乙醇与水精馏塔设计论文

食品工程综合实习报告题目年产7.3万吨乙醇—水精馏塔设计姓名学号专业班级指导教师二〇一三年六月目录综合实习课题—课程设计任务3设计简介4第3章 筛板精馏塔设计方案的确定及计算53.1 物料衡算53.2 塔板数的确定53.3 精馏段的工艺条件及有关物性数据的计算63.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算83.5 塔板主要工艺尺寸的计算93.6 筛板的流体力学验算113.7 塔板负荷性能图133.8设计结果概要或设计一览表17第4章 辅助设备的计算及选型18第5章 对本设计的评述21第6章 参考文献22第7章 符号说明233.2塔板数的确定1）理论塔板层数的求取乙醇—水属理想物系，可采用图解法求理论塔板数层数。①由手册查的乙醇—水物系的气液平衡数据，绘出x—y图。②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（0.0653,0.0653）作垂线ef即为进料线（q线）。该线与平衡线的交点坐标为，故最小回流比为取最小操作回流比为③求精馏塔的气，液相负荷。④求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为⑤图解法求理论塔板数层数采用图解法求理论板层数，求解结果为总理论板层数为进料板位置实际板层数的求取精馏段实际板层数提馏段实际板层数3.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算操作压力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操作温度的计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇，水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程如下：乙醇的安托尼方程：水的安托尼方程：式中的单位为KPa,t的单位为①.塔顶温度塔顶几乎是纯的乙醇,由操作压力.根据乙醇的安托尼方程,求得设,则由安托尼方程求出由泡点方程(其中称为气液平衡常数.对于理想溶液,,当已知液相组成求平衡温度(泡点)时,因为与其平衡的气相中各组分摩尔分数之和等于1,故有)所以②.进料温度:泡点进料先设泡点由安托尼方程求出由泡点方程同理时则精馏段的平均温度平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量的计算由查平衡曲线得（2）进料板平均摩尔质量计算由图解理论板,得查平衡曲线得（3）精馏段的平均摩尔质量平均密度的计算（1).精馏段气相平均密度计算，由理想气体状态方程计算,即（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,查手册得进料板液相平均密度的计算由,查手册得进料板液相的质量分率平均密度：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进料板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为液体平均黏度的计算液体平均黏度依下式计算，即塔顶液相平均黏度的计算由,查手册得进料板液相平均黏度的计算由,查手册得精馏段液相平均黏度为3.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算塔径的计算精馏段的气液相体积流率为由式中C由《化工原理课程设计》式5-5计算，其中的由《化工原理课程设计》图5-1查取，图的横坐标为取板间距，板上液层高度，则查设计书图5-1得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为.塔的截面积为则实际的空塔气速为m/s精馏段的有效高度的计算在进料口板上方和第七层开人孔，其高度为0.8m精馏段有效高度提馏段有效高度精馏塔有效高度3.5塔板主要工艺尺寸的计算溢流装置的计算因塔径,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘,计算如下:（1）堰长取（2).溢流堰高度由选用平直堰,堰上液层高度由设计书式5-7得近似取,则取板上清液层高度故（3).弓形降液管宽度和截面积由查《化工原理课程设计》图5-7,得故依《化工原理课程设计》式5-9验算液体在降液管中停留时间,即故降液管设计合理..降液管底隙高度取则合理选用凹形受液盘,深度踏板布置（1）塔板的分块因,故塔板采用分块式,查设计书表5-3,塔板分为3块（2).边缘区宽度确定取（3).开孔区面积计算开孔区面积按设计书式5-12计算,即其中故（4).筛孔计算及其排列实验目的是分离乙醇和水,可选用钢板,取筛孔直径.筛孔按正三角形排列,取孔中心距筛孔数目n为开孔率为气体通过阀孔的气速为3.6筛板的流体力学验算塔板压降（1）干板阻力计算干板阻力由式5-19计算,即由查《化工原理课程设计》图5-10得,精馏段干板阻力液柱（2）气体通体液层的阻力计算精馏段气体通过液层的阻力由《化工原理课程设计》式5-20计算,即查《化工原理课程设计》图5-11得故液柱（3）液体表面张力的阻力计算精馏段液体表面张力所产生的阻力由《化工原理课程设计》式5-23计算,即液柱气体通过每层塔板的液相高度可按下式计算,即液柱气体通过每层塔板的压降为对于筛板塔,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.液沫夹带液沫夹带量由式5-24计算,即精馏段液沫夹带量kg液/kg气<0.1kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量在允许范围内.漏液对筛板塔,漏液点气速可由《化工原理课程设计》式5-25计算,即实际气速稳定系数为故在本设计中无明显漏液.液泛为防止塔内发生液泛,降液管内液层高应服从《化工原理课程设计》式5-32的关系,即乙醇-水物系属一般物系,取,则而板上不设进口堰,可由《化工原理课程设计》式5-30计算,即液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象.3.7塔板负荷性能图1）漏液线由;;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0.00060.00150.00300.00450.5930.6240.6610.689由上表数据即可作出漏液线1.液沫夹带线以kg液/kg气为限,求关系如下由;;;故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0.00060.00150.00300.00451.1561.0991.0260.964由上表数据即可作出液沫夹带线2.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,由式5-7得取,则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3.液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限,由式5-9得故据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4.液泛线令由；；；联立得忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得式中将数据代入，得故在操作范围内,任取几个值,依上式计算出值,计算结果列于下表0.00060.00150.00300.00452.52.32.11.9由上表数据即可作出液泛线5.在精馏段负荷性能上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由附图2可以看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得则操作弹性为3.8设计结果概要或设计一览表序号项目（精馏段）数值1平均温度91.32平均压力107.63气相流量1.1164液相流量0.00095实际塔板数256有效段高度107塔径，18板间距，0.409溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，0.6612堰高，0.041813板上液层高度，0.0514堰上液层高度，0.008215降液管底隙高度，0.01916安定区宽度，0.06517边缘区宽度，0.03518开孔区面积，0.53219筛孔直径，0.00420孔中心距，0.01021开孔率，%14.522空塔气速，1.42223筛孔气速，14.4824稳定系数2.14825每层塔板压降，50226负荷上限液泛控制27负荷下限漏液控制28液沫夹带0.059929气相负荷上限，2.330气相负荷下限，0.59531操作弹性3.8664辅助设备的计算及选型4.1塔顶回流冷凝器有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为

