分离乙醇正丙醇混合液的精馏塔课程设计说明书

1、TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc7399 设计任务书 PAGEREF _Toc7399 2 HYPERLINK l _Toc8 两盘工艺设计 PAGEREF _Toc8 3 HYPERLINK l _Toc4007 (1) 设计方案的确定 PAGEREF _Toc4007 3 HYPERLINK l _Toc3122 (2)精馏塔 PAGEREF _Toc3122 3物料平衡 HYPERLINK l _Toc20748 1、原料液与塔顶、塔釜产品的摩尔分数 PAGEREF _Toc20748 3 HYPERLINK l _Toc23808 2. 物质平衡 PAGER

2、EF _Toc23808 4 HYPERLINK l _Toc28901 (3) 物理参数的计算 PAGEREF _Toc28901 4 HYPERLINK l _Toc14333 1. 工作温度的测定 PAGEREF _Toc14333 5 HYPERLINK l _Toc3709 2. 密度计算 PAGEREF _Toc3709 5 HYPERLINK l _Toc21525 3. 混合液体表面力的计算 PAGEREF _Toc21525 11 HYPERLINK l _Toc696 4. 混合物的粘度 PAGEREF _Toc696 12 HYPERLINK l _Toc10365 5.

3、 相对波动性 PAGEREF _Toc10365 14 HYPERLINK l _Toc21075 (4) 理论塔板数和实际塔板数的计算 PAGEREF _Toc21075 15 HYPERLINK l _Toc13009 1. 理论塔板数的测定 PAGEREF _Toc13009 15 HYPERLINK l _Toc10502 2.确定实际板数 PAGEREF _Toc10502 18 HYPERLINK l _Toc10829 (5) 热量平衡计算 PAGEREF _Toc10829 19 HYPERLINK l _Toc14836 一、加热介质的选择 PAGEREF _Toc14836

4、 19 HYPERLINK l _Toc21238 2.冷却液的选择： PAGEREF _Toc21238 19 HYPERLINK l _Toc26813 3. 比热容和汽化潜热的计算 PAGEREF _Toc26813 19 HYPERLINK l _Toc6898 (6)塔径 PAGEREF _Toc6898 25初步设计 HYPERLINK l _Toc10213 1. 汽液相体积流量的计算 PAGEREF _Toc10213 25 HYPERLINK l _Toc23492 2、塔径的计算与选择 PAGEREF _Toc23492 26 HYPERLINK l _Toc8111 (7

5、)溢流装置 PAGEREF _Toc8111 29 HYPERLINK l _Toc9800 1.堰长 PAGEREF _Toc9800 29 HYPERLINK l _Toc2208 2、弓形降液管的宽度和截面积 PAGEREF _Toc2208 30 HYPERLINK l _Toc30622 3. 下水管底部净空高度 PAGEREF _Toc30622 31 HYPERLINK l _Toc16195 四、板块分布 PAGEREF _Toc16195 31 HYPERLINK l _Toc26217 5、浮阀数量及布置 PAGEREF _Toc26217 32 HYPERLINK l _

6、Toc743 (8) 汽相通过浮阀塔板 PAGEREF _Toc743 35的压降 HYPERLINK l _Toc8042 1.整改第 PAGEREF _Toc8042 35条 HYPERLINK l _Toc15056 2、剥线段 PAGEREF _Toc15056 36 HYPERLINK l _Toc599 (9) 沉水塔 PAGEREF _Toc599 37 HYPERLINK l _Toc3336 1.整改第 PAGEREF _Toc3336 37条 HYPERLINK l _Toc32213 2. 剥线段 PAGEREF _Toc32213 38 HYPERLINK l _Toc

7、6847 (10) 雾气夹带 PAGEREF _Toc6847 38 HYPERLINK l _Toc20544 (11) 托盘装载性能图表 PAGEREF _Toc20544 40 HYPERLINK l _Toc15475 1. 雾气夹带线 PAGEREF _Toc15475 40 HYPERLINK l _Toc32102 2. 液体驱 PAGEREF _Toc32102 41号线 HYPERLINK l _Toc26333 3.液相负荷上限线 PAGEREF _Toc26333 43 HYPERLINK l _Toc11956 4.泄漏线 PAGEREF _Toc11956 43 HY

8、PERLINK l _Toc28389 5.液相负荷下限线 PAGEREF _Toc28389 44 HYPERLINK l _Toc14820 3、塔架总高度计算 PAGEREF _Toc14820 47 HYPERLINK l _Toc32292 1. 塔顶封头 PAGEREF _Toc32292 47 HYPERLINK l _Toc10718 2. 塔顶空间 PAGEREF _Toc10718 47 HYPERLINK l _Toc17582 3. 塔底空间 PAGEREF _Toc17582 48 HYPERLINK l _Toc17394 5、进料板间距为 PAGEREF _Toc

