水――乙醇连续精馏板式塔设计任务书

1、第一章 工艺流程的选择及示意图第一节 概述一、精馏操作在化工生产中的应用在化工、石油、轻工等生产过程中，原料和中间产品有许多是由几具组分组成的液相均相混合物(或称混合液、溶液，为了对某些组分进行提纯，或回收其中有用的组分，常需将混合液进行分离。精馏就是最为常用的分离方法之一。该设计中，用精馏的方法来分离乙醇和水的混合物。二、精馏分离的依据精馏是利用混合物中各组分挥发性不同这一性质，将混合物中各组分进行分离的单元操作。由于乙醇比水在同样的条件下更易挥发，因此，乙醇为易挥发组分，水为难挥发组分。第二节 设计方案的确定一、 操作压力精馏操作通常可在常压、加压、减压下进行，确定操作压力主要是根据所处理

2、物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于沸点低、常压下呈气态的物料必须在加压下进行蒸馏。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当地提高操作压力，可以提高塔的处理能力。但相对挥发度有所下降。对热敏性的物料和高沸点物料常采用减压精馏操作，降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低温位的加热剂。但降低压力也导致塔径增加和塔顶蒸汽温度的降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。本

3、设计为3atm压力下操作。二、加热方式 本设计的精馏塔采用间接蒸汽加热。三、进料状态进料的热状态指进料的q值，q的定义为使每千摩尔进料变成饱和蒸汽所需的热量与每千摩尔进料的汽化潜热之比。进料状态主要有五种：冷进料、泡点进料、气、液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸气进料等。其中泡点进料的操作比较容易控制，并且不受季节气温的影响；另外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造时也比较方便。所以本设计操作选择泡点进料,即q=1。四、热能利用蒸馏过程的特性是重复地进行汽化和冷凝，因此，热效率很低，其蒸馏系统的热能利用问题非常重要。五、艺流程示意图第二章 精馏塔的工艺设计计算及结构设计第一节 引

4、言精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气、液两相传质用的塔设备首先必须要能使气、液两相得到充分接触，以达到较高的传质效率。塔设备设计要具备下列各种基本要求：1、 气、液处理量大，即当生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带，拦液或液泛等破坏操作的现象。2、 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气、液负荷有较大范围的变动，仍能在较高的传质效率下进行稳定操作，并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。3、 流体流动的阻力少，可降低操作费用。4、 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。5、 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节和检修。6、 塔内的滞留量要小。第二节 原始数据原始液：乙醇和水的混合物生产能力

5、4500kg/h进料组成41%（质量分率）原料液温度20塔顶产品组成94%塔底产品组成0.1%操作压力40000Pa热源条件3.0atm第三节 物料衡算1、挥发度高的乙醇作为轻组分在塔顶分出，挥发度低的水作为重组分在塔底分出。2、乙醇的分子式为，分子量为46.07kg/kmol;水的分子式为，分子量为18.02kg/kmol.3、将质量分率换算成摩尔分率原料组成： 参考文献（4）下册馏出液组成： 釜出液组成： 4、原料液摩尔流量原料液平均分子量：塔顶平均分子量： 塔底平均分子量：精馏段平均分子量： 提馏段平均分子量：单位：Kg/Kmol23.53241.301520.82532.416822.

6、17855、回流比的确定根据乙醇水溶液气液平衡数据，在常压下作（y-X）平衡相图。作X=直线与对角线相交于a点，过a 点作相平衡曲线的切线，交轴于b点。此切线为精馏段操作线，=(0.83-0.468/(0.83-0.192=0.5674 参考文献（4）下册R=(1.1-2.0,截距b=,原料液为泡点进料q=1.于是有回流比与板数的关系：序号的倍数R截距b理论塔板数N11.21.57390.3225222 1.41.83620.29261731.62.09860.26791541.82.36090.24701352.02.62320.229112任意选定以上表中的五种回流比，作R-N图，从而选出