本设计取

出料液温度：78.173℃（饱和气）78.173℃（饱和液）

冷却水温度：20℃35℃

逆流操作：

传热面积：

设备型号：G500I—16—404.2釜底再沸器选用120℃饱和水蒸气加热，传热系数取

料液温度：99.815℃100℃，热流体温度：120℃120℃

逆流操作：

换热面积：

设备型号：G·CH800—6—704.3接管

(1)进料管

进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管。管径计算如下：

=60mm

查标准系列选取

(2)回流管

采用直管回流管，取

查表取

(3)塔釜出料管

取，直管出料，

查表取

(4)塔顶蒸气出料管

直管出气，取出口气速

查表取

(5)塔釜进气管

采用直管，取气速

查表取

(6)法兰

由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。

①进料管接管法兰：Pg6Dg70HG5010-58

②回流管接管法兰：Pg6Dg50HG5010-58

③塔釜出料管法兰：Pg6Dg80HG5010-58

④塔顶蒸气管法兰：Pg6Dg500HG5010-58

⑤塔釜蒸气进气法兰：Pg6Dg500HG5010-58

4.4筒体与封头

（1）筒体

壁厚选6mm，所用材质为A3

（2）封头

封头分为椭圆形封头、碟形封头等几种，本设计采用椭圆形封头，由公称直径，查得曲面高度，直边高度，内表面积，容积。选用封头Dg1800×6,JB1154-73

4.5除沫器

当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器以及程流除沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大、重量轻、空隙大及使用方便等优点。

设计气速选取：

除沫器直径：

选取不锈钢除沫器：类型：标准型，规格：40-100，材料：不锈钢丝（1Gr18Ni9）,丝网尺寸：圆丝

4.6吊柱

对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，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以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径，可选用吊柱500kg。，，。材料为A3。

