜)其中，精馏段的塔板数为：块提馏段板数为：4. 精馏塔主题尺寸的计算4.1 精馏段与提馏段的体积流量操作压力的计算塔顶压力：精馏段混合液相密度用公式计算气相密度可用计算液相平均温度：整理精馏段的已知数据列于表4，由表中数据可知：表4精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/液相密度精馏段的液相负荷平均密度名称液相汽相平均摩尔质量/30.9平均密度/817.9体积流量/2.938222)3

11、493(0.9702)提馏段整理提馏段的已知数据列于表6，结果列于表7。表6提馏段的已知数据位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/密度表7提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/平均密度/903.77体积流量/3343)3222(0.8949)4.2 塔径的计算4.2.1精馏段塔径的计算汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度：汽塔的液相平均密度：塔径可以由下面的公式给出：由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间：功能参数：从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均面张力，可以用计算查表得：表8乙醇溶液的表面张力位置塔顶

12、第一块板进料板塔釜温度摩尔分数x表面张力水乙醇溶液5508则在精馏段下乙醇水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：则在提馏段下乙醇水溶液的表面张力可以由下面的式子计算所以：根据塔径系列尺寸圆整为；为方便制造可以取塔板直径：提馏段的上升蒸汽速度为：4.精馏塔高的计算塔的高度可以由下式计算：已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为4个，在进料板上侧有1个人孔，精馏段3个，提馏段1个。取人孔两板之间的间距，两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高度：有效高度5. 塔板结构尺寸的确定5.1 塔板尺寸由于塔径D=1000mm

13、，所以采用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。精馏段塔板尺寸取堰长=0.6D=0.6×1=0.6m=600mm2.堰高验算：，则；取降液管底隙高度h05.1.2 提馏段塔板尺寸；取降液管底隙高度h05m一般经验值取塔板布置（1）塔板的分块因为，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为3块。（2）边缘区宽度确定取，。开孔区面积用式计算故（4）筛孔计算及其排列所处理的物系无腐蚀性，可选用=3mm碳钢板，取筛孔直。筛孔按正三角排列，取中心距筛孔数目为开孔率为精馏段气体通过筛孔的气速为提馏段气体通过筛孔的气速为6筛板的流体力学验算先对精馏段进行计算6.1.1.塔板压降（1）干板阻力的计算由式进行计算

14、由，查图得故液柱（2）液体通过耶层阻力计算气体通过液层的阻力由计算查得，所以液柱（3）液体表面张力的阻力的计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算液柱6.1.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本塔的塔径和流量均不是很大，故可以忽略液面落差的影响。6.1.3液沫夹带液沫夹带可以由公式：进行计算，其中代表液沫夹带量，kg液体/kg气体；一般规定kg液体/kg代表塔板上的鼓泡层高度，m；设计经验。；故kg液/kg气<0.1 kg液/kg气所以本设计液沫夹带量在允许范围内。6.1.4漏液验算对于筛板塔，漏液点气速可由计算，故稳定系数：故无明显漏液。6.1.5液泛验算为防止塔内发生液泛，

15、降液管内液层高度应，一般可取，故溢流管内的清液层高度其中，所以，可见，即不会产生液泛。6.2对提馏段进行计算6.2.1.塔板压降（1）干板阻力的计算由式进行计算由，查图得故液柱（2）液体通过耶层阻力计算气体通过液层的阻力由计算查得，所以液柱（3）液体表面张力的阻力的计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算液柱6.2.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本塔的塔径和流量均不是很大，故可以忽略液面落差的影响。6.2.3液沫夹带液沫夹带可以由公式：进行计算，其中代表液沫夹带量，kg液体/kg气体；一般规定kg液体/kg代表塔板上的鼓泡层高度，m；设计经验。；故kg液/kg气<0.1 k

16、g液/kg气所以本设计液沫夹带量在允许范围内。6.2.4漏液验算对于筛板塔，漏液点气速可由计算，故稳定系数：故无明显漏液。6.2.5液泛验算为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应，一般可取，故溢流管内的清液层高度其中，所以，可见，即不会产生液泛。7. 塔板负荷性能图7.1 精馏段的计算漏液线由：7.1.2液沫夹带线以kg液/kg气为限，求关系：由故整理得：7.1.3液体负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度得7.1.4液体负荷上限线以作为液体在降液管内停留时间的下限，由7.1.5液泛线液泛线方程为其中，将相关数据代入式中：代入上式化简后可得：操作性能负荷图由以上各线可以画出精馏段筛板负荷性能图，

17、如下图过OA点的直线为操作线，（1）为漏液线，（2）为泡沫夹带线，（3）液相负荷下限线，（4）为液相负荷上限线，（5）为液泛线。由图可以看出，该筛板的操作线上限为泡沫夹带线，下限为液相负荷下限线。从图中数据可以得出：故操作弹性为7.2提馏段的计算漏液线由：7.2.2液沫夹带线以kg液/kg气为限，求关系：由故整理得：7.2.3液体负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度得7.2.4液体负荷上限线以作为液体在降液管内停留时间的下限，由7.2.5液泛线液泛线方程为其中，将相关数据代入式中：代入上式化简后可得：操作性能负荷图由以上各线可以画出精馏段筛板负荷性能图，如下图过OB点的直线为提馏段操作线，（1

18、）为漏液线，（2）为泡沫夹带线，（3）液相负荷下限线，（4）为液相负荷上限线，（5）为液泛线。由图可以看出，该筛板的操作线上限为液相负荷上限线，下限为漏液线。从图中数据可以得出：故操作弹性为7.7 筛板塔的工艺设计计算结果有关该筛板塔的工艺设计计算结果汇总于表9表9筛板塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注全塔平均温度全塔平均压力塔径板间距塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速精馏段提馏段1.14溢流堰长度溢流堰高度精馏段提馏段板上液层高度6降液管底隙高度精馏段提馏段筛板孔数个2828等腰三角形叉排筛孔气速精馏段提馏段孔心距15同一横排的孔心距安定区宽度边缘区宽度筛孔直径05开孔率，%开孔区面积单板压降精馏段提馏段液体在降液管内的停留时间精馏段提馏段降液管内的清液高度精馏段