处理30000吨乙醇水溶液的板式精馏塔设计.doc

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1、 安徽中医学院化工原理课程设计任务书题目 年处理30000吨乙醇-水溶液的板式精馏塔设计班级 09制药工程 组别 第一小组 学生 陈捷 边术梓 蔡华代 陈伟光学号 09313003 09313001 09313002 09313004设计时间：2012年1月15日至2012年4月25日第一章 概述41.1 设计依据41.2 设计条件41.3 设计内容41.4 设计任务4第二章 设计方案确定及流程说明.4 2.1 塔型选择4 2.2 操作流程5第三章 塔板的工艺设计63.1 精馏塔的物料衡算63.1.1 原材料及塔顶、塔底产品的摩尔分率63.1.2 原材料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量63.1.

2、3 物料衡算63.2 塔板数的确定7 3.2.1 相对挥发度7 3.2.2 最小回流比及操作回流比的确定8 3.2.3 理论塔板数的求取 8 3.2.4 温度和粘度的计算93.2.5 实际塔板数113.2.6 塔板效率11第四章 主要设备工艺尺寸计算12 4.1 气液相体积流量计算124.2 塔径的计算144.3 塔高的计算174.4 溢流装置174.4.1 堰长184.4.2方形降液管的宽度和横截面184.4.3降液管底隙高度184.5 塔板布置194.5.1 塔板分布194.5.2 开孔区面积194.5.3 筛板的筛孔和开孔率19第五章 塔板的流体力学计算20 5.1 气相通过塔板的压降2

3、0 5.1.1 干板阻力20 5.1.2 板上充气液层阻力20 5.1.3 由表面张力引起的阻力215.2 液面落差215.3 液泛22 5.4 液沫夹带22 5.5 漏液23第六章 塔板负荷性能图236.1 漏液线236.2 液沫夹带线246.3 液相负荷下限线25 6.4 液相负荷上限线256.5 液泛线256.6操作弹性27第七章 附属设备设计计算及选型.28 7.1 冷凝器28 7.2 再沸器29 设计结果汇总参考文献第一章 概述1.1 设计依据 本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.2 设计条件(1) 原料组成：35%的乙醇，泡点进料；(2) 产品组

4、成：塔顶的乙醇含量不小于90%，塔底的乙醇含量不大于0.5%;(3) 操作压力： 塔顶压强为常压;(4) 可取回流比为最小回流比的1.25倍；(5) 每年按300天计算，每天24小时连续运行。1.3设计内容(1) 确定精馏装置流程；(2) 工艺参数的确定：基础数据的查取与估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。(3) 主要设备的工艺尺寸计算：板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。(4) 流体力学计算：流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。(5) 主要附属设备设计计算及选型。1.4 设计任务 设计说明书一份，作图法求理论塔板数图纸一张，带控制点工艺流程图一张

5、。 第二章 设计方案确定及流程说明2.1塔型选择 根据生产任务，每年300天，每天24小时运行，产品流量为4.17th由于产品黏度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用筛板塔。2.2 操作流程乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇水混合

6、液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。图一：精馏装置流程示意图 第三章 塔板的工艺设计3.1 精馏塔的物料衡算3.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 F：进料量（kmol/h） ：原料组成（摩尔分数，下同） D：塔顶产品流量（kmol/h） ：塔顶组成 W：塔底残夜流量（kmol/h） ：塔底组成 乙醇摩尔质量： 水摩尔质量： 原料乙醇组成： = 17.40%塔顶组成： = 77.88% 塔底组成：= 0.20%3.12 原料液及塔顶、塔底产品的平均

7、摩尔质量 3.13 物料衡算 进料流量 解得3.2 塔板数的确定3.2.1 相对挥发度 常压下乙醇和水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系温度/。C液相中乙醇的含量x%气相乙醇的含量y%1000095.51.917897.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.881.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.43

8、由上述表格计算 同理可得 则 3.2.2 最小回流比及操作回流比的确定 当泡点进料时,q=1,则=0.3906取,则3.2.3 理论塔板数的求取 由解的为精馏段的相对挥发度 得 求精馏段理论板层数 = 由吉利兰图查得 则N=3.38，所以加料板为从塔顶往下的第四块理论板。 由芬斯克方程知 = = 5.7142 且，由吉利兰图查得 得N=14 ，则全塔理论塔板数层。3.2.4 温度和粘度的计算表3-1乙醇水系统的气液平衡数据沸点t/乙醇摩尔数/%沸点t/乙醇摩尔数/%液相气相液相气相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.

