乙醇-水精馏塔设计.doc

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1、.-符号说明： 英文字母Aa- 塔板的开孔区面积，m2Af- 降液管的截面积, m2AT-塔的截面积 mC-负荷因子 无因次C20-表面张力为20mN/m的负荷因子do-阀孔直径D-塔径ev-液沫夹带量 kg液/kg气ET-总板效率R-回流比Rmin-最小回流比 M-平均摩尔质量 kg/kmoltm-平均温度 g-重力加速度 9.81m/s2F-阀孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2)hl-进口堰与降液管间的水平距离 mhc-与干板压降相当的液柱高度 mhf-塔板上鼓层高度 mhL-板上清液层高度 mh1-与板上液层阻力相当的液注高度 mho-降液管底隙高度 mhow-堰上液层高度 mh

2、W-溢流堰高度 mhP-与克服表面张力的压降相当的液注高度 mH-浮阀塔高度 mHB-塔底空间高度 mHd-降液管内清液层高度 mHD-塔顶空间高度 mHF-进料板处塔板间距 mHT-人孔处塔板间距 mHT-塔板间距 mlW-堰长 mLs-液体体积流量 m3/sN-阀孔数目 P-操作压力 KPaP-压力降 KPaPp-气体通过每层筛的压降 KPaNT-理论板层数u-空塔气速 m/sVs-气体体积流量 m3/sWc-边缘无效区宽度 mWd-弓形降液管宽度 mWs -破沫区宽度 m希腊字母-液体在降液管内停留的时间 s-粘度 mPa.s-密度 kg/m3-表面张力N/m-开孔率 无因次X-质量分率

3、 无因次 下标Max- 最大的Min - 最小的L- 液相的V- 气相的 m-精馏段n-提馏段D-塔顶F-进料板W-塔釜一、概述 乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇

4、水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。1.1 设计依据本设计依据于教科书理论及查阅教参文献为设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.2 技术来源 目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。1.3 设计任务及要求 原 料： 乙醇水溶液 年产量50000吨 乙醇含量：42%（质量分数） 料液初温：45 设计要求： 塔顶乙醇含量为90%（质量

5、分数） 塔釜乙醇含量不大于0.5%（质量分数）物性附表：表一：乙醇水汽液平衡数据摩尔分数x摩尔分数yT/摩尔分数x摩尔分数yT/0.000.001000.26080.01900.170095.50.32730.07210.389189.00.39650.09660.437586.70.50790.12380.470485.30.51980.16610.508984.10.57320.23370.544582.70.6763表二：塔板间距与塔径的关系塔径D/m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT2003002503503004503506004006001.4

6、方案选择 塔型选择： 根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为，由于产品粘度较小，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，选用浮阀塔。操作压力： 由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压其中 塔顶压强为：0kPa（表压） 饱和蒸汽压力：0.25MPa（表压）进料状态： 虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次

7、设计中采取饱和液体进料加热方式： 精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较低的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。1.5 厂址 厂址位于宁夏地区 宁夏地区大气压为：二、工艺计算 由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数原料液的摩尔组成：同理可得：XD=0.7788 XW=0.0016原料液的平均摩尔质量：同理可得：MD=39.81kg/Kmol MW

8、=18.04kg/Kmol45下，原料液中：由此可查得塔顶、塔底混合物的沸点，详见表三表三：原料液、馏出液与釜液的流量与温度名称料液（XF）馏出液（XD）釜液（XW）X/%42900.4X（摩尔分数）0.22070.77880.0016摩尔质量（Kg/Kmol）24.1839.8118.04沸点温度t/82.9778.6299.622.1相对挥发度的计算及操作回流比的确定2.1.1 相对挥发度的计算 由相平衡方程式根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得（表一）：2.2.2 最小回流比及操作回流比的确定 当进料为饱和液体时： ，则取2.3 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算2.3.1 以年工作

9、日为300天，每天开车24h计算，进料量由全塔的物料衡算方程可写出： 2.3.2 全凝器冷凝介质的消耗量 塔顶全凝器的热负荷： 由汽液平衡数据查得组成XF=0.2207的乙醇水溶液泡点温度为82.97，在平均温度（82.97+45）/2=64下，由附录查得乙醇与水的相关物性如下：乙醇的汽化潜热： rA=1000kJ/kg水的汽化潜热： rB=2499kJ/kg则可得平均汽化潜热：精馏段：V=(R+1)D则塔顶蒸汽全部冷凝为泡点液体时，冷凝液的热负荷为 取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为20和30则平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求得： 2.3.3 热能利用以釜残液对预热原料，则将原料加

10、热至泡点所需的热量可记为：，在进出预热器的平均温度以及 的情况下可以查得比热，所以：釜残液放出的热量：那么平均温度查其比热为，因此可知，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点2.4 理论塔板层数的确定 由上述计算可知按平衡数据可得平衡曲线如图所示，在对角线上找到a点，该点横坐标为。由精馏段操作曲线截距，找出b点，连接ab即为精馏段操作曲线；以对角线上f点为起点，因为q=1，所以作与ab的交点为d，由在对角线上确定点c，连接c、d两点可得提馏段操作线，从a点起在平衡线与操作线之间作阶梯，求出总理论板数，由图可知所需总理论板数为19块，第15块板加料，精馏段需板14块板，提馏段需5块板。2.5 全

