乙醇水溶液精馏塔设计

TOC\o"1-5"\h\z第一章绪论 2一、目的： 2二、已知参数： 2三、设计内容： 3第二章课程设计报告内容 4一、精馏流程的确定 4二、塔的物料衡算 4三、塔板数的确定 5四、塔的工艺条件及物性数据计算 7五、精馏段气液负荷计算 11六、塔和塔板主要工艺尺寸计算 12七、筛板的流体力学验算 17八、塔板负荷性能图 20九、筛板塔的工艺设计计算结果总表 24十、精馏塔的附属设备及接管尺寸 26第三章总结 26乙醇——水连续精馏塔的设计第一章绪论一、目的：通过课程设计进一步巩固课本所学的内容，培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力，使所学的知识系统化，通过本次设计，应了解设计的内容，方法及步骤，使学生具有调节技术资料，自行确定设计方案，进行设计计算，并绘制设备条件图、编写设计说明书。在常压连续精馏塔中精馏分离含乙醇25%的乙醇—水混合液，分离后塔顶馏出液中含乙醇量不小于94%，塔底釜液中含乙醇不高于0.1%（均为质量分数）。二、已知参数：（1）设计任务•进料乙醇X=25%（质量分数，下同）•生产能力Q=80t/d•塔顶产品组成＞94%•塔底产品组成＜0.1%操作条件•操作压强：常压•精馏塔塔顶压强：Z=4KPa•进料热状态：泡点进料•回流比：自定待测•冷却水：20°C•加热蒸汽：低压蒸汽，0.2MPa•单板压强：W0.7•全塔效率：E=52%T•建厂地址：南京地区•塔顶为全凝器，中间泡点进料，筛板式连续精馏三、设计内容：设计方案的确定及流程说明塔的工艺计算塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定;b、塔板的流体力学验算；c、塔板的负荷性能图)设计结果概要或设计一览表精馏塔工艺条件图对本设计的评论或有关问题的分析讨论

第二章课程设计报告内容一、精馏流程的确定乙醇、水混合料液经原料预热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽向沸热器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。二、塔的物料衡算（一） 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数x€ 25便 €0.115F25/46+75/1894/46x€ €0.86d94/46+6/18xwxw_0.1/46+99.9/18—0.0004（二） 平均摩尔质量M€0.115,46+(1-0.115),18=21.22kg/kmolFM=0.86,46+(1-0.86),18=42.08kg/kmolDM€0.0004,46+(1-0.0004),18二18.01kg/kmolW物料衡算总物料衡算D+W€F易挥发组分物料衡算xD+xW€xFD w F日生产能力Y=90吨D-m- 80000 -79.21kmol/hM•T42.08,24D联立以上三式得F€621.20kmol/hD€79.21kmol/hW€541.99kmol/h三、塔板数的确定（一）理论塔板数N的求取T乙醇、水属理想物系，可采用M.T.图解法求NT根据乙醇、水的气液平衡数据作y-x图附表乙醇—水气液平衡数据液相中乙醇的气相中乙醇的液相中乙醇的摩气相中乙醇的摩尔分数摩尔分数尔分数摩尔分数0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0

图：乙醇一水的y-x图及图解理论板乙醇—水体系的平衡曲线有下凹部分，求最小回流比自a（x,x）作平衡线D,D,的切线并延长及y轴相交，截距R€2.08min取操作回流比R€1.5R€1.5x2.08=3.12min故精馏段操作线方程即y=0.757x,0.209作图法求理论塔板数N得TN€27层（包括再沸器）。其中精馏段理论板数为22层，提留段为5层（包括再T沸器），第18层为加料板。（二） 全塔效率ET已知E=52%T（三） 实际塔板数N精馏段层提留段层四、塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算（一） 操作压强pm塔顶压力P€4+101.3€105.3kPaD取每层塔板压强降△€0.7kPa则进料板压强P€105.3+43,0.7€135AkPaF精馏段平均操作压强P€105.3+135.4€120.35kPam2（二） 温度tm依据操作压力，通过方程试差法计算出泡点温度，其中水、乙醇的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。方程为PAABB式中：x—溶液中组分的摩尔分数；P—溶液上方的总压，Pa；P0—同温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa。（下标A表示易挥发组分，B表示难挥发组分）安托因方程为式中：p0一在温度为T时的饱和蒸汽压，mmHgT—温度，。CA,B,C—Antoine常数，其值见下表。