9、050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.32

10、5.7555.7478.1589.4189.41用插值法求得精馏段平均温度 0提馏段平均温度表3-4水在不同温度下的黏度温度黏度温度黏度810.3521900.3165820.3478910.3130表3-5乙醇在不同温度下的黏度温度黏度800.4951000.361 查表得： 查表得： 精馏段粘度=0.4950.46+（1-0.495）0.359=0.409mpa.s 提馏段粘度=0.050.422+（1-0.05）0.314=0.3194mpa.s 3.2.5 实际塔板数 当时，y=0.8048 ，因为=3.4345，解得 精馏段所需实际塔板数 所以精馏段实际塔板数 全塔相对挥发度为，因为

11、，所以=7.904 提馏段相对挥发度 提馏段所需实际塔板数为 3.2.6 塔板效率 全塔实际塔板数 块 全塔效率 第四章 主要设备工艺尺寸计算4.1 气液相体积流量计算已知：混合液密度：混合气密度：精馏段，液相组成气相组成所以 提馏段液相组成气相组成所以 不同温度下乙醇和水的密度温度/7080859095乙745735730724720水997.8971.8968.6965.3961.85 求得在与下的乙醇和水的密度 精馏段 提馏段 气液体积流量（1） 精馏段 质量流量 体积流量 （2） 提馏段 质量流量： 体积流量： 4.2 塔径的计算 由，式中C可由史密斯关联图查出： 不同温度下乙醇和水的

12、表面张力温度/708090100乙醇表面张力/10-3N/m21817.1516.215.2水表面张力/10-3N/m264.362.660.758.8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。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：Ls=汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液相平均密度： 塔径可以由下面的公式给出： 由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。 取塔板间距，板上液层高度，则分离空间 功能参数： 由史密斯关联图查得，以下求平均表面张力 1-乙醇 2-水 塔顶： 进料板： 塔底： 精馏段液相平均表面张力 提馏段液相平均表面张

13、力 全塔相平均表面张力 取u=0.71.7097=1.1968m/s 根据塔径系列尺寸圆整为D=1.1m此时，精馏段的上升蒸汽速度为 提馏段蒸汽上升速度为 安全系数： 均符合要求。塔截面积 空塔气速 4.3 塔高的计算在进料板上方开三个人孔，其高度为0.8m每个，故精馏塔的有效高度为 =12.3m4.4 溢流装置4.4.1 堰长 取出口堰高：本设计采用齿形堰，堰上液高度按下式计算，取 （1） 精馏段 （2） 提馏段 4.4.2 方形降液管的宽度和横截面 由，查表得则 验算降液管内停留时间：故该降液管可以使用。4.4.3 降液管底隙高度 (1) 精馏段 （2）提馏段 均不小于20mm，满足要求。

14、4.5 塔板布置4.5.1 塔板分布 本设计塔径，采用整块式板塔。4.5.2 开孔区面积 已知弓形降液管 取：无效区宽度 破沫区宽度 4.5.3 筛板的筛孔和开孔率 因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用 碳钢板，取筛空直径 d0=5mm筛空按正三角排列，孔中心距 t=3d0=35=15mm 筛孔数目 开孔率 （在515%范围内） 气体通过筛孔的气速为 则 精馏段 提馏段 第五章 塔板的流体力学验算5.1 气体通过塔板的压力降气体通过塔板的压力降(单板压降)气体通过每层塔板压降相当的液柱高度，m液柱气体通过筛板的干板压降，m液柱气体通过板上液层的阻力，m液柱克服液体表面张力的阻力，m液柱5.1.1 精