9、17394 48 HYPERLINK l _Toc6650 6.裙子 PAGEREF _Toc6650 48 HYPERLINK l _Toc5013 四、收购塔 PAGEREF _Toc5013 50 HYPERLINK l _Toc3609 1.进料管 PAGEREF _Toc3609 50 HYPERLINK l _Toc6466 2.回油管 PAGEREF _Toc6466 50 HYPERLINK l _Toc13726 3.底部排放管 PAGEREF _Toc13726 51 HYPERLINK l _Toc23857 4.顶部蒸汽排放管 PAGEREF _Toc23857 51

10、HYPERLINK l _Toc3566 5. 底部蒸汽管 PAGEREF _Toc3566 51 HYPERLINK l _Toc27910 5、塔的辅助设备设计 PAGEREF _Toc27910 52 HYPERLINK l _Toc1222 一、冷凝器 PAGEREF _Toc1222 52的选择 HYPERLINK l _Toc17310 2、53型再沸器的 PAGEREF _Toc17310 选择参考 。 . .54设计回顾 551.设计任务书乙醇-正丙醇混合物分离精馏塔设计【设计条件】进料：乙醇含量35 % （质量分数，下同），其余为正丙醇分离要求：塔顶乙醇含量90% ；塔底乙醇

11、含量 0.01%25000吨乙醇-正丙醇混合溶液，年工时7200小时操作条件：间接蒸汽加热；塔顶压力1.03atm（绝压） ；泡点进料； R=5设计计算托盘工艺设计(1) 设计方案的确定该设计的任务是分离乙醇-正丙醇混合物。对于二元混合物的分离，应使用连续蒸馏过程。(2)精馏塔物料平衡1、原料液和塔顶、塔釜产品的摩尔分数乙醇摩尔质量 M A =46kg/kmol摩尔质量的丙醇 MB=60kg/kmol粗乙醇的摩尔分数：塔顶产物的摩尔分数：塔内残留乙醇的摩尔分数：物质平衡原料处理能力：物料平衡： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 乙醇物质平衡： 两个公式结合起来：(3) 物理参数的

12、计算表1 乙醇-正丙醇混合物的txy关系（x代表液相中乙醇的摩尔分数，y代表气相中乙醇的摩尔分数）吨97.6093.8592.6691.6088.3286.2584.9884.1383.0680.5078.38X00.1260.1880.2100.3580.4610.5460.6000.6630.8841.0是00.2400.3180.3490.5500.6500.7110.7600.7990.9141.0表 1 中的平衡数据来自：J. Gmebling, U. onken Vapor-liquid Equilibrium Data Collection-Organic Hydroxy Com

13、pounds: Alcohols (p.336)。乙醇沸点：78.3；正丙醇的沸点：97.2C。1、工作温度的确定使用上表中的数据，通过数值插值法确定进料温度 t F 、顶部温度 t D 和塔底温度 t W进料温度：最高温度：塔釜温度：蒸馏段平均温度：汽提段平均温度：密度计算使用公式：计算混合液体的密度和混合气体的密度。(1) 塔顶：柱顶温度：t D =79.81气相组成 y D :喂养：进料温度：t F = 87.21C气相组成 y F :塔式水壶：柱温：t W =97.60气相组成 y W :(2) 精馏段平均液相组成：精馏段平均汽相组成：精馏段液相平均相对分子量：蒸馏气相的平均相对分子量

14、：(3) 汽提段平均液相组成汽提段的平均汽相组成：汽提段液相平均相对分子量：汽提汽相平均相对分子量：(4)进料、塔顶、塔釜的混合液密度表 2：不同温度下乙醇和正丙醇的密度温度/707580859095100乙醇748.87739.87735.87731.87728.87723.87715.87正丙醇762.56755.86750.86745.87740.87735.87730.87F 、塔顶温度 t D 和塔底温度 t W下乙醇和正丙醇的密度使用表 2 中的数据通过数值插值法确定。温度 t F : t F =87.21 塔顶温度t D ：t D =79.81塔釜温度t W ：t W =97.6

