乙醇及水的精馏塔设计

题目：乙醇-水精馏塔工艺设计与塔顶冷凝器选型设计专业：煤炭深加工与利用学生姓名：武婷学号:090010小组成员:郭泽红指导教师:完成日期:新疆工业高等专科学校教务处印制（乌鲁木齐市830091）化工原理课程设计任务书设计题目：乙醇——水连续精馏塔的设计设计人员所在班级成绩指导教师日期热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。2.1设计流程乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。摘要本设计是以乙醇――水物系为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离乙醇和水。筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系乙醇－－水的精馏问题进行分析，选取，计算，核算，绘图等，是较完整的精馏设计过程。通过计算得出xF=0.174,xD=0.86,xW=0.002,F=137.98kmol/h,实际板数为37块，工艺参数的选定泡点进料、泡点回流。回流比为2.78,进料位置为第11块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1米，有效塔高19.7米，。通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。本次设计过程正常，操作合适。关键词：乙醇，水，二元精馏，筛板连续精馏精馏塔，提馏段1塔的工艺计算查阅文献，整理有关物性数据表1-1年处理原料能力F=25000吨/年质量分数分子量1.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F：进料量（kmol/s）：原料组成（摩尔分数。下同）D：塔顶产品流量（kmol/s）：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s）：塔底组成根据公式：（1-1）原料液乙醇的摩尔组成==17.40%塔顶产品乙醇的摩尔组成==86%塔底残夜乙醇的摩尔组成==0.20%1.2平均摩尔质量根据公式可得：（1-2）原料液的平均摩尔质量：馏出液的平均摩尔质量：塔釜残液的平均摩尔量：1.3全塔物料衡算：进料量：F=25000吨/年=137.98kkmol/h全塔物料衡算式：F=D+W,F*=D*+W*解之得：D=27.68kmol/h，W=110.30kmol/s1．4回流比的确定1.4.1平均相对挥发度的计算由相平衡方程（1-3）得：（1-4）表1-2由常压下乙醇-水的平衡数据由道尔顿分压定律（1-5）得（1-6）将上表数据代入得：序号123453.68153.15692.72542.35012.1263序号6789101.91551.72281.54081.41961.3207则则平衡线方程1.4.2最小回流比的计算和适宜回流比的确定因为所以相平衡方程：泡点进料：最小回流比：任务要求操作回流比是最小回流比的1.6倍1.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定精馏段：（1-7）精馏段操作线方程：提馏段：（1-7）提馏段操作线方程：通过精馏段操作线方程和提馏段操作线方程用图解法所得理论塔板数为16块，其中第12块为进料板，精馏段的理论塔板数为12块。提馏段的理论塔板数为4块。得图如下：图1-1理论塔板数图解1.5精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定1.5.1全塔的相对平均挥发度的计算常压下乙醇和水的气液平衡数据表1—3乙醇—水系统t—x—y数据沸点t/℃乙醇摩尔数/%沸点t/℃乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41根据乙醇-水体系的相平衡数据可得：乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18(塔顶第一块板)(加料版)(塔底)由相平衡方程式（1-3）和（1-4）得由此式可求得精馏段的相对平均挥发度：提馏段的相对平均挥发度：精馏段的平均温度：提馏段的平均温度：表1-4乙醇和水的粘度温度（℃）2030405060708090100110水的粘度（）1.0020.8020.6620.5920.4690.4000.3300.3180.2480.259乙醇的粘度（）1.221.000.830.690.380.480.450.3510.3050.262在时，根据上图可知对应的，由《（液体粘度共线图）》查得在时，根据上图可知对应的，由《（液体粘度共线图）》查得()因为：粘度所以：精馏段的平均粘度：提馏段的平均粘度：用奥康奈尔法计算全塔效率得：精馏段的全塔效率：提馏段的全塔效率：3实际塔板数的计算根据公式：（1-8）得：精馏段的塔板数:取整25块，考虑安全系数加一块为26块提馏段的塔板数：取十块，考虑安全系数加一块为11块。故进料板为27块，实际塔板数37块。1.6精馏塔主体尺寸的确定1.6.1精馏段的气液体积流量精馏段的已知数据位置进料板塔顶第一块板摩尔分数摩尔质量/温度/液相平均摩尔质量：液相平均温度：在平均温度为时表1-5乙醇和水的密度温度（℃）2030405060708090100110乙醇的密度（）795785777765755746735730716703水的密度（）998.2995.7992.2998.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0用内插法求得：液相平均密度为：（1-9）其中，平均质量分数则：所以精馏段的液相负荷由所以：（1-10）精馏段塔顶压强若取单板压降为，则：进料板压强：气相平均压强：气相平均摩尔质量：气相平均密度：气相负荷：精馏段的负荷列于下表：名称气相液相平均摩尔质量/37.9433.02平均密度/1.493800体积流量/2487.6(0.691)3.18（0.000883）1.6.2提馏段的气液体积流量整理提馏段的已知数据列于下表:位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量()温度()99.383.61采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的气液相负荷，列于下表：名称液相气相平均摩尔质量()20.0526.18平均密度()924.54.43体积流量()4.59(0.001275)2976.6()1.7塔径的计算由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。由以上的计算结果可以得到：塔的平均蒸汽流量：塔的平均液相流量：塔的气相平均密度:由塔径公式（1-11）可知：由于示意的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。