7、合适的回流比R=1.6395，相对应的理论塔板数N=17块。6、 原料的摩尔流量： 参考文献（4）下册7、 列物料衡算方程式 参考文献（4）下册8、 求解：9、解得：D=46.6253kmol/h W=306.0847kmol/h10、计算结果列于下表：组分进料液塔顶产品塔底产品进料量F （kmol/h）摩尔百分率馏出液D（kmol/h）摩尔百分率釜液W（kmol/h）摩尔百分率69.3075 0.196538.6990 0.8330.60850.10283.40250.80357.9263 0.17275.4762 0.9混合液352.71 146.6253 1306.08471第四节 塔温

8、的确定由于各操作阶段的乙醇和水的质量百分含量已确定，所以根据乙醇和水的质量百分含量，查得各组分的温度和密度：温度密度塔顶乙醇的摩尔分率：进料的乙醇摩尔分率：塔底乙醇的摩尔分率：第五节 塔板数的确定本设计采用图解法计算塔板数，（如附图一）直角梯级条件并不完全符合，会引起一定的误差，但具有简便的优点。图解法的步骤如下：在y-x图中画出待分离混合液（乙醇和水）的平衡线与y-x的对角线；作的垂线与对角线交于点在y轴上定出点,连结ab,画出精馏段操作线； 作的垂线与对角线交于点，过e点作斜率为q=1的ef线，此线与ab线交于点d；作的垂线与对角线交于点，连接cd可画出提馏段操作线；从点a开始，在平衡线与

9、精馏段操作线间画阶梯，跨过d点后改在平衡线与提馏段操作线间画阶梯，直到到达或跨过的垂线为止，所画的阶梯数就是所需理论斑层数（包括塔釜）从附图和先前确定的最佳回流比R=1.6395，在气液平衡相图上作得理论塔板数为=17块，进料位置是第16块。第六节 理论塔板数及进料位置的确定（3）全塔效率的计算（根据“奥康内尔的精馏塔效率关联图”来估算塔效率）当t=81.2，查乙醇水溶液气液平衡数据表，得x0.4052,0.6156参考文献（6）附表 参考文献（4）下册当t=83.6，查乙醇水溶液气液平衡数据表，得x0.1972,0.5093因为在精馏塔内，当压力和温度的变化都比较小时，可取塔顶与塔底相对挥发

10、度的几何平均值作为全塔的平均值相对挥发度，即进料液在塔顶与塔底的平均温度下粘度：查t=82.4时，乙醇粘度为：，水的粘度为：查“奥康内尔的精馏塔效率关联图”得=47实际塔板数p=17/0.47=36块 参考文献（5）P53实际加料板:N=16/0.47=34块，即第34板为加料板。取（塔板间距）为0.4m，则塔的有效高度：第七节 热量衡算计算加热蒸汽量 参考文献（4）下册(1. 原料液带入的热量由于从乙醇水混合物的热焓表，查得(2. 回流液带入的热量由于78.9从乙醇水混合物的比热表查得(3. 塔顶蒸汽带出热量V=1175.1KJ/kg(4. 塔釜液带出的热量因塔釜中乙醇的含量很少，故可以近似

11、按水记查塔底温度下（w=86.80）水的比热4.522KJ/(kg·（5）. 加热蒸汽用量查饱和水蒸汽表，1.0atm ,饱和水蒸气的气化潜热为2476.8KJ/Kg=(5972882.298+2501940.139-3360824.549-823528.6971/2476.8=1732.2631kg/h计算冷却用水量设冷却水进出口温度分别和冷却用水量： 第八节 塔和塔板主要工艺尺寸设计计算塔径时，根据适宜的空塔气速，求出塔的截面积即可求出塔径。塔径D按各操作阶段的温度，分别查出乙醇水溶液与蒸汽的密度：精馏段的平均密度精馏段的平均密度 气相密度提馏段的平均密度气相密度精馏段下流液量：

12、L=RD=1.639546.6253=76.4422 kom/h精馏段上升液量:V=L+D=76.4422+46.6253=123.0675kom/h液气动能参数为：选取查图，得由于原料的温度为20，查乙醇水溶液的表面张力表，由乙醇浓度为%，查得=0.0245N/m0.073 参考文献（5）P25最大允许气速取安全系数为0.75，则适宜空塔速度为：u=0.752.582=1.9881m/s由下式计算精馏段的塔径： 参考文献（5）P25按标准塔径尺寸圆整，取D=1.0m；提馏段下流液量：提馏段上升液量：液气动能参数为：选取查图，得由于原料的温度为20，查乙醇水溶液的表面张力，由乙醇浓度为10%，