15、0(5) 精馏段液相平均密度和汽提段液相平均密度蒸馏段液相平均密度：汽提段液相平均密度：(6) 精馏段和汽提段混合物的平均摩尔质量塔顶混合物的平均摩尔质量：料液的平均摩尔质量：釜底残渣的平均摩尔质量：因此，精馏段混合物的平均摩尔质量为：汽提段混合物的平均摩尔质量：(7) 精馏段平均汽相密度和汽提段平均汽相密度塔顶混合液气相平均密度：进料液相和气相的平均密度：釜底残液汽相平均密度：所以，精馏段汽相平均密度：汽提段汽相平均密度：3、混合液表面力的计算表 3：乙醇和正丙醇在不同温度下的表面力温度/707580859095100乙醇18.217.917.417.016.416.115.7正丙醇19.8

16、19.518.918.518.117.617.2乙醇和正丙醇在进料温度 tF、塔顶温度 tD 和塔底温度 tW 下的表面力是使用表3中的数据通过数值插值法确定的。温度 t F : t F =87.21 塔顶温度t D ：t D =79.81塔釜温度t W ：t W =97.60(2) 汽提段和精馏段平均表面力整流段平均表面力：剥线段平均表面力：4.混合物的粘度表 4：乙醇和丙醇在不同温度下的粘度温度707580859095100乙醇0.510.4800.4260.4100.3700.3450.325正丙醇0.850.7500.6850.6400.5650.4950.460乙醇和正丙醇在进料温度

17、 tF、塔顶温度 tD 和塔底温度 tW 下的粘度使用表 4 中的数据使用数值插值法确定。(1) 混合液体粘度精馏段的平均温度为： , 在此温度下乙醇的粘度为：正丙醇的粘度为：蒸馏段混合物的粘度为：(2) 汽提段的平均温度为： , 在此温度下乙醇的粘度为：正丙醇的粘度为：汽提段混合物的粘度为：5. 相对波动，得到_，得到_，得到_蒸馏段的相对挥发性：精馏段气液平衡方程：剥离段的相对波动率：汽提段气液平衡方程：平均相对波动率(4)理论塔板数和实际塔板数的计算1、理论塔板数的测定设计条件确定回流比R=5，为泡点进料，q=1但，本设计采用图解法求解理论塔板数。根据表1中乙醇和正丙醇的气液平衡数据，绘

18、制xy图，如下图：操作线方程精馏段的工作线方程为：精馏段气液平衡方程：汽提段操作线方程为：汽提段气液平衡方程：采用逐板计算法计算理论板数采用逐板计算方法，Excel可以快速准确地计算出理论板数。其Excel表格设计原理如下：精馏段理论塔板数的计算（交替使用相平衡方程和精馏操作线方程）：相位平衡作业线 相位平衡作业线x D =y 1 x 1 y 2 x 2 y 3 x n计算到 xn xF，第 n 个板为进料板。汽提段理论塔板数的计算（交替使用相平衡方程和汽提操作线方程）：相位平衡作业线 相位平衡作业线x n y n x n+ 1 x N如果计算 xN xW，则理论塔板数为 N。Excel计算的

19、结果如表所示：x号x 的值y数y 的值评论x10.902215469y10.9423x20.844150444y20.905545486x30.772250282y30.85717732x40.689638204y40.797284485x50.602498702y50.728468624x60.518495095y60.655881419x70.444254842y70.585906414x80.383516719 0.413 _ _y80.524064284进料板x90.302848374y90.473469427x100.217263773y100.364905591x110.14625

20、1867y110.261776146x120.093654353y120.176206799x130.057881405y130.112826795x140.034940574y140.069720393x150.02077884y150.042076692x160.012241261y160.025011802x170.007167605y170.014724019x180.004178144y180.008610264x190.002425585y190.005007963x200.001401194y200.00289613x210.000803463y210.001661739x220

21、.000455039y220.000941472x230.000252059y230.000521622x240.000133851y240.000277031x256.50239E-05 0.00013y250.00013459塔式水壶由上表可知，全塔理论塔板数为块（含再沸器）进料板是第 8 个理论板。精馏段理论塔板数：块；汽提段理论塔板数：块2.确定实际板数蒸馏部分：已知： ,片剥离部分：已知： ,片整个塔所需的板是：整塔效率：实际进料板位置在第 15 个板上。(5) 热量平衡计算1、加热介质的选择常用的加热介质有饱和水蒸气和烟气。由于水蒸气清洁易获取、不易结垢、不腐蚀管道等优点，本设计采

