酒精生产过程精馏塔的设计 板式塔2013

?什么是酒精酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧的液体。有酒的气，味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇，分子式C

2

H

5

OH因为它的化学分子式中含有羟基，所以叫做乙醇，比重0.7893(20

／4

°)。凝固点-117.3 ℃。沸点78.2 ℃。能与水、甲醇、乙醚和氯仿等以任何比例混溶。有吸湿性。与水能形成共沸混合物，共沸点78.15 ℃。课程设计目的和要求?目的：–锻炼学生的综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编写说明书。–培养工程观念：理论→小试→放大。?要求：–设定大致框架，绘制工艺流程图；–进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数（塔高，直径，塔板数等）；–选择附属设备；–根据计算结果绘制主体设备图形；–编写设计说明书。“能力”的训练和培养：①查阅资料、选用公式和数据的能力；②从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想、分析和解决工程实际问题的能力；③准确、快速的计算能力；④熟练应用计算机（包括编程计算和使用工程设计软件）的能力以及用简洁文字、图表表达设计思想的能力．、经济性：应符合能量充分合理利用和节能原则，符合经常生产费和设备投资费的综合核算最经济的原则；符合有用物质高回收率、低损耗率原则．、先进性：应对目前工厂生产过程和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施，并尽量采用国内外最新技术成果。、可靠性和稳定性：保证运行的安全可靠和操作的稳定易控是现代化生产应优先考虑的原则，不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技和设备。、可行性：流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机本设计的基本内容和要求?设计内容包括：?选定精馏方案及流程；?进行精馏塔的工艺计算；?结构和附属设备的选型设计；?绘制精馏塔的装配图；?将设计结果编写成设计说明书。时间安排?所有工作必须独立完成。?时间：6月7日——6月18日。?6月11日之前完成理论计算，6月12日开始绘图。?6月16日之前完成主体设备图和流程图。?6月17日之前完成说明书撰写。一、化工原理课程设计任务?设计题目：酒精生产过程板式精馏塔的设计?设计任务：在酒精生产工艺中，将粗产品中的大部分杂质除去后，还存在着大量的水分，为了达到产品的质量要求，需要将水分分离出去。本设计结合乙醇生产工艺，要

求设计一浮阀精馏塔，用于乙醇水溶液的分离。?下面是乙醇精馏塔的设计任务：、生产能力：年产 吨乙醇产品。、原料液中含乙醇

% （质量），其余为水。、馏出液中的乙醇含量为

% （质量）。、残液中的乙醇含量不高于0.2% （质量）。 设备的年运行时间平均为300 天。?设计条件：1、加热方式：直接蒸汽加热，蒸汽压力为1.0~2.0kg/cm2。间接加热。、操作压力：、进料状况：常压。饱和液体。30℃冷液进料。、冷却水进口温度：30℃，出口温度自定。、塔板形式：浮阀塔板。?应完成的工作量：、乙醇精馏塔的工艺设计，塔板的结构设计及辅助设备的选型，编写设计说明书。、绘制工艺流程图一张。、绘制精馏塔的装配图（一号图纸）。、说明书编写。二、设计说明书的内容1、目录；2、设计题目及原始数据(任务书)；3、简述酒精精馏过程的生产方法及特点；4、论述精馏总体结构(塔型、主要结构)及流程的安排、 材料选择；5、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径塔板设计、进出管径等)；–6、设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等);–7、主体设备设计计算及说明；–8、主要附属设备的选择（换热器等）；–9、参考文献；–10、自我总结及有关问题的讨论。–说明书书写格式：每页的右边留30mm，用来标注参考文献及简单备注。三、绘图要求、用坐标纸绘制乙醇—水溶液的y-x图， 并用图解法求理论塔板数；、用坐标纸绘浮阀的排孔图；、用A4

图纸绘制设备流程图一张；、用594

×841

图纸绘制装置图一张：一主视图， 一俯视图，一剖面图，若干个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏等。四、参考书?

1

、天津大学，《化工原理》，天津，天津科学技术出版社，1990

年。?2

、李功样等《常用化工单元设备设计》，广州，华南理工大学出版社，2003

年。?3

、魏崇关，郑晓梅，《化工工程制图》，北京，化学工业出版社，1992

年。?4

、刁玉玮，王立业

编，《化工设备机械基础》，大连，大连理工大学出版社，1989

年。?

5

、章克昌，吴佩琮，《酒精工业手册》，北京，轻工业出版社1995

年。?化工设备设计手册《金属设备》?化工设备设计手册《材料与零部件》五、设计原理和方法?1、关于精馏方案的选定?