附表Antoine常数组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228计算结果如下塔顶温度八 15543 166821公式：10 X0.133X0.86,10 x0.133x0.14€105.33t=81.48°CD进料板温度1554_3 1668_21厶式：108.04496-1,222.65X0.133x0.0644,10 x0.133x0.9356=135.4t€104.5CF则精馏段平均温度t=81.48+104.5€92.99CM2平均摩尔质量Mm塔顶x€y€0.86D1查气液平衡曲线，可得x=0.8521M€0.86x46,(1-0.86)x18=42.08kg/kmolVDmM€0.852X46,(1-0.852)x18=41.856kg/kmolLDm进料板即查气液平衡曲线，可得y€0.3526x€0.0644FFM€0.3526X46,(1-0.3526)x18=27.87kg/kmolVDmM€0.0644X46,(1-0.0644)x18=19.80kg/kmolLDm则精馏段平均摩尔质量：MVm(MVm(精)42.08+27.872€34.975kg/kmolMLm（精）MLm（精）41.856+19.802€30.828kg/kmol四）平均密度液体密度,Lm附表乙醇及水的密度温度/C2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0已知：1/p=a/,+a/, （a为质量分数）LmALABLB塔顶因为t€81.48°C€734.26kg/m3€970.84kg/m3水€734.26kg/m3€970.84kg/m3水730—735—p-735乙90—80 _81.48—80965.3—971.8一p-971.8水1 0.94 0.06€+1 0.94 0.06€+734.26 970.84LmD€745.16kg/m3LmD进料板由加料板液相组成x=0.0644A0.0644…460.0644x46+（1—0.0644）x18因为t=104.5CF

,=710.15kg/m,=710.15kg/m3乙703_716-,—716乙,=955.07kg/m3,=955.07kg/m3水951.0—958.4一p—958.4水=908.09kg/=908.09kg/m3LmF二+—, 710.15 955.07LmF故精馏段平均液相密度, =-(745.16+908.09)=826.63kg/m3Lm(精)2气相密度,mVPM 120.35„34.975, =——vm= =1.38kg/m3vm(精)rt8.314„(92.99+273.15)（五）液体表面张力…m附表乙醇及水的表面张力温度/C2030405060708090100110乙醇表面张22.21.20.19.18.1817.16.15.14.力3248815224X103/N/m水表面张力72.71.69.67.66.64.62.60.58.56.X103/N/m6267236789塔顶因为t=81.48°CD…=17.01mN/m乙所以90…=17.01mN/m乙16.2—17.15—…一17.15乙…=62.32mN/m…=62.32mN/m水60.7一62.6 …一62.6水

进料板因为t€104.5^F,€14.84mN/m乙€57.945mN/m,€14.84mN/m乙€57.945mN/m水14.4-15.2—,—15.2乙110-100€104.5-10056.9-58.8€,-58.8水€0.86x17.01+(1-0.86)x62.32=23.35mN/mm(顶)=0.0644x14.81+(1—0.0644)x57.945=55.17mN/mm(进)则精馏段平均表面张力为,m则精馏段平均表面张力为,m（精）23.35+55.172€39.26mN/m（六）液体黏度…（六）液体黏度…Lm已知：乙醇的A=686.64B=300.88塔顶…=__686.64__-686.64乙塔顶…=__686.64__-686.64乙273.1+81.48 300.88水的黏度般鬆81.48-80

