精馏塔设计流程.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流精馏塔设计流程.精品文档.在一常压操作的连续精馏塔内分离水乙醇混合物。已知原料的处理量为2000吨、组成为36%（乙醇的质量分率，下同），要求塔顶馏出液的组成为82%，塔底釜液的组成为6%。设计条件如下： 操作压力 5kPa(塔顶表压)； 进料热状况 自选 ； 回流比 自选； 单板压降 0.7kPa； 根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。【设计计算】（一） 设计方案的确定本设计任务为分离水乙醇混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预料器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在

2、泡点下一部分回流至塔内其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（二） 精馏塔的物料衡算1. 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 =46.07kg/kmol水的摩尔质量 =18.02kg/kmol2. 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量=0.1846.07+(1-0.18)18.02=23.07kg/kmol=0.6446.07+(1-0.64)18.02=35.97kg/kmol=0.02446.07+(1-0.024)18.02=18.69kg/kmol3. 物料

3、衡算以每年工作250天，每天工作12小时计算原料处理量 =kmol/h总物料衡算 28.90=水物料衡算 28.900.18=0.64D+0.024联立解得 =7.32kmol/h =21.58kmol/h（三）塔板数的确定1. 理论板层数的求取水乙醇属理想物系，可采用图解法求理论板层数。由手册查得水乙醇物系的气液平衡数据，绘出xy图，如图。求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.18 , 0.18)作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为=0.52 =0.18故最小回流比为=3取操作回流比为=1.50.353=0.53求精馏塔的气、液相负荷

4、=kmol/h=（0.53+1）kmol/h=5.17+28.90=34.07 kmol/h=11.20kmol/h求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为 =3.042-0.046图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如图1所示。求解结果为总理论板层数 =16（包括再沸器）进料板位置 =52. 实际板层数的求取精馏段实际板层数 =提馏段实际板层数 =（四） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算。1. 操作压力计算塔顶操作压力 =101.3+5=106.3kPa每层塔板压降 =0.7kPa进料板压力 =106.3+0.720=120.3kPa 精馏段平均压力 =

5、(106.3+120.3)/2=113.3kPa2. 操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中水、乙醇的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 =79.3C进料板温度 =95.4C精馏段平均温度 =C3. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由=0.64，查平衡曲线（见图1），得=0.714=0.6446.07+(1-0.64)18.02=35.97kg/kmol=0.71446.07+(1-0.714)18.02=38.05kg/kmol进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图1），得 =0.52查平衡曲线（见图1），得 =0.2 =0.52

6、46.07+(1-0.52)18.02=32.61kg/kmol =0.246.07+(1-2)18.02=23.63kg/kmol精馏段平均摩尔质量 =(35.97+32.61)/2=34.29kg/kmol =(38.05+23.63)/2=30.84kg/kmol4. 平均密度计算（1）气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即=kg/m3（2） 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算由=79.3C，查手册3得=741.6kg/m3 =971.8kg/m3 kg/m3 进料板液相平均密度的计算由=95.4C，查手册得=731.5kg/m3 =961.9kg/m3

7、 kg/m3 进料板液相的质量分率 =kg/m3 精馏段液相平均密度为 kg/m3 5.液体平均表面张力计算液体平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算由=79.3C，查手册得 18.3mN/m 62.5mN/m mN/m 进料板液相平均表面张力的计算由=95.4.0C，查手册得 16.53mN/m 59.78mN/m mN/m 精馏段液相平均表面张力为 mN/m 6. 液体平均粘度计算液体平均粘度依下式计算，即lg=塔顶液相平均粘度的计算由=79.3.0C，查手册得 0.436 0.355解出进料板液相平均粘度的计算由=95.4C，查手册得 0.386 0.299解出0.315精

8、馏段液相平均粘度为（五）精馏塔的塔体工艺尺寸计算1. 塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为0.082m3/s0.000055 m3/s由 式中C计算中的C20由化工原理课程设计P105图5-1查取，图的横坐标为0.0239取板间距m，板上液层高度m，则 m查图5-1得C20=0.074 m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为 m/sm按标准塔径圆整后为 D=0.3m塔截面积为0.0707 m2实际空塔气速为m/s2. 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为m提馏段有效高度为m在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精馏塔的有效高度为5.7+2.7+0.8=9.2m（六） 塔板主要工艺尺寸的计算1