即（1-12）取塔板间距，板上液高度那么分离空间高度：气液动能参数：从《化工原理》的史密斯关联图查得：图1-2史密斯关联图表面张力：,因为,需先求平均表面张力表1-6乙醇和水的表面张力温度（℃）2030405060708090100110水的表面张力（）72.771.069.367.766.064.362.760.058.456.8乙醇的表面张力（）22.321.220.419.818.818.017.116.215.214.4根据上图使用内插法得：塔顶：塔顶平均表面张力：进料板进料板的平均表面张力：塔底塔底的平均表面张力：精馏段液体平均表面张力：提馏段液体平均表面张力：全塔液相平均表面张力：取空塔速率为最大允许速率的0.7倍，则空塔速率为：则塔径为：根据标准塔径圆整为：此时，精馏塔的上升蒸汽速度为：提馏段的上升蒸汽速度为：安全系数：和均在0.6-0.8之间，符合要求。1.8塔高的计算1.8.1塔的高度可以由下式计算:一直实际塔板数N=37块，板间距，由于料液较轻的话，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔数目S为：取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度：，那么全塔高度：1.8.2塔板结构尺寸的确定由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分。取无效边缘区宽度,泡沫区宽度查得堰长：弓形溢流管宽度:弓形降液管面积:降液管面积与塔截面积之比：堰长与塔径之比降液管的体积与液相流量之比，即液体在降液管中停留时间一般应大于5S,液体在精馏段降液管内的停留时间：符合要求液体在提馏段降液管内的停留时间：符合要求1.8.3弓形降液管采用平直堰，堰高—板上液层深度一般不宜超过60—70—堰上液流高度堰上液流高度可根据如下公式计算：E—液体的收缩系数—液相的体积流量—堰长精馏段：由查手册知则降液管底部离塔板距离,考虑液封取比小即同理提馏段:由查手册E=1.0381.8.4开孔面积的计算已知近取无效边缘区宽度泡沫区宽度阀孔总面积可由下式得：（1-13）所以（1）筛板的筛孔和开孔率因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用的碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角排列：图1-3筛孔的排列方式孔中心距筛孔数目：个开孔率：(在5-15%范围内)气体通过筛孔的气速为：（1-14）则精馏段：提馏段：1.9塔体的流体力学验算1.9.1气体通过塔板的压力降气体通过塔板的压力降（单板压降）（1-15）--气体通过每层塔板压降相当的液柱高度--气体通过筛板的干板压降--气体通过板上液层的阻力--克服液体表面张力的阻力（1）干板阻力干板压降，由此公式计算：（1-16）根据查干筛孔的流量系数图图1-4孔流系数得精馏段：液柱提馏段：液柱（2）板上充气液层阻力板上液层阻力用此的公式计算：（1-17）--板上清液层高度--反应板上液层充气程度的因数（充气因数）降液管横截面积，塔横截面积精馏段：动能因子：查充气系数与的关联图可得则提馏段：动能因子：查充气系数与的关联图可得则（3）由表面张力引起的阻力液体表面张力的阻力计算公式：（1-18）精馏段：提馏段：综上，故精馏段液柱压降提馏段液柱压降1.9.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和流量均不大，故可忽略液面落差的影响。1.9.3液沫夹带板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象，叫做液沫夹带。为保证板式塔能维持正常的操作效果，通常塔板上液沫夹带量，可按下式计算：（1-19）精馏段：提馏段：故在本设计中液沫夹带量在允许范围内，不会发生过量液沫夹带。1.9.4漏液漏液验算，根据公式：（1-20）稳定系数：--筛孔气速--漏液点气速精馏段：实际孔速：稳定系数为提馏段：实际孔速：稳定系数：故在本设计中无明显漏液。1.9.5液泛为阻止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从的关系：（乙醇-水不易分离的体系）精馏段：又因为板上不设进口堰：提馏段：故在本设计中不会发生液泛现象。1.10.塔板负荷性能图1.10.1精馏段塔板负荷性能图（1）漏液线据此可以做出与流体流量无关的水平漏液线（2）液沫夹带线以则解得计算所得：0.0020.0040.006O.0080.00940.00880.00830.0078（3）液相负荷下限线对于平直堰，取堰上清液层高度作最小液体负荷标准，由则：据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限3（4）液相负荷上限线以作为液体在降液管管中停留时间的下限据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线4（5）液泛线令联立的：（1-21）整理得：0.1620.2241.434(1-14)列表计算如下0.0040.0060.0080.0101.061.010.9450.88由此表数据即可做出液泛线5根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能曲线:图1-5精馏塔负荷曲线图1.11提馏段塔板的负荷性能图1.11.1漏液线0.816据此可得出与流体流量无关的水平漏液线。1.11.2液沫夹带线以为限，求如下：（1-22），，则 解得：1.358-13.70.0020.0040.0060.0081.3581.3031.2761.248可作出液沫夹带线2。1.11.3液相负荷下限0.000285据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线31.11.4液相负荷上限线据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线41.11.5液泛线0.144

可得方程：（1-23）列表计算如下：0.0010.0040.0060.0080.0101.141.1010.9360.8080.624根据以上各线方程，可做出筛板塔提馏段的负荷性能图图1-6提馏段负荷性能曲线图1.12各接管尺寸的确定即及选型1.12.1进料管尺寸的计算及选型料液质量流率：进料温度：,在此温度下，则从可得则其体积流量：取管内流速：则进料管管径：1.12.2釜液出口管尺寸的计算与选型釜液质量流率：出料温度：,在此温度下，则体积流率：取釜液出塔的流速:则釜液出口管管径：8心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设