乙醇-水筛板精馏塔设计

化工原理课程设计

乙醇-水筛板精馏塔设计学生姓名李瑞雪学院名称环境工程学号20111702207班级11环工2专业名称环境工程指导教师王菊2015年1月5日TOC\o"1-3"\h\u25117第一章前言 2482第二章任务书 381222.1设计题目： 3156002.2设计任务及操作条件: 3303372.3设备形式： 3301782.4设计内容： 352352.4.1设计说明书的内容： 3163372.4.2设计图纸要求： 3108602.5设计基础数据： 425409第三章流程的确定和说明 5259513.1设计思路 5296213.2设计流程 51749第四章塔的工艺计算 6217004.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 6210824.2平均摩尔质量 6224034.3全塔物料衡算： 7298044.4回流比的确定 763534.4.1平均相对挥发度的计算 730234.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定 8225174.5精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定 10202234.5.1全塔的相对平均挥发度的计算 10239444.6实际塔板数的计算 1221385第五章塔板结构设计 1364325.1塔径的计算 13201565.2塔高的计算 16218675.3塔板结构尺寸的确定 16256245.3.1溢流装置计算 18102575.3.2塔板布置 19278625.4筛板的流体力学验算 2026665.4.1塔板压降 20215545.4.2液沫夹带 21269185.4.3漏液 2227495.4.4液泛 22262875.5塔板负荷性能图 23207785.5.1过量液沫夹带线关系式 2354975.5.2液相下限线关系式 233155.5.3严重漏夜线关系式 2320705.5.4液相上限线关系式 24308645.5.5降液管液泛线关系式 2411700结束语 2631102参考文献 27第一章前言化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物。其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作。在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂）。使气、液两相多次直接接触和分离。利用液相混合物中各组分挥发度的不同。使易挥发组分由液相向气相转移。难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。在本设计中我们使用筛板塔。筛板塔的突出优点是结构简单造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性。而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一。五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响。可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成。使用碳钢的比率较少。它的主要优点是：结构简单。易于加工。造价为泡罩塔的60左右。为浮阀塔的80%左右；在相同条件下。生产能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率较高。比泡罩塔高15%左右。但稍低于浮阀塔；气体压力降较小。每板降比泡罩塔约低30%左右。缺点是：小孔筛板易堵塞。不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约2～3）。蒸馏是分离均相混合物的单元操作。精馏是最常用的蒸馏方式。是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练。为以后从事设计工作打下坚实的基础。第二章任务书2.1设计题目：乙醇－水连续精馏塔的设计2.2设计任务及操作条件:1）进精馏塔的料液含乙醇35%（质量分数，下同），其余为水；2）产品的乙醇含量不得低于94；3）塔顶易挥发组分回收率为99.5%；4）生产能力为25吨/天94%的乙醇产品；5）每年按330天计，每天24h连续运行。6）操作条件a)塔顶压强4kPa(表压)b)进料热状态自选c)回流比自选d）加热蒸汽压力低压蒸汽（或自选）e)单板压降小于等于0.7kPa2.3设备形式：筛板塔2.4设计内容：2.4.1设计说明书的内容：1)精馏塔的物料衡算；2)塔板数的确定；3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5)塔板主要工艺尺寸的计算；6)塔板的流体力学验算；7)塔板负荷性能图；8)精馏塔接管尺寸计算；9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。设计图纸要求：1)绘制生产工艺流程图（A2号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。2.5设计基础数据：1）常压下乙醇——水体系的t-x-y数据；2）乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。第三章流程的确定和说明3.1设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，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。3.2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。塔的工艺计算查阅文献，整理有关物性数据表4-1年处理原料能力F=25吨/天质量分数分子量4.1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：（4-1）原料液乙醇的摩尔组成==0.1740塔顶产品乙醇的摩尔组成==0.85976塔底残夜乙醇的摩尔组成==0.011964.2平均摩尔质量根据公式可得：（4-2）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：4.3全塔物料衡算：进料量：F=25吨/天=全塔物料衡算式：F=D+W,F*=D*+W*解之得：D=7.87kmol/h，W=29.6kmol/s4.4回流比的确定4.4.1平均相对挥发度的计算由相平衡方程（4-3）得：（4-4）表4-2由常压下乙醇-水的平衡数据由道尔顿分压定律（4-5）得（4-6）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4.4.2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4.