[工学]乙醇-水筛板精馏塔设计

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。工学乙醇-水筛板精馏塔设计精馏塔的物料衡算武汉工程大学课程设计说明书设计题目：乙醇水混合液的筛板精馏塔设计学 号： 学生姓名： 专业班级： 09级药物制剂01班 指导教师： 孙安琪 总评成绩： 2012 年 6 月 18日4444目 录目 录i摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题背景11.2 操作流程11.3课题条件2第二章 精馏塔的物料衡算42.1原料液及塔顶塔釜产品的摩尔分率42.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量42.3物料衡算4第三章 塔板数的确定53.1理论板层数的求取53

2、.2实际板层数的求取7第四章 精馏塔的工艺条件计算84.1操作压力及温度计算84.2平均摩尔质量及密度计算84.3液体平均表面张力及粘度计算10第五章 精馏塔的塔体工艺尺寸计算135.1塔径的计算135.2精馏塔有效高度的计算14第六章 塔板主要工艺尺寸的计算156.1溢流装置计算156.2塔板布置17第七章 筛板的流体力学验算197.1塔板压降197.2液面落差217.3液沫夹带217.4漏液227.5液泛22第八章 塔板负荷性能图248.1漏液线248.2液沫夹带线258.3液相负荷下限线268.4液相负荷上限线278.5液泛线27第九章 精馏塔各接管尺寸的计算319.1接管319.2塔体

3、总高度32第十章 辅助设备3510.1全凝器3510.2再沸器3510.3原料预热器36计算结果一览表37主要符号说明38总结40致谢41参考文献42摘 要乙醇-水是工业上最常用的溶剂，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，而被广泛用于化工、日化、医药等行业，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，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必要的。本次设计是针对乙醇-水体系而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。本次设计对筛板塔的

4、工艺过程和结构进行了比较全面的设计，并对其他辅助设备如冷凝器、泵的选型进行了计算。通过本次对筛板精馏塔的设计，使我们初步掌握化工设计的基本原理和方法，培养了我们的独立思考，实事求是，综合运用所学知识解决实际问题的能力。关键词：乙醇-水；筛板精馏塔；工艺流程；操作条件AbstractEthanol - water is the most widely used industrial solvent, is also very important chemical raw materials, is a colorless, non-toxic, no carcinogenicity, pollu

5、tion and corrosion of liquid mixtures. Due to its excellent physical and chemical properties, and is widely used in chemical industry, daily chemical, pharmaceutical and other industries, long-term since, ethanol in distillation production, but as a result of ethanol - water system with azeotropic p

6、henomenon, ordinary distillation for high purity ethanol, yield is not good, because the more commonly used for its water solution, so the research and improvement of ethanol-water distillation equipment is very necessary.This design is against ethanol - water system and atmospheric pressure two yua

7、n of sieve plate distillation tower design and its auxiliary equipment selection. The design of sieve plate his process and the structure was compared with the overall design, and other auxiliary equipment, such as the condenser pump selection were calculated. By the time of sieve plate distillation

8、 column design. Make us grasp the chemical design of the basic principles and methods, cultivate our independent thinking, seek truth from facts, comprehensive use of the knowledge and the ability to solve practical problems.Keywords：Ethanol-water；Screen panel of the column；process；Operating conditi

9、ons第一章 绪论1.1课题背景精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域，并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是筛板塔。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足

10、够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法1.2 操作流程本次课程设计是分离乙醇水二元物系。乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔

11、进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。 1.筛板塔的操作弹性小，对物料的流量要求非常平稳精确，不利于实际生产中使用。 2. 筛板塔盘较浮阀塔盘的优点是结构简单抗堵，压降较小，造价便宜。 3. 筛板塔盘现在很少用了，比浮阀塔的效率低，操作弹性小。4. 筛板塔盘也有溢流堰和降液管。优点是结构简单，压降较小，造价便宜，抗堵性强。工科大学生应具有较高的综合能力，解决实际生产问题的能力，课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会，我们应充分利用这样的时机认真去对待每一项任务，为将来打下一个稳固的基础。而先

12、进的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是我们所应坚持的设计方向和追求的目标。1.3课题条件一常压操作的连续板式精馏塔（自选塔板类型）内分离乙醇-水混合物，间接蒸汽加热，生产时间为300天/年，每天24小时，产品的质量要求见下表表1-1 产品质量要求处理能力/t·a-1乙醇的组成（质量分数）/%原料塔顶产品塔底产品5000040881操作条件：1.塔顶压力：4KPa（表压）；2.进料热状态：自选；3.回流比：自选；4.单板压降：0.7 KPa；5.全塔效率：0.52设计任务1.全塔物料衡算，操作回流比和理论板数的确定2.计算精馏段、提馏段的塔板效率，确定实际塔板数3.估算塔径4.