13、查得=0.0265N/m0.073 参考文献（5）P25最大允许气速取安全系数为0.75，则适宜空塔速度为：u=0.752.7413=2.0560m/s由下式计算精馏段的塔径：按标准塔径尺寸和精馏段的塔径圆整，此精馏塔的塔径取=1.0m；那么实际塔截面面积： 参考文献（5）P86实际空塔速度： 安全系数： 在0.6-0.8范围之间，合适。名称单位mol/hm3/s123.06751.443376.4422123.06751.0005205.664第九节 浮阀塔的选定及工艺尺寸的确定浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流

14、量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它兼有了泡罩塔和筛板塔的特点：、处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20-40%，而接近于筛板塔。、操作弹性大，一般约为5-9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。、塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。、压强小，在常压中每块

15、板的压强降一般为30-50N/m2。、液面梯度小。、使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。、结构简单，安装容易，其制造费约为泡罩塔的60-80%，但为筛板的120-130%。所以本设计采用F1型（即v-1型）浮阀。其基本参数：阀孔直径阀片直径阀片厚度最大开度静止开度阀质量F1型（重阀）39 mm48 mm2m8.5 mm2.5 mm3234g 溢流装置选用单流型降液管，不设进口堰。（1） 降液管尺寸取溢流堰长，即，由图2-20弓形降液管的结构参数图查得(文献(2：因此：弓形降液管所占面积 弓形降液管宽度 依式2-41验算液体在降液管的停留时间，即 参考文献（5）P76满足要

16、求满足要求（2） 溢流堰尺寸由以上设计数据可求出：溢流堰长： 采用平直堰，堰上的液流高度可采用下式计算： 参考文献（5）P60-堰上液流高度，m-液流量，-堰长，mE液流收缩系数，一般取E=1。精馏段： 查液流收缩系数图，得E=1.032溢流堰高：降液管底隙高度：提馏段： 查液流收缩系数图，得E=1.0502提馏的段溢流堰高：降液管底隙高度：即：不少于6mm，符合生产要求，采用平直堰。（3） 浮阀数及排列方式 浮阀数工业实验结果表明：阀孔临界动能因数一般为。取，阀孔气速为：精馏段： 参考文献（5）P25提馏段：符合生产要求，既每层塔板上浮阀个数：精馏段： 参考文献（5）P78提馏段：查资料P6

17、5 表得单液流1型塔板某些参数如下表： 参考文献（5）P65塔 径D/mm塔 截面积 /板 间距 离/m弓形降液管降液管面积/%堰长/mm714堰宽/mm15010000.78544000.07709.80.714浮阀的排列按所设定的尺寸画出塔板，并在塔板的鼓泡区内依排列方式进行试排，确定出实际的阀孔数。已知破沫区宽度,由式（2-44）计算鼓泡区面积，即 参考文献（5）P63浮阀阀孔的排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的空心距t=75mm,则等腰三角形的高度为：精馏段： 参考文献（5）P68提馏段：重新核算以下的参数：阀孔气速：精馏段：参考文献（5）P67提馏段：动能因数都在9-12之间，

18、故合适。塔板开孔率：精馏段： 参考文献（5）P68提馏段：开孔率在10%-14%之间，合适。空塔气速：精馏段：提馏段：即适宜的空塔气速 u=1.56m/s。阀孔总面积：精馏段：提馏段：(其中，第一十节 水利学计算一、 降液管内液面高度H-降液管内液层高度, m-气体通过一块塔板的压降，m-液体流出降液管的压降，m。精馏段：提馏段：验算式：-板间距 -降液管中泡沫相对密度，对一般物质系统取0.5二、气相通过塔板的压降-气体通过每层塔板的压降，m-干板压降，m-板上液层的阻力，m-克服液体表面张力的阻力，m干板压降对于重阀用式:全开前: 全开后：精馏段：全开前: 全开后：提馏段：全开前: 全开后：