…—35.65水进料板lg…乙686.64 -686.64273.1+104.5-300.88水的黏度110-100 €104.5-10028.38-31.65—…-31.65水…€0.451mPa-s乙…€0.350mPa-s水…€0.344mPa-s

乙…€0.302mPa-s水€0.86€0.86x0.451+(1-0.86)x0.350=0.437mPa-sL(顶)€0.344x0.0644+(1—0.0644)x0.302=0.304mPa-sL(进)则精馏段平均液相黏度为…Lm则精馏段平均液相黏度为…Lm（精）0.437+0.3042€0.3705mPa-s五、精馏段气液负荷计算€(R„1)D€(3.12„1)x79.21€326.35kmol/hVM 326.35x34.975€ Vm(精)—€ €2.298m3/ss3600p 3600x1.38Vm(精)

L€rd€3.12X79.21=247.14kmol/hLM 247.14x30.828€ Lm（精）_€ €0.0026m3/s3600, 3600x826.63Lm（精）L€L•3600€0.0026x3600=9.36m3/hhS六、塔和塔板主要工艺尺寸计算（一）塔径D参考表4-1,初选板间距H€0.45m，取板上液层咼度h=0.07mTLLLp丄表4-1板间距及塔径的关系塔径D/m0.3--0.50.5〜0.80.8〜1.61.6〜2.42.4〜4.0板间距H/mmT200--300250〜-350300〜450350〜600400〜600H„h€0.45„0.07€0.38mTT图4-5Sminth关联图查图4-5可知，C€0.076，依照下式校正C20C€查图4-5可知，C€0.076，依照下式校正C20C€C(—)0.2€0.076x'39.26'2020…20丿0.2€0.087厂iP_P 0087 ；826.63-L38 〔.u€Clv€0.087 €1.81m/smax p 弋V1.38取安全系数为0.70，则u€0.70u€0.7xl.81€1.267m/smax故D€王€、:^229^€1.52m:<u 3.14x1.267按标准，塔径圆整为1.6m,则空塔气速u/€坐€4x2.298€1.14m/s<D2 3.14x1.62（二）溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。1.溢流堰长lwl为0.66D,即w

l€0.66x1.6€1.056mw2.出口堰咼hwh€h一hwLowOozc由l/D€1.22/1.85€0.66,L//2.5= =8.17w hW 1.0562.5查图4—9,查图4—9,知E=1图4-9液流收缩系数计算图则h€2.84OW则h€2.84OWrl…E—h1000U丿w2.84r9.36…x1x100011.056丿23€0.012m故h€0.07故h€0.07—0.012€0.058mW管滴宽度W及降液管滴面积Adf由l/D€0.66w图4-11弓形降液管的宽度和面积查图4T1，得W/D€0.124,A/A=0.0722dfT故W€0.124x1.6€0.198md,A€0.0722xD2€0.145m2f 4由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即小0.冷€25-1'5（符合要求）降液管底隙高度ho取液体通过降液管底隙得流速u€0.08m/s ，依下式计算降液管底隙高度h0.0026oo0.0026h€_L一€ €0.031m…0.025m （符合要求）olu1.056x0.08x3600W0三）塔板布置1•取边缘区宽度W€0.06m，安定区宽度W€0.085mcs2.依下式计算开孔区面积Aa

n xA，2x.'R2一x2+ R2sin-1a 180 R，20.517Jo.742—0.5172+工x0.742sin<10.517，1.39m2_ 180 0.74„D1.6其中x， <(W+W)， —(0.198+0.085)，0.517m2ds2R，——W，16—0.06，0.74m2 c 2图4-8塔板结构参数其中：h——出口堰高W其中：h——出口堰高W度how堰上液层高度hO降液管底隙高h――进口堰及降液管的水平距离h――进口堰及降液管的水平距离h――进口堰高 H1 W d层高度H――板间距 l――堰长TW降液管高度降液管中清液W――弓形dW――无效周边高度cWW――无效周边高度cW——安定区宽度 D——塔径sR――鼓泡区半径x——鼓泡区宽度的1/2t——同一横排的阀孔中心距（单位均为m）（四）筛孔数n及开孔率p