13、板式塔的工艺尺寸计算，包括溢流装置与塔板的设计计算5.塔板的流体力学性能的校核，包括板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液以及液泛的校核6.绘制塔板的负荷性能图，塔板的负荷性能图由液相负荷下限线，液相负荷上限线，漏液线，液沫夹带线和溢流液泛线的确定7.塔的结构确定，包括塔体结构与塔板结构8.塔体结构：塔顶空间，塔底空间，人孔（手孔）、支座、封头、塔高等9.塔板结构：采用分块式塔板还是整块式塔板；10.塔的附属设备选型，包括塔顶冷凝器，原料预热器的换热面积与泵的选型11.精馏塔各接管尺寸的确定12.绘制精馏塔装配图13.绘制精馏系统工艺流程图14.编写设计说明书：要求逻辑清晰，层次分明，书写工整，独

14、立完成15.撰写中英文摘要第二章 精馏塔的物料衡算2.1原料液及塔顶塔釜产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 l 2.3物料衡算原料处理量 总物料衡算 乙醇物料衡算 联立解得 第三章 塔板数的确定3.1理论板层数的求取乙醇-水属理想物系，可采用图解法求理论板层数。查手册得乙醇-水物系的气液平衡数据，绘出x-y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3-1中对角线上，自点作垂线即为进料线， 图3-1 乙醇-水物系的气液平衡图该点与平衡线的交点坐标为 故最小回流比为取操作回流比为求精馏塔的气液相负荷求操作线方程精馏段操作线方程为提

15、馏段操作线方程图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如图3-2所示。求解结果为图3-2 图解法求理论板数总理论板层数 进料板位置 3.2实际板层数的求取精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 第四章 精馏塔的工艺条件计算4.1操作压力及温度计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 塔釜操作压力 提馏段平均压力 依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇，水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 塔釜温度 进料板温度 精馏段平均温度 提镏段平均温度 4.2平均摩尔质量及密度计算塔顶平均摩尔质量计算由,见图3-2得进料板平均摩尔质量计算由

16、图解理论板，见图3-2得查平衡曲线，图3-2得精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量塔釜平均摩尔质量计算由,查平均曲线，见图3-2得气相平均密度的计算由理想气体状态方程计算，即精馏段提溜段液相平均密度的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 进料板液相平均密度的计算由 进料板液相的质量分率精馏段液相平均密度为塔釜液相密度的计算由查手册得 提馏段液相平均密度为 4.3液体平均表面张力及粘度计算液体平均表面张力依下式计算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提馏段液相平均表

17、面张力液相平均粘度依下式计算塔顶液相平均粘度的计算由 ，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第五章 精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1塔径的计算精馏段的气液相体积流率为精馏段的气液相体积流率为由式中C由公式计算，其中的C20由图5-1查取，图的横坐标为取板间距，板上液层高度，则图5-1斯密斯关联图取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为塔截面积为实际空塔气速为5.2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在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精馏段有效高度为第六章 塔板主要工

18、艺尺寸的计算6.1溢流装置计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长取溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度为图6-1液流收缩系数计算图近似取，则精馏段 取板上清夜层高度 故提镏段 故弓形降液管高度和截面积图6-2 弓形降液管参数图 由查图6-2 故验算液体在降液管中的停留时间降液管合理故液管合理。降液管底隙高度精馏段取提馏段取则 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液面，深度。6.2塔板布置塔板的分块因.故塔板采用分块式。查表得塔板分为3块。边缘区宽度确定取，开孔区面积计算开孔区面积其中故筛孔计算以及排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角