9、. 溢流装置计算 因塔径D=0.3m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1） 堰长取 m（2） 溢流堰高度由 选用平直堰，堰上液层高度依下式计算，即近似取E=1，则0.0027m取板上清夜层高度 mm故 m（3） 弓形降液管宽度和截面积由 查化工原理课程设计P112图5-7，得故 0.0051m20.0372 m依下式验算液体在降液管中停留时间，即27.8s5s故降液管设计合理。（4） 降液管底隙高度取 m/s0.00066m0.05664m 0.006m故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度mm。2. 塔板布置（1） 塔板的分块因，故塔板采用分块式，查表得，塔板

10、分为3块。（2） 边缘区宽度确定查化工原理课程设计P114得，取 0.07m，0.05m。（3） 开孔区面积计算开孔区面积依下式计算，即其中 m m 0.0162m2（4） 筛孔计算及其排列本题所处理的物系无腐蚀性，可选用mm碳钢板，取筛孔直径mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距为mm筛孔数目为 个开孔率为气体通过阀孔的气速为 m/s（七） 筛板的流体力学验算1. 塔板压降（1） 干板阻力计算干板阻力依下式计算，即由，查化工原理课程设计图5-10得，故 m液柱 （2） 气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力依下式计算，即 m/s 查化工原理课程设计图5-11得，。故 m液柱（3） 液体表面

11、张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力依下式计算，即 m液柱气体通过每层塔板的液柱高度可依下式计算，即 m液柱气体通过每层塔板的压降为 pa 0.7kpa（设计允许值） 2. 液面落差对于筛板塔液面落差很小，且本题的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3. 液沫夹带液沫夹带依下式计算，即 m故 kg液/kg气稳定系数为 2故在本设计中无明显漏液。5. 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从如下式的关系，即水乙醇物系属不易起泡物系，取，则m而 板上不设进11堰，可依下式计算，即 m液柱 m液柱 故在本设计中不会发生液泛现象。（八） 塔板负荷性能图1. 漏液线由 得 整理得在操作范围

12、内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5-4。表5-4，0.00060.00150.00300.0045，0.01550.01650.01740.0184由上表数据即可作出漏液线1。2. 液沫夹带线以kg液/kg气为限，求关系如下：由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5-5。表5-5，0.00060.00150.00300.0045，0.62070.46280.25940.0885由上表数据即可作出漏液线2。3. 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度m作为最小液体负荷标准。由下式得取，则 m3/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。4.

13、液相负荷上限线以s作为液体在降液管中停留的下限，由下式得故 m3/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5. 液泛线令 由 ；联立得忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得式中 将有关数据带入，得故 或 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5-6。表5-6，0.00060.00150.00300.0045，3.0672.8022.2511.515由上表数据即可作出漏液线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图5-20所示。在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA即作出操作线4。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图5-20查得

14、 m3/s m3/s 故操作弹性为所设计的筛板的主要结果汇总于表5-7。表5-7 筛板塔设计计算结果序号项目数值1平均温度 ，81.02平均压力 ，kpa113.03气相流量 ，（）0.6324液相流量 ，（）0.000605实际塔板数266有效段高度 Z，m10.47塔径，m0.68板间距，m0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，m0.39612堰高，m0.52413板上液层高度，m0.0614堰上液层高度，m0.007215降液管底隙高度，m0.01916定安区宽度，m0.0717边缘区宽度，m0.0518开孔区面积，m0.35619筛孔直径，m0.00520筛孔数目25112

15、1孔中心距，m0.01522开孔率，%10.123空塔气速，m/s1.2624筛孔气速，m/s12.8025稳定系数1.5726每层塔板压降，pa51927负荷上限液泛控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带 ，（kg液/kg气）0.03030气相负荷上限，2.35031气相负荷下限，0.410032操作弹性5.730参考文献1 化工过程及设备手册 ，华南化工学院化工原理教研组，华南化工学院出版社，19862陈敏恒，丛德慈，方图南，化工原理上册.北京：化学工业出版社，19993冯骉，食品工程原理.北京：中国轻工业出版社，20064大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，1994 5柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995