取筛孔的孔径d€6mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚5=3mm，取t/d=3，00故孔中心距t=3,6=18mm（1.155n= （1.155n= It2———,1.39=4955孔10.0182丿依下式计算塔板上的开孔区的开孔率p，即p=盒％€严07%=（0.907<€10.1%（在5%〜15%范围内）A （t/d）2 10.006 >2a00.018每层塔板上的开孔面积A为0A=pA=0.101,1.39=0.14039m20a气体通过筛孔的气速U€仝=2.298 €16.37m/s0A0.101,1.390（五）塔有效高度Z（精馏段）Z€（N精-1）H€（43-1）,0.45€18.9mT（六） 塔高计算七、筛板的流体力学验算（一）气体通过筛板压强降的液柱高度hp依式h€h+h+hpel ◎1.干板压强降相当的液柱高度hc查图4T3,查图4T3,C€0.76O7 、川、nnc/16.37„2(1.38„h=0.051(—^)2(匸込)=0.051 =0.04mc Cp (0.76丿(826.63丿OL2.气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度hlV sV s A—ATf2.2983.14x(0.8)2<0.145二1.23m/sFF€up€1.23xj!38€1.44aaV由图4-14查取板上液层充气系数卩为0.6。依右式h€ph€p(h+h)=0.6x0.07=0.042mlLWOW3.克服液体表面张力压强降相当的液柱高度h€依式（4-41）h=47= 4%39.26%10-3 =0.00323m€pgd826.63,9.81,0.006Lo故h=h+h+h=0.040+0.042+0.00323=0.08523p e l €单板压强降AP二h„g=0.08523,826.63,9.81二0.69<0.7kPa（设计允许值）PPL（二）雾沫夹带量e的验算V依式（4-41）5.7,10-6 u、 5.7,10-6 1.23 、e= (a)3.2= ( )3.2v€H—h 39.26,10-30.45—0.175Tf=0.018kg夜/kg气<0.1kg液/kg气式中，h——塔板上鼓泡层高度，可按泡沫层相对密度为0.4考虑，即fh=(h/0.4)=2.5h=2.5X0.07=0.175fLL故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。三）漏液的验算u=4.4Cv(0.0056+0.13h-h)„/„OW O、 / L€LV、=4.4,0.76^(0.0056+0.13,0.07-0.00323),826.63-1.38=&77m/s筛板的稳定性系数K=上4=16.37=1.87<1.5u8.77OW故在设计负荷下不会产生过量漏液。四）液泛的验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度H<Q(H+h)。d TWh=0.153(L^-)2=0.153(0.08)2=0.00098md l-hWOH=h+h+h=0.08523+0.07+0.0009=0.156mdPLd取①二0.5，贝U①(H,h)€0.5x(0.45,0.058)=0.254mTW故H„Q(H,h)，在设计负荷下不会发生液泛。dTW根据以上塔板的各项流体体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。八、塔板负荷性能图雾沫夹带线（1）5.7x10-6 ue€ ( a)3.2V cH—hTfVU€ s—aA—A