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定精馏段：精馏段操作线方程：提馏段：（4-7）提馏段操作线方程：精馏段：由平衡线方程的：与联立已知y1=xD=0.85976x1=y2=依次类推，可得：x2=0.447y3=0.539x3=0.278y4=0.407x4=0.184y5=0.333x5=0.141<xq=0.174提馏段由平衡线方程的：与联立y6=1.84×x5-0.01=0.249依次类推：y7=0.170x7=0.063y8=0.106x8=0.038y9=0.06x9=0.021y10=0.028x10=0.009<xw=0.01196综上所述，总理论板数NT=10，进料板位置NF=54.5精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定4.5.1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4—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（4-3）和（4-4）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4-4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：4.6实际塔板数的计算根据公式：（4-9）得：精馏段的塔板数:取整11块，考虑安全系数加一块为12块提馏段的塔板数：取10块，考虑安全系数加一块为11块。故进料板为12块，实际塔板数23块。第五章塔板结构设计5.1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（5-1）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（5-2）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5-1史密斯关联图表面张力：,因为,需先求平均表面张力表5-1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。5.2塔高的计算塔的高度可以由下式计算:一直实际塔板数N=23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：个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：5.3塔板结构尺寸的确定精馏段液气流动参数取板间距，板上清液高度，则查史密斯关联图得又液体的表面张力取安全系数为0.6，则空塔气速：按标准塔径园整后为：塔截面积：实际空塔气速u：提馏段液气流动参数取板间距，板上清液高度，则查史密斯关联图得又液体的表面张力取安全系数为0.8，则空塔气速：则按标准塔径园整后为：塔截面积：实际空塔气速u：5.3.1溢流装置计算因为D=1米，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。1.）堰长取2.）溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度how由下式计算近似取E=1，则取板上清液高度故3.）弓形降液管宽度和截面积由查弓形降液管的参数得,故依式故降液管设计合理4.）降液管底隙高度取则故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度5.3.2塔板布置1.）边缘宽度的确定取，2.）开孔区面积计算开孔区面积按下式计算其中：故3.）浮阀个数及其排布乙醇-水对设备无腐蚀性，可选用的碳钢板，在塔板上按等腰三角形错排排列浮阀，并取塔板上液体进出口安定区宽度和均为60mm边缘区宽度为为50mm,取浮阀直径选取F1型浮阀，重型，其阀孔直径d0=0.039m初取孔动能因子故阀孔气速u0=10.62m/s故阀孔个数： 设计条件下阀孔气速：m/s动能因子：塔板上浮阀开孔率：气体通过筛孔的气速：5.4筛板的流体力学验算5.4.1塔板压降1.）干板阻力的计算由；干板阻力可计算如下：临界孔速故按浮阀未全开计算：液柱；塔板上液层阻力：液柱；表面张力产生阻力：液柱；故=0.0337+0.03+0.00076=0.06446m液柱。2.）气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由计算查充气系数关联图得则液柱液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力，由计算即m液柱则气体通过每层板的压降：（设计允许值）5.4.2液沫夹带液沫夹带由计算kg液/kg气kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量在允许的范围内.5.4.3漏液对筛板塔，漏液点气速由计算即实际孔速稳定系数故在设计中无明显的漏液5.4.4液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式：取，则m液柱而板上不设进口堰，由计算液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象5.5塔板负荷性能图5.5.1过量液沫夹带线关系式在式中，令，并将塔板有关数据代入得：5.5.2液相下限线关系式由，令E=1，取，并将代入，可得：5.5.3严重漏夜线关系式令则：或5.5.4液相上限线关系式在中，令，并将和代入得5.5.5降液管液泛线关系式由降液管液泛校核条件式将（令其中E=1），hf（略去其中），和hd计算代入，可得：；；；得：将有关数据代入得：以Lh为横坐标，Vh为纵坐标，可得塔板负荷性能图为： 图5—2提馏段负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点A，与原点连接，即为操作线OA。由图可知，筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得，故弹性操作为结束语回顾起此次筛板塔课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在整整四个星期的日子里，可以说得