选定精馏方案是完成设计的先决条件，因为精馏塔工艺尺寸的确定不仅与所处理物系的性质、给定的生产能力、组成要求有关，还与操作压力、回流液状态、加热方式以及所选用设备的型式等一系列因素有关，所以在进行精馏塔设计过程中，选定精馏方案和拟定精馏装置流程的工作必须首先进行。精馏方案选定涉及的内容大致包括：a．精馏方式的选定：根据生产规模和产品质量要求，可选用简单蒸馏、水蒸汽蒸馏、间歇精馏、连续精馏或特殊精馏等。b．操作压力的选取：根据精馏物系的特点，可以是常压精馏、减压精馏或加压精馏。塔型的选择：通过技术经济综合评价，可以选用不同塔型（板式塔、填料塔〕和不同板型（如浮阀搭、筛板塔等）或填料塔。进料状态一般，一切热量尽可能从塔底加入，但应考虑工艺条件。加热方式：直接蒸汽加热、间接加热，综合各组的计算结果，比较它们的优缺点。f．再沸器、冷凝器、冷却器等换热设备的配置:再沸器配置与所采用的加热方式有关，通常采用间接蒸汽加热，有时也可采用直接蒸汽加热；冷凝器的型式多采用列管式换热器，冷凝器的安装位置从技术和经济上考虑，对于小塔，当传热面积较小时常将冷凝器直接安装在塔顶，而当处理量较大或搭较高时，则常将冷凝器移至地面，然后再用回流泵强制回流入塔.?选定方案必须考虑的问题:a、必须考虑工艺要求与平稳操作问题；b、必须考虑经济上的合理性;如在精馏方式的选定中必须考虑生产规模、产品质量、产量的要求以及投资费用等，如用水蒸汽蒸馏或简单蒸馏虽投资省，但所获得的产品质量不高，欲要得到高纯度产品则必须采用连续精馏等方式。在确定操作压力时则必须考虑所处理的液体混合物的性质等因素；如热敏性物料采用真空蒸馏，而对于沸点低常压下呈气态的物料则应在加压下进行蒸馏。?在塔型的选择中固然要尽量设法选用性能优良的塔型，但因每种塔型绝非十全十美，故选型时还必须从产量、质量和能耗等实际需要出发，努力做到兼顾技术上的可行性和经济上的合理性两个方面．?在确定进料状态和加料方式时既要考虑便于平稳操作，还要考虑相关工序的实际情况等因素。如精馏塔的加料方式用高位槽就比用加料泵直接加料较易平稳操作。但必须注意，无论进料状态还是加料方式均与前道工序以至整个车间的流程安排有关。在考虑精馏塔附属的换热设备的配置中，必须注意到精馏过程如何合理利用热能的问题，可以用定性或定量的方法论述塔底釜液与塔顶蒸汽热能利用的可能性（可以从传热温差的大小以及回收热量的多少进行可行性比较），考虑它们能否用于预热料液或有别的用处。此外，在考虑回收热能的方案时还要以精馏塔可能实现平稳操作为前题。?必须注意：a、对任务书中根据规定的操作条件所选用的塔型、板型、填料类型等必须进行简要论证．对流程安排中合理利用热能的可能性必须作简要分析，并绘制精馏装置流程图。b、设计开始通常只能对方案，流程作初步安排，待整个计算完成后再对方案流程进行修正并作较全面的论证讨论。?2、关于工艺计算工艺计算的主要内容是：物料衡算确定产品的质量、收率和流率。

确定操作条件指塔主要部位的压力和温度。精馏计算根据相平衡数据和分离要求，根据经济核算，确定适宜回流比；计算精馏塔的理论板数；计算板式塔的实际板数，并确定进料位置。?工艺计算内容1

）平衡关系（略））物性计算（气、液相）（略））物料衡算（略）?将所计算结果列入表中，但应列出详细的计算过程。塔顶塔底表1、表2

（液相、气相）进料质量分率(wt%)摩尔分率(mol%)平均分子量（kg/mol）温度(℃)密度(kg/m3)粘度（Pa.s）相对挥发度

表面张力mN/m表3（全塔参数）乙醇(kmol/h)进料F馏出液D釜液W加热蒸气V

0物性数据……水(kmol/h)总量(kmol/h)表4：单位换算表：FD

WLVL

"V

"

(or

Vo

)t℃

MSx

mol%kmol/hkg/hm

3/h4

）确定回流比先计算最小回流比，然后取操作的实际回流比）理论塔板数的计算（用图解法））实际塔板数表5

精馏塔工艺参数汇总R

minRN

1N

2N

TE

TN

p3、关于塔板和塔体主要工艺尺寸的设计计算?主要内容包括：板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学性能校核、负荷性能图以及塔高等。?着重应注意的是：塔板设计的任务是以流经塔内气液的物流量、操作条件和系统物性为依据，确定具有良好性能（压降小、弹性大、效率高）的塔板结构与尺寸。?塔板设计的基本思路是：以通过某一块板的气液处理量和板上气液组成，温度、压力等条件为依据，首先参考设计手册上推荐数据初步确定有关的独立变量，然后进行流体力学计算，校核其是否符合所规定的范围，如不符合要求就必须修改结构参数，重复上述设计步骤直到满意为止。最后给制出负荷性能图，以确定适宜操作区和操作弹性。结构计算主要内容板式塔的结构设计内容包括塔的总体结构，塔盘结构和接管结构，可参见有关资料。（1

）塔的主体尺寸

b.塔径c.塔高（2

）塔板与降液管结构尺寸设计

a.塔板D

＜800mmD≥900mm，整块式，分块式b.堰长

c.堰高

d.降液管e.塔板布置与阀孔排列：计算阀孔数目，然后再在坐标纸上实际排孔，以实际排孔数为准。（3

）流体力学验算气体通过塔板的压力降泄露计算

c.液泛d.雾沫夹带

e.负荷性能图

f.接管尺寸塔径的计算方法：?板式塔的塔径依据流量公式计算，即D

?4Vs?

u，?