T匕 €0.536V2.0096-0.145 sa）h€2.5(hfW,h)€2.5h,2.84x10-3E(OW3600L、2 4)3b）近似取Eu1.0,h€0.058m,l=1.056mWWh€2.50.058+2.84x10-3x1.0(€0.2+1.61L2s3600L、2s)31.056取雾沫夹带极限值e为0.lkg液/kg气，已知c€39.26x10-3N/m,H=0.45m,VT并将式（a）、⑹代入€沖'得下式:Tf5.7x10-6 0.536V0.1€ ( s—)3.239.26x10…30.25-1.61L3sV€3.28—21.12L3ss1）在操作范围内，任取几个L值，依（1）式算出相应的V值列于下表中。ss0.6x10-41.5x10-33.0x10-34.5x10-33.253.002.842.7依表中数据在V-L图中做出雾沫夹带线（1）,如图4-24所示。ss*)二）液泛线（2）*)H=„(H,h)=h,h,h,hdTWPWOWd近似取E…1.0，l二1.056mWh =2.84x10-h =2.84x10-3E(OW4)3=2.84x10-3( 4)3l 1.056Wc)h=h,h,hPelc)h=h,h,hPela)=0.051(—^)2pvCApOo L1.38=0.051( )2 =0.00748V20.76x0.20 826.63 suph=0.051(—)2(上c CpOLVsh=e(h,h )=0.6x0.058,0.6433LlOWOW .、2S3S丿=0.0348,0.3859L2S3hOW=0.6433L3sh二h二0.00323（已算出）故h=0.00748V2,0.0348,故h=0.00748V2,0.0348,0.3859L3,0.00323P s s3=0.03803,0.00748V2,0.3859L：ssd)③hd=°153(占)2=0・153(105^)2=142・77L2WOe)将H为0.45m，h为0.058m，„=0.5及式(c)(d)(e)代入TW*）式得：0.5(0.45€0.058)=0.03803+0.00748V2+0.3859L；+0.058+0.643L；+142.77L2ssss整理得：V2=21.12—137.55L；—19087L2 (2)sss在操作范围内取若干L值，依式(2)计算V值，列于下表中。ss0.6x10，41.5x10，33.0x10，34.5x10，34.574.394.274.12依表中数据做出液泛线（2）,如图4-24中线（2）所示。三）液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为5s,L二d二°145x°45二0.01305m3/ss,max液泛负荷上限线（3）在V-L坐标图上为及气体流量V无关得垂直线，如图4-24ss s线（3）所示。四）漏液线（气相负荷下限线）（4）由h二h+h二0.058+0.6433L3、代人式漏液点气速式:L W OW s3u=4.4C「(0.0056+0.13h-h)p/pOW O LoLVVs,minAOVs,minAO=4.4x0.76 0.0056+0.13(0.058+0.6433L；)—0.00323—826.631.38A前已算出为0.14m2，代入上式并整理，得OV 二11.^；'0.00991+0.0836L：s,min 、 sJ此即气相负荷下限关系式，在操作范围内任取n个L值，依（4）式计算相应得Vss值。0.6x10-40.6x10-41.5x10-33.0x10-34.5x10-31.141.201.231.261.141.201.231.26列于下表中，依附表中数据作气相负荷下限线（4），如图4-24中线（4）所示。五）液相负荷下限线（5）取平堰、堰上液层高度，h€0.006m作为液相负荷下限条件，依下式计算，取OWE沁1.0，贝Uh€0.6433LOW0.006=0.6433L；s整 理 上 式 得 L =9„10人-4m3/ss,min5）依此值在V-L图上作线（5）即为液相负荷下限线，如图7所示。ssVs,min将以上5条线标绘于图4-24（V-L图）中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围ss区域为精馏段塔板操作区，P为操作点，0P为操作线。0P线及线（1）的交点相应气相负荷为V，0P线及气象负荷下限线（4）的交点相应气相负荷为V。s,max s,min其中P（L，V）即（3.7X10-3，33.3）ss可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。精馏段的操作弹性€右€3.82€3.38s,min九、筛板塔的工艺设计计算结果总表筛板塔的工艺计算结果汇总见表10序号项目数值1平均温度tm,°C92.992平均压力Pm,kPa120.353气相流量Vs,(m'/s)2.2984液相流量Ls,(m3/s)0.00265实际塔板数536有效段高度Z,m23.757塔径，m1.68板间距，m0.45

9溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，m1.05612堰咼，m0.05813板上液层高度，m0.0714堰上液层