15、馏段（1）干板阻力 干板压降 =筛孔气速，m/s 孔流系数分别为气液相密度，Kg/m3 根据d2/=5/3=1.67 查干筛孔的流量系数图C0 =0.78 精馏段 提馏段 5.1.2 板上充气液层阻力 板上液层阻力用下面的公式计算： 板上清液层高度，m反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数精馏段 动能因子 查充气系数与Fa的关联图可得 则 提馏段 动能因子 查充气系数与Fa的关联图可得 则5.1.3 由表面张力引起的阻力 液体表面张力的阻力 精馏段 提馏段 综上所述，精馏段 压降 提馏段5.2 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。5.3

16、液泛 为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰。 因此 精馏段 m 取，则=0.6（0.3+0.034）=0.2004m提馏段 取，则=0.6（0.3+0.029）=0.19745.4 液沫夹带 板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象，为保证板式塔能维持正常的操作效果，Kg液/Kg气 精馏段 提馏段 由上计算可知雾沫夹带能满足5.5 漏液对筛板塔，取漏液量10%的气相动能因子为Fo=10精馏段 实际流速U1=16.8223m/s稳定系数 符合要求 提馏段 实际流速u2=17.3128m/s 稳定系数 符合要求综上所述，筛板具有足够的操作弹性。 第六章 塔板负荷性能图6.

17、1 漏液线 精馏段 提馏段 据此可以做出与流体流量无关的水平漏液线16.2 液沫夹带线 以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下：精馏段 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00051.38531.31431.27741.24990.8971提馏段 整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.18900.17980.17510.17150.16866.3 液相负荷下限线对于齿形堰，取堰上液层高度作为最

18、小液体负荷标准据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线36.4 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限精馏段 提馏段据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线46.5 液泛线 令 由 立得 与，与，与的关系式代入上式，并整理的 中 精馏段 故 操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00053.17753.12403.09503.07343.0554 提馏段 故 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，就算结果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00053.84743.7

19、8363.74503.72443.5846 由此表数据即可做出液泛线5。 精馏段的 提留段的 故提留段的操作弹性为 第七章 主要附属设备设计计算及选型7.1 冷凝器 冷凝器的选择：强制循环式冷凝器 冷凝器置于塔下部适当位置，用泵向塔顶送回流冷凝水，在冷凝器和泵之间需设回流罐，这样可以减少台架，且便于维修、安装，造价不高。 气化热数据温度/6080100乙醇的汽化热40.5338.6136.51水的汽化热42.41641.52940.599 塔顶温度: 塔顶全凝器的热负荷： 可得： 取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别25和45则平均温度下的比热 ，于是冷凝水用量可求 有机物蒸汽冷凝器设计选用

20、的总体传热系数一般范围为 本设计取 出料温度：80.40（饱和气）80.40（饱和液） 冷却水温度： 25 45 逆流操作： 传热面积 7.2 再沸器 再沸器的热负荷为：因为釜残液几乎为纯水，故其焓可按纯水计算，即 选用120饱和水蒸气加热，传热系数 料液温度 99.42 100 热流体温度 120（水蒸气）120（水）逆流操作： 换热面积： 设计结果总表一览项目符号单位计算所数据精馏段提馏段平均温度80.4090.86气相流量1.05171.0823液相流量0.000780.0016实际塔板数35有效段高度12.3塔径1.1空塔气速1.1391.123板间距0.3塔板类型单溢流弓形降液管堰长

21、0.77堰高0.0340.029板上液层高度0.05堰上液层高度0.0160.021液体在降液管内停留时43.5021.64降液管底隙高度0.0280.023弓形降液管宽度0.1650安定区宽度0.065边缘区宽度0.03开孔区面积0.6208筛孔直径0.005筛孔数目3195孔中心距0.0015开孔率10.07塔板压降0.63260.5541降液管内液层高度0.11720.1117雾沫夹带量0.06980.0542气相负荷上限5.1310-3气相负荷下限2.631210-5操作弹性2.3902.435 参考文献1夏清、陈常贵. 化工原理（下册） 天津:天津大学出版社，2005.12 陈敏恒 化工原理（下） 北京：化学工业出版社，1989 3 姚玉英. 化工原理（下） 天津：天津科技出版社，1999 4 谭天恩 化工原理（下）北京：化学工业出版社，1994