22、用饱和水蒸气作为加热介质。饱和水蒸气压越高，冷凝温差越大，管侧相应减小，但压力不宜过高。冷却剂的选择：常用的冷却剂类型为水和空气，本设计以冷凝水为冷却剂。3、比热容和汽化潜热的计算表 5：乙醇和正丙醇在不同温度下的比热容温度60708090100乙醇 KJ/(Kg)3.073.253.483.693.89正丙醇 KJ/(Kg)2.8633.133.263.34乙醇和正丙醇在不同温度下的汽化温度708090100乙醇千焦/公斤810820.5840.8860.9丙醇千焦/公斤673690.5703.5745.5最高温度下的比热容 t D柱顶温度t D = 79.81，通过插值法计算出该温度下乙醇

23、和正丙醇的比热容。乙醇的比热容：正丙醇的比热容：t F下的比热容进料温度：t F = 87.21C乙醇的比热容：正丙醇的比热容：底部温度下的比热容t W柱温：t W =97.60乙醇的比热容：正丙醇的比热容：最高温度下的汽化潜热 t D插值法计算最高温度下的汽化潜热。乙醇的汽化潜热：正丙醇的汽化潜热：4.卡路里平衡(1) 0时从塔顶升起的热量Qv 塔顶以0为基准(2) 回流液热注：这是泡点回流。根据txy图可以查出此时成分下的泡点t D = 79.20图2：乙醇-正丙醇混合物的txy关系图在这个温度下，正丙醇的比热容：(3) 塔顶馏出物的热量因为蒸馏出口和回流口的组成是一样的，所以饲料热(5)

24、塔底残液的热量(6) 冷凝器消耗的热量(7) 再沸器提供的热量（全塔外壳热平衡公式）取塔釜热损失为 10%，则，再沸器的实际热负荷：计算：计算结果如下表所示：表 7：热平衡计算结果项目喂养冷凝器塔顶流出物底部流出物再沸器平均比热容183.92153.94199.26热1027019.646475638.45352361.09687478.887209348.64(6)塔径初步设计1. 汽液相体积流量计算(1) 整流段：已知： ,那么质量流量为：体积流量为：(2) 剥线段已知： ,那么质量流量为：体积流量为：2、塔径的计算和选择(1) 整流段使用；, Smith 相关图如图 3 所示。横坐标值：

25、取板间距： , ,查看图 3，我们可以看到：,塔径： ，按标准塔径：塔体截面积：塔的风速：(2) 剥线段横坐标值：取板间距： , ,查看图 3，我们可以看到：,塔径： ，按标准塔径：塔体截面积：塔的风速：(7)溢流装置1.堰长摘 要出水堰高度：本设计采用直堰，堰上高度按下式计算（因为溢出强度不是很大，所以溢出系数E=1是近似的）整改段堰高：剥离段堰高：2、弓形降液管的宽度和截面积降液管类型：由于塔径适中，流体流量适中，选用弓形降液管。图表：酒庄： ,检查下管停留时间：整改段(2) 剥线段3. 下水管底部净空高度(1)精馏段降液管底部间隙的流量剥离段4、板块分布塔径设计，正因如此，采用块式塔盘，

26、共4片。5、浮阀数量及排列方式(1) 整流段浮阀动能因数开孔速度：每个托盘上的浮阀数量：取边缘区域的宽度： ;泡沫区域的宽度：计算板上的气泡面积： ,在，插入数据，浮阀的布置采用等腰三角形叉排，取同一水平排的孔中心距。估计排列间距：考虑到塔的直径大，必须使用块式塔盘，而且每个块的支撑也会占据一部分鼓泡区域，所以布置间距不宜为95mm，而应更小，所以取，按, , , 绘制等腰三角形叉排（浮阀排列示意图略），排浮阀数量为 154 个。将孔口速度和阀门孔口动能因子重新计算一倍的动能因数变化不大，依然被包围。托盘开启率：(2) 剥线段取浮阀的动能因数开孔速度：每个托盘上的浮阀数量：浮阀的布置采用等腰三

27、角形叉排，取同一水平排的孔中心距。估计排列间距：因此，取、按、 ，画出等腰三角形叉形排列的示意图（浮阀排列示意图略），排列中浮阀的个数为154个。将孔口速度和阀门孔口动能因子重新计算一倍的动能因数变化不大，依然被包围。托盘开启率：(8) 汽相通过阀盘的压降气体通过塔板时，需要克服塔板本身的干板阻力、板上充气液层的阻力以及液体的表面力所产生的阻力。这些阻力形成托盘的压降。通过塔板的气体的压降P p可以由下式计算：式中hc气体通过塔板干板的压降对应的液柱高度，m液柱； h l 气体通过板上液层的压降对应的液柱高度，m液柱； h克服液体表面力的压降对应的液柱高度，m液柱。1、整改段(1) 干板电阻因