19、精馏段：提馏段：降液管液泛校核：精馏段：符合降液管液泛要求。提馏段： 符合降液管液泛要求。三、液体在降液管内停留时间应保证液体在降液管内停留的时间大于3S，才能使得液体所夹带气体的释出。前面已计算出液体在降液管内停留时间为和都大于5s,可见，所夹带气体可以释出。四、雾沫夹带量校核 参考文献（5）P76,式中-板上液体流径长度（m）,-板上液流面积（m2）, -气相负荷因数精馏段：提馏段：由于是正常系统，根据表（2-8）取物性系数K=1.0查液泛负荷因数图，得：精馏段： 提馏段：则有：精馏段：取两者大值%满足 (小塔提馏段：取两者大值满足(小塔即没有雾沫夹带现象出现。五、严重漏液较核当阀孔得动能

20、因数低于5时将会发生严重漏夜，前面已计算出和，可见不会发生严重漏夜。第十一节 浮阀塔的操作性能图一、 气体负荷下限线（漏夜线）此线表示不发生严重漏夜现象地最底气相荷，对于F1型重阀，因动能因数时，会发生严重漏夜，故取计算相应的气相流量由下式可以求得： 参考文献（5）P78精馏段：提馏段：二、过量雾沫夹带线根据前面过量雾沫校核可知，对于小塔，取液泛点F=0.75，本设计可采用下列公式:，其中精馏段：提馏段：由最高点便可以绘出提馏段的雾沫夹带线。三、液相负荷下限线对于平直堰，其堰上液层高度必须要大于0.006m。取，就可作出液相负荷下限线。则可求出：精馏段：提馏段：四、液相负荷上限线若低过此限线，

21、不能保证板上液流的均匀分布。液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3s，取作为液体在降液管中停留时间的下限，则：五、液泛线操作点若在此线上方，将会引起液泛。根据下式可求出与的关系，就可在操作范围内任取若干点，从而绘出液泛线。 参考文献（5）P79精馏段： 计算出a,b,c,d之值代入方程并整理可得：提馏段：计算出a,b,c,d之值代入方程并整理可得：在操作范围内任意取若干值，由上式可求出相应的值，结果列于下表。精馏段：0.00010.00020.00040.00060.00080.0012.74952.73362.70822.68662.66692.6476提馏段：0.00040.000

22、60.00080.00100.00120.00162.10222.08342.06642.05062.03552.0669在回流比不变的操作情况下，作出操作性能图，并作出操作线。六、操作弹性：精馏段：提馏段：第十二节塔的附属设备计算一、塔顶冷凝器的选择 参考文献（3）P1061、热负荷计算2、估算传热面积3、水量的计算在前面已经计算，得出的结果为：选择列管式冷凝器。三、确定塔体各接管1、蒸汽管d塔顶蒸汽出口直径，u气体速度常压下，u取1040之间，取u=20m/s, 按加压下操作计算：取Ds=250mm, D外258mm, Pg=16mm，S=4mm2、回流管 由泵输送，u取12之间，取u=1

23、.5 取Ds=40mm, D外46mm, Pg=16mm， S=3mm3、进料口u在0.51之间，取u=0.75m/s取Ds=30mm, D外35mm, Pg=16mm, S=2.5mm4、塔釜液出口其中：取Ds=60mm, D外65mm, Pg=16mm, S=2.5mm位置公称直径Dg, mm外径D, mm接管壁厚S, mm塔顶蒸汽出口2502584回流管40463进料口30352.5第十三节 板式塔结构设计一、 塔的总体结构塔设备往往以每一层塔板为一节，然后由法兰连接。基本结构包括吊柱，气体出口管，除沫装置，回流管，进料管，人孔，保温圈，壳提体，塔板，气体人口管，裙座，出料管等。二、塔体