19、形排列，取孔中心距为筛孔数目为开孔率为精馏段气体通过孔阀的气速为提溜段气体通过孔阀的气速为第七章 筛板的流体力学验算7.1塔板压降干板阻力计算精馏段 图7-1塔板孔流系数 由 ，查图7-1，得故 m液柱提馏段由 ，查图7-1，得故 气体通过液层的阻力的计算精馏段 图7-2 充气系数关联图 查图7-2，得故液柱提馏段查图7-2，故液体表面张力的阻力计算精馏段液体表面张力产生的阻力由下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）提馏段液体表面张力产生的阻力由下式计算，即液柱气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的

20、压降为 （设计允许值）7.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。7.3液沫夹带液沫夹带量由式5-24计算，即 精馏段 故 液/气<液/气提镏段 液/气<液/气故在本设计总液沫夹带量在允许范围内。7.4漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即精馏段为 实际孔速稳定系数为 故在本设计精馏段中无明显漏液。提馏段为 实际孔速稳定系数为 故在本设计提馏段中无明显漏液。7.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从如下关系，即 乙醇-水物系取，则精馏段 提镏段 而 板上不设进口堰，可由下式计算，即精馏段液柱液柱 提镏段 故在本设计中不会发生

21、液泛现象。第八章 塔板负荷性能图8.1漏液线精馏段 整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表表8-1 精馏段漏液线数据0.00060.00240.00420.0060.20430.24740.27530.2973由上表数据即可作出漏液线提馏段 整理得 在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果于下表表8-2 提馏段漏液线数据0.00060.00240.00420.0060.45780.48850.51040.5285由上表数据即可作出漏液线8.2液沫夹带线精馏段以为限，求关系如下：由 故 整理得 在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS,计算结果列

22、于下表表8-3 精馏段液沫夹带线数据0.00060.00240.00420.0061.40981.28211.18621.103由上表数据即可作出液沫夹带线提馏段在操作范围内，任取几个值，依上式计算出,计算结果列于下表表8-4 提馏段液沫夹带线数据0.00060.00240.00420.0061.2021.1001.0240.9588.3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精馏段 取,则 据此可作出气体流量无关的垂直液相负荷下限线8.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限 精馏段 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线8.5液泛线令 由 联立得 忽略将

23、的关系式代入上式，并整理得 精馏段式中 将有关数据代入，得 故 在操作范围内，任取几个，依上式计算出值，计算结果列于下表表8-5 精馏段液泛线数据0.00060.00240.00420.0061.91451.17961.61031.3519提馏段式中 故 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表表8-6 提馏段液泛线数据0.00060.00240.00420.0062.36992.27822.19262.1005根据以上各线方程，可作出筛板塔提馏段的负荷性能图，如图8-7所示图8-7 精馏段负荷性能图在负荷性能图上，作出操作线点,连接即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限

24、为液泛控制，下限为漏液控制。由图8-7查的 故操作弹性为 图8-8 提馏段负荷性能图 故操作弹性为第九章 精馏塔各接管尺寸的计算9.1接管塔顶蒸汽出口管径蒸汽出口管中的允许气速应不产生过大的压降，其值可参照表9-1表9-1 蒸汽出口管中允许气速参照表操作压力（绝压）常压14006000Pa>6000Pa蒸汽速度/m/s122030505070因，故取出口气速，故查表取回流液管径冷凝器安装在塔顶时，冷凝器靠重力回流，一般流速为0.20.5m/s，速度太大，冷凝器的高度也相应增加。用泵回流时，速度可取1.52.5m/s。故取，则而 则 查标准系列取进料管径料液由高位槽进塔时，料液流速取0.4

25、0.8m/s。由泵输送时，流速1.52.5m/s，采用直管出料管。 取，则 而 则 查标准系列取釜液排除管径釜液流出的速度一般取0.51.0m/s取，则而 则 9.2塔体总高度 塔式板的塔高如图所示，塔体总高度（不包括裙座）由下式决定：式中塔顶空间，；塔底空间，；塔板间距，； 开有人孔的塔板间距，；进料段高度，；人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。进料板数封头高度裙座高度塔顶空间塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常应大于板间距，通常取为（1.52.0）。若图塔高示意图需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间。即人孔