空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速u

max然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即u

?

(0.6~

0.8)umax?最大空塔气速u

max可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为maxu ?

C?

L

?

?

V?V?

气体负荷参数C

20

仅适用于液体的表面张力为２０m

N/m ，若液体的表面张力为σmN/m ，则其气体负荷系数C可用下式求得：??

??C

?

C2020?

??

?0.2?所以，初步估算塔径为：V0.785uD

/

??由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。?塔径的圆整?目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径必须圆整到标准值。塔径在1

米以下者，标准化先按100

mm 增值变化；塔径在1

米以上者，按200

mm 增值变化，即1000

mm

、1200

mm 、1400

mm 、1600

mm

……?塔径的核算?塔径标准化以后，应重新验算雾沫夹带量，必要时在此先进行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各项计算。?当液量很大时，亦宜先核查一下液体在降液管中的停留时间θ。如不符合要求，且难以加大板间距来调整时，也可在此先作塔径的调整。塔的总体结构?塔的外壳多用钢板焊接?板式塔内部结构有：塔板、降液管及各种物料的进出口，?附属装置：除沫器、人（手）孔、基座等，?外部装置：扶梯或平台、保温材料的支承圈，可转动的吊柱。?一般说来，各层塔板的结构是相同的，只有最高一层，最低一层和进料层的结构有所不同。塔顶空间高度：保证良好的除沫。塔底空间高度：保证有较大的塔底空间贮液，液体能有10

～15min

的停留时间，塔底液体不能流空。?塔底直接通入由塔外再沸器来的蒸气，有时塔底釜中设置列管或蛇管换热器，将釜中液体加热汽化。?若是直接蒸汽加热，则在釜的下部装一鼓泡管，直接接入加热蒸汽。?进料板的板间距也比一般间距大。塔体总高度?板式塔的塔体总高度（不包括裙座）由下式决定DH

?

H ?

(Np?

2

?

S)?

HT?

S

?

HFB?式中H

D

——塔顶空间，m

；——塔底空间，m

；"

?

H ?

HT?

H

B?

H

T

——塔板间距，m

；? H

T

"——开有人孔的塔板间距，m

；? H

F

——进料段高度，m

；?

Np

——实际塔板数；?

S——人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。?塔顶空间H

D?塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取H

D

为（1.5

～2.0

）H

T

。若需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间。?人孔数目?

人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可隔8

～10

块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔4

～6块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450

mm

。?塔底空间H

B?塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。其值视具体情况而定：当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取3

～5分钟，否则需有10

～15分钟的储量，以保证塔底料液不致流空。塔底产品量大时，塔底容量可取小

些，停留时间可取3

～5分钟；对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取1

～1.5分钟。?塔板结构?塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从300

～900

mm 时采用整块式塔板；当塔径800

mm以上时，人已能在塔内进行拆装操作，无须将塔板整块装入。并且，整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构显得复杂，故采用分块式塔板；塔径在800

～900

mm 之间，设计时可按便于制造、安装的具体情况选定

。?整块式塔板结构?小塔的塔板均做成整块式的，相应地，塔体则分成若干段塔节，塔节与塔节之间用法兰连接。每个塔节中安装若干块叠置起来的塔板。塔板与塔板之间保持所需要的板间距。塔节内的板数与塔径和板间距有关。如以塔径Dg=600

～700

mm

的塔节为例，对应于不同的板间距，塔节内安装的塔板数N

ˊ，塔板与下法兰端面的距离h

1

以及塔节高度L如下表所示。?塔板的有关尺寸N

ˊH

T

,mm

L

,mm

h1,mm300618002003505175025045041800350?分块式塔板基本结构?塔板分块数目与塔径大小有关，按下表规定选取：塔径（mm）

800~12001400~18001800~22002200~2400分块数3

4

5

6塔板分数块，靠近塔壁的两块叫弓形板，其余是矩形板，为了检修方便，不管分成几块，矩形板中必有一块作为通道板，通道板的宽度统一取

400mm ，因安装需要，相邻两块板之间的孔间距可取为100mm

。塔盘结构及溢流装置的设计、塔的流体力学验算、负荷性能图的绘制等内容，可参见相关的资料，在此不再详述。4、关于附属设备的设计附属设备的设计主要有：a

）