24、的主要尺寸（1）塔顶空间高度塔顶空间高度的作用是安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，减少塔顶出口气体中液滴夹带，必要时还可节省泡沫装置。塔顶空间高度一般取1.0-1.5m，塔径大时可适当增大。（2）塔板间距塔板间距的大小于液汽和雾沫夹带有密切关系。板间距大，可允许气流速度较高，塔径可小些；反之，所需的塔径就要增大。一般来说，取较大的板间距对提高操作弹性有利，安装检修方便，但会增加塔的造价，因此，应适当选择。本设计取=400mm.(3 开有人孔的板间距人孔直径一般为450-550mm。凡设有人孔的上下两塔板间的间距应大于或等于600mm，人孔数目S是根据物料清洁程度和塔板安装方便而

25、确定。对于易结垢，结焦的物料，因需经常清洗，每隔4-6块塔板就要开一个人孔；对于无需经常清洗的清洁物料可每隔8-10块板设置一个人孔；若塔板上下都可拆卸，可隔15块板设置一个人孔。（4）进料板空间高度进料段空间高度取决于进料口的结构型式和物料状况，一般比大，有时要大一倍。为了防止进料直冲塔板，常在进料口处考虑安装防冲实施，如防冲板，入口堰，缓冲管等，应保证这些实施的安装。（5）塔底空间高度塔底空间高度具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有10-15min的储量，以保证塔底料液不致于排完。若塔的进料设有缓冲时间的容量，则塔底容量可较小。对于塔底产量大的塔，塔底容量也可取小些，有时仅取3-5m

26、in的储量。对于易结焦物料，塔底停留时间则应按工艺要求而定，值可按储量和塔径计算。（6）塔体总高度由下式计算：式中：-塔顶空间高度，mm-塔板间距，mm-开有人孔的塔板间距，mm-进料段空间高度，mm-塔底空间高度，mmN实际塔板数；S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间人孔）本设计的塔体总高：H=18800mm。三、塔板结构塔板在结构方面要求有一定的刚度，维持板的水平，塔板之间应有一定的密封性，以避免气体，液体走短路，塔板适应方便安装或拆卸等。当塔径在700mm-800mm之间，属于小塔，可采用整块式塔板，本设计采用单流塔板。整块式塔的塔体分成若干段塔节，塔节与塔节之间用法兰连接。每个塔节中安

27、装若干块叠置起来的塔板。塔板与塔板之间一段管子支承，并保持所需要的板间距。（1）结构型号塔板结构由整块式塔板，塔板圈和带溢流堰的降液管组成。塔板圈的高度一般取70mm，但不得底于溢流堰的高度。塔板圈与塔体内壁的间隙，一般为10-12mm。填料支承圈用8-10mm圆刚做成，其焊接位置随填料层数而异，一般可取30-40mm。（2）降液装置本设计采用弓形降液管和溢流堰的结构，在最下层塔板的降液管的末端设有液封槽。（3）密封结构在整块式塔板结构中，为了便于往塔节筒体内安装塔板，塔板于塔壁间需有一定的间隙，为了防止气体由此处通过，必须将此间隙密封起来。选用压圈的型号为6682mm。每个塔板上所需的螺柱数

28、量于塔板数相同。螺柱布置应尽量均匀，并应避开降液管。（4）定距管支承结构定距管支承结构是先将3-4个支座焊在塔壁上，用定距管和拉杆把塔板紧固在塔体上，定距管除了支承塔板外，并起保持塔板间距的作用。本设计采用焊接的支座。（5）塔板吊耳为了便于在塔节内装拆塔板，常在塔板上焊上两个吊耳。（6）塔节长度当塔径大于或等于800mm时，人可以进入筒体内安装，但在采用定距管的支承结构中，由于受到拉杆长度限制，为避免安装困难，一般每个塔节的塔板的塔数不希望超过5-6块，故塔节长度L以不超过2000-2500mm为宜。第三章 数据总表项目指标塔径，mm1000设计压力atm常压塔板型式单流浮阀板摩尔组成塔顶0.83理论板数17块进料0.1965实际板数36块塔底0.10进料位置第34块板间距400mm平均分子量塔顶（）41.3015密度精馏段0.7678塔底（）20.825887进料（）23.532提馏段0.7578955.5精馏段（）32.4168加热蒸汽用量（kg/h）1732.2631提馏段（）22.1785冷却水用量（kg/h）19834.5676全塔26.3115精馏段停留时间36.4175s提馏段停留时间10.2132s回流比1.3116溢流堰长700R