26、数目 人口数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可每隔68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46块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450600mm，其伸出塔体的筒体长为200250mm，人孔中心距操作平台约8001200mm。设人孔处的板间距等于或大于600mm。塔底空间 塔底空间指塔内最下层塔板到塔底的间距。其值视具体情况而定：当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取35分钟，否则需有1015分钟的储量，以保证塔底料液不致留空。塔底产品量大时，塔底容量可取小些，停留时间可取35分钟；对易结焦的的物料，停留时间应更短些，

27、一般取11.5分钟。进料板空间1.2m筒体（JB/T 4735-1997钢炼焊接常压容器）工作压力为0.10.2MPa，塔径D=1m，设计压力Pc=0.2MPa，壁厚计算公式其中塔径，mm设计压力，MPa焊接接头系数腐蚀余量，mm封头本设计采用椭圆型封头，由于公称直径1m，查的曲面高度，厚度，直边高度，内表面经，容积，选用封头 JB1154-73.裙座的相其中取基础环的内外径与裙座截面内径的差为200mm考虑再沸器，裙座高度为13m。吊柱设计对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设计吊住，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊住。本设计中塔高度大，

28、因此设计塔径，可选用吊住。，。材料为A3。第十章 辅助设备 10.1全凝器 全凝器的热负荷 式中，塔顶上升蒸汽摩尔流率，kmol/h 冷凝器的热负荷kJ/h 分别为乙醇、水的气化热 出料液温度：(饱和蒸汽）(饱和液体） 以循环水为冷却介质，冷却水入口温度,出口温度 温度推动力： 由于是低粘度有机物和水的混合液，取总传热系数则 传热面积 代入数据 选型10.2再沸器再沸器的热负荷 式中，塔釜蒸汽摩尔流率， 再沸器的热负荷 分别为乙醇、水的气化潜热出料液温度：（饱和液体）（饱和蒸汽） 温度推动力： 由于是低粘度有机物和水的混合液，取总传热系数则传热面积: 设备选型10.3原料预热器原料预热温度：2

29、583.10采用130过热饱和蒸汽加热平均温度：平均温度下查表得 取总传热系数：由： 得： 换热面积选型计算结果一览表项 目符 号单 位计 算 数 据精馏段提馏段各段平均压强1098.45（绝压）119.30（绝压）各段平均温度80.8091.18平均流量液相0.00080.0023气相1.19981.1225实际塔板数块176板间距m0.40.4塔的有效高度Zm9.42.0塔径Dm11空塔气速um/s1.5821.582塔板溢流型式单溢流弓形降液管 分块式塔板溢流装置溢流管型式弓型堰高mm52.7145.30堰长m0.70.7溢流堰宽度m0.150.15板上清液层高度mm6060孔径mm55

30、孔间距tmm120120筛孔数目n个23972397开孔面积0.4670.467开孔率%10.110.1塔板压降682.615694.112降液管面积0.050880.05088液体在降液管停留时间s44降液管内清液层高度mm6060液相负荷下限线0.0005970.000597液相负荷上限线0.007690.00769操作弹性2.253.40主要符号说明符号意义SI单位F进料流量kmol/hD塔顶产品流量kmol/hW塔釜产品流量kmol/hx进料组成无因次V上升蒸汽流量kmol/sL下降液体流量kmol/s粘度mPa·s板效率无因次P压强Pat温度；R回流比无因次N塔板数无因次q

31、进料状况参数无因次M分子量kg/kmol；C操作物系的负荷因子m/s密度kg/m3；表面张力mN/m；u空塔气速m/s；HT板间距m；hL板上液层高m；降液管低隙高度m停留时间SD塔径m；AT塔截面积m2；Af弓形降液管面积m2；g重力加速度N/kgWd弓型降液管宽度m；uo阀孔气速m/s；Z塔高m；Aa鼓泡区面积m2；开孔率无因次压降Pa孔速m/s；n开孔数无因次F0动能因子无因次阻力因子无因次hW溢流高度m；堰上液层高度m；泛点率无因次L V料液的体积流率D进料管的直径m塔底空间高度m裙座高度m加料板及人孔所在板增加高度m塔顶空间高度m总结化工原理课程设计是一个综合性和实践性很强的学习环节，是理论联系实际的桥梁，同时也是我们在学习化工设计基础只是过程的初次尝试。本次课程设计要求我们综合运用基础知识，独立思考。要做好课程设计，不仅要了解工程设计的基本内容，掌握设计的