28、为_(2) 板上充气液体层的电阻取为 , , 则(3) 液体的表面力引起的阻力很小，通常可以忽略不计。流经塔板的气体压降对应的液柱高度为：2、剥线段(1) 干板电阻因为_(2) 板上充气液体层的电阻取为 , , 则由液体的表面力引起的阻力很小，通常可以忽略不计。流经塔板的气体压降对应的液柱高度为：(9) 进水塔中的透明液体层。1、整改段(1) 压降与通过塔板的单层气体压降相当的液柱(2) 液体通过塔板的压降对应的液柱高度(3) 板上液体层的高度，则take , 已被选中, , 然后可见，符合防淹塔的要求。2、剥线段(1) 压降与通过塔板的单层气体压降相当的液柱(2) 液体通过塔板的压降对应的液

29、柱高度(3) 板上液体层的高度，则take , 已被选中, , 然后可见，符合防淹塔的要求。(10) 雾气夹带(1) 整流段一般积分率：板上液流长度：板上液体蒸馏区：取物性系数、洪水点荷载系数替代数据：对于较大的塔，为避免过多的雾气夹带，应控制泛点率不超过80%。从以上计算结果可以看出，雾气夹带量可以满足要求。(2)。剥线段取物性系数、洪水点荷载系数一般积分率：(11) 托盘装载性能图1. 雾气夹带线一般积分率：根据上式，可制作负载性能图的雾气夹带线。按80%泛点率计算。(1) 整流段一般积分率：,由上式可知，雾气夹带线为直线，则可在操作圈内任意取值，即可计算(2) 剥线段一般积分率：取操作周

30、围的任何值。计算结果如下表所示：表 8：雾气夹带线计算结果整改段剥离段0.0022.110.0022.000.0061.940.0061.830.011.770.011.662. 液流线，根据此公式确定液泛线，忽略公式中（液面力引起的阻力）。在(1) 整流段安排：(2) 剥线段安排：表 9：液体驱计算结果整改段剥离段0.0012.8600.0012.7870.0022.7880.0022.7300.0032.7150.0032. 6790.0042.6380.0042. 6300.0052. 5520.0052. 5810.0072. 3480.0072. 4813.液相负荷上限线液体的最大流

31、速应保证降液管停留时间不小于。液体在降液管中的停留时间：取液体在降液管中停留时间的下限，则4、漏线对于重型阀门，作为指定最小负载的标准，则(1) 整流段(2) 剥线段5.液相负荷下限线以堰上液层高度作为液相荷载下限线的条件，画出液相荷载下限线，改为与流量无关的直线的气相。然后取 E=1.0从夹雾线、液泛线、液相负荷上限线、漏液线、液相负荷下限线，绘制出塔盘的负荷性能图，如图以下。图4：整流段负载性能图图 5：提升和保持部分的负载性能图从托盘加载性能图可以看出： 任务规定的气液载荷下的工作点（设计点）在适当的工作区处于适中位置；塔盘气液相负荷完全由引雾线控制，运行下限由漏液线控制；根据固定的气液

32、比，从图中可以看出：气相负荷上限，精馏段气相负荷下限气相负荷上限，汽提段气相负荷下限整流段的操作灵活性：剥离工段的操作灵活性：阀塔的设计计算结果总结如下表：阀塔设计计算结果汇总序列号项目计算数据评论整改段剥离段1塔径/米1.41.42板间距/米0.450.453托盘类型单溢流弓降液管分数托盘4风塔风速（m/s）0.8770.9015堰长/米0.910.916堰高/m0.0560.0517板高0.070.078下水管底部净空高度/m0.020.049浮阀数量/个154154等腰三角形叉排10阀孔气体流速（m/s）8.3407.93911孔口动力学因子9.6910.4612临界阀孔气速/(m/s)

33、7.7547.34713孔中心距/米0.0750.075同横排孔中心距14行距/米0.0950.091相邻横排中心距15单板压降/Pa578.92577.1316下管上清液层高/m0.15340.153117浮点率/%53.5160.1818气相负载上限2.102.00雾气夹带控制19气相负载下限0.700.66泄漏控制20运营灵活性3.003.033、塔的总高度计算塔的总高度使用以下公式计算：其中：n为实际板数； n F为进料盘数； H F为进料处板间距； n P为人孔数； H p为人孔处的板间距； ; H 1塔顶头部高度 H 2裙部高度。1. 塔顶头头部分为椭圆形、蝴蝶形头等。此设计使用椭圆形头部。从公称直径，查表得到面高、直边高度、表面积、体积。然后头高：2. 塔顶空间在设计中，取的是塔顶之间的距离。考虑安装除雾器的需要，塔顶空间为1.