4.7人孔

人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难于达到要求，一般每隔10~20块塔板才设一个人孔，本塔中共25块板，需设置3个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为400mm，裙座上应开2个人孔，直径为450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。4.8塔总体高度的设计塔的顶部空间高度

塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板的距离为600mm，塔顶部空间高度为1200mm。

2）塔的底部空间高度

塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5min。

3）塔体高度

4对本设计的评述本设计是前人科学成果以及经验公式的前提下进行设计的,并且参考资料中有完全相同的类型的设计同计算,所以计算过程上不会出现太大的公式选择错误.而且在反复的设计过程中,也对公式应用也有了比较大理解和进步.本设计在理论塔板的确定上采用图解法,因为其简单而且明了,全塔效率采用前人经验公式,在选择回流比的时候采用了试差法,先计算出几种回流比下的总花费,然后再确定最佳回流比.经过计算发现塔顶的塔径是最大的,这主要是在同样的摩尔流量下,塔顶无论气相还是液相密度都比较小(乙醇比较含量高).所以造成在塔顶的气液相负荷都很高.换热器的传热速率取值较高,但合理.因为现代科学发展有很多精细化学品能处理污垢问题.所以稍稍取大点不影响实际应用结果.对于塔板负荷性能图,操作线比较陡,主要是因为回流比比较小,所以较小的液相流量变化就会引起较大的气相流量变化.液泛线比较低但这是物性自身与塔径共同决定的,与塔板本身无关.所以综上所述.我认为本次设计算得上一个成功的课程设计.通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。并且对以前学习化工原理的枯燥感有了新的认识.5参考文献王国胜主编，化工原理课程设计（第二版），大连理工大学出版社，2006夏清、陈常贵主编，姚玉英主审，（上册）化工原理,天津大学出版社，2005，1中国石化集团上海工程有限公司编，化工工艺设计手册（上、下册）.北京：化学工业出版社.时均，汪家鼎，陈敏恒等,化学工程手册（上、下卷）.北京：化学工业出版社.王志祥，制药化工原理.北京：化学工业出版社.华南理工大学化工原理教研组，化工过程及设备设计,华南理工大学出版社.1995化工设备的选择与工艺设计，中南工业大学出版社.1992丛德滋等,化工原理详解与应用,化学工业出版社.2002，7,151-158J.D.Seader,ErnestJ.HenleySeparationProcessPrinciples2002,6汤善甫、朱思明等，化工设备机械基础，华东化工学院出版社，1991各类化学工程学报、期刊、化工设备手册及其化工机械设备产品广告6符号说明Ap——塔板鼓泡区面积，m2；Af ——降液管截面积，m2；A0——筛孔面积，m2；AT ——塔截面积，m2；C ——负荷系数，无因次；C20 ——20dyn/cm时的负荷系数，无因次Cf——泛点负荷系数，无因次；Cp——比热，kJ/kg&S226;K；d0 ——筛孔直径，m；D——塔径，m；D ——塔顶产品流量，kmol/h或kg/h；eV ——雾沫夹带量，kg(液)/kg(气)；E ——液流收缩系数，无因次ET——总板效率或全塔效率，无因次；F ——原料流量，kmol/h或kg/h；g ——重力加速度，m/s2；hd ——干板压降，m；hd ——液体通过降液管的压降，m；ht ——气相通过塔板的压降，m；hf ——板上鼓泡层高度，m；hl ——板上液层的有效阻力，m；hL ——板上液层高度，m；h0 ——降液管底隙高度，m；h0w ——堰上液层高度，m；hp ——与单板压降相当的液柱高度，m；hW ——溢流堰高度，m；hσ ——与克服表面张力的压强降相当的液柱高度，m；Hd ——降液管内清液层高度，m；HT ——塔板间距，m；I ——物质的焓，kJ/kg；K ——稳定系数，无因次； ——堰长，m；LS ——塔内液体流量，m3/s；M ——分子量；n ——筛孔总数；NT ——理论板数；N ——实际板数；P ——操作压强，Pa；ΔP——单板压强，Pa；ΔPp ——通过一层塔板的压强降，Pa/层；Q ——热负荷，kJ/h；q ——进料热状况参数，无因次；QB——再沸器热负荷，kJ/h；QC ——全凝器热负荷，kJ/h