11、塔效率的估算用奥康奈尔法对全塔效率进行估算：全塔的平均温度：在温度下查得因为，所以可得：全塔液体的平均粘度：全塔效率2.6 实际塔板数 其中，精馏段的塔板数为：三、精馏段的工艺条件3.1 操作压力塔顶操作压力 每层塔板压降 塔釜操作压降 进料板压降 精馏段平均压降 提馏段平均压降 3.2 操作温度由乙醇-水体系的相平衡数据可以得到：塔顶温度进料板温度塔釜温度精馏段平均温度提馏段平均温度3.3 平均摩尔质量及平均密度3.3.1 平均摩尔质量精馏段整理精馏段的已知数据列于下表，由表可得：位置进料板塔顶（第一块板）质量分数摩尔分数摩尔质量（kg/kmol）液相平均摩尔质量：气相平均摩尔质量：同理可得

12、：提馏段 位置进料板塔釜质量分数摩尔分数摩尔质量（kg/kmol）液相平均摩尔质量：气相平均摩尔质量：3.3.2 平均密度精馏段（1）在平均温度下查得：液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，（2）气相平均密度 由理想气体状态方程计算，即同理可得提馏段3.3.3 液体平均表面张力的计算（1）塔顶液相平均表面张力的计算 当乙醇的质量分数为90%时，查得图乙醇-水混合液的表面张力（25）可得，且乙醇的临界温度为243，水的临界温度为374.2，则混合液体的临界温度为： 将混合液体的临界温度代入可得解得：（2）进料板液相平均表面张力的计算 当乙醇的质量分数为42%时，查得图乙醇-水混合液的表面张力（

13、25）可得，且乙醇的临界温度为243，水的临界温度为374.2，则混合液体的临界温度为： 将混合液体的临界温度代入可得解得：（3）塔釜液相平均表面张力的计算 当乙醇的质量分数为0.5%时，查得图乙醇-水混合液的表面张力（25）可得，且乙醇的临界温度为243，水的临界温度为374.2，则混合液体的临界温度为： 将混合液体的临界温度代入可得解得：所以，精馏段液相平均表面张力： 提馏段液相平均表面张力：四、塔体工艺尺寸计算4.1 塔径的计算4.1.1 精馏段、提馏段的气液相负荷精馏段的汽液相负荷：提馏段的汽液相负荷：塔径计算（1）由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，取两段的塔径相等，

14、根据以上计算结果可得：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的气相平均密度：汽塔的液相平均密度：（2）由上可知功能参数：查史密斯关联图得：则可得：根据他镜系列尺寸圆整为由此可由塔板间距与塔径的关系表选择塔板间距此时，精馏段的上升蒸汽速度为：提馏段的上升蒸汽速度：4.2 塔高的计算精馏塔的塔体总高度（不包括裙座和封头）由下式决定：式中：所以，4.2 塔板工艺尺寸的计算4.2.1 溢流装置计算因本设计塔径D=1200mm，则可选用单溢流型分块式塔板，各项计算如下： （1）堰长 取 （2）溢流堰高度 有，选用平直堰。堰上层流高度由下式计算可得： 取板上液层高度 （3）弓形降液管宽度Wd和截面积

15、Af，由查弓形降液管的宽度与面积关系图可得：，其中 则可得：验算： 液体在精馏段降液管内的停留时间： 液体在提馏段降液管内的停留时间：由此可知降液管设计合理。（4）降液管底隙高度 取，则：由此可知降液管底隙高度设计合理。4.2.2 塔板布置及浮阀数目与排列本实验采用重阀，重量为33g，孔径为39mm。（1）浮阀数目 取阀动能因数，则由式可得气体通过阀孔时的速度 因此浮阀数目取边缘区宽度，破沫区宽度。（2）排列 由上述可得： 则： 浮阀排列方式采用等腰三角形，取同一横排的孔心距，则可按下式估算排间距，即： 考虑到塔径的直径较大且各分块的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用99m

16、m，而应该小于此值，故选取按以等腰三角形叉排法方式作图（见附图），阀数116个，其中，通道板上可排阀孔44个，弓形板可排阀孔14个。校核： 气体通过阀孔时的实际速度： 实际动能因数： 开孔率：开孔率在10%14%之间，满足要求。五、流体力学验算5.1 气体通过浮阀塔版的压降5.1.1 干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：因，则有：5.1.2 板上充气液层阻力 取板上液层充气程度因数，那么： 5.1.3 克服表面张力所造成的阻力因本设计采用浮阀塔，其张力引起的阻力很小，可忽略不计，因此，气体流经一层浮阀塔版的压降所相当的液柱高度为：单板压降 5.2 淹塔 为例防止淹塔现象的发生，要

17、求控制降液管中清液层高度，可用下式计算，即： （1） 与气体通过塔板的压降相当的液柱高度（2） 液体通过降液管的压头损失，因不设置进口堰，所以可按下式计算：（3） 板上液层高度 取，则有： 取校正系数则可得： 可见符合防止淹塔的要求。5.3 雾沫夹带 泛点率板上液体流经长度 板上液流面积 ，水和乙醇可按正常系统按物性系数表查得K=1.0，又由泛点负荷图查得负荷系数则可得：因，所以雾沫夹带在允许范围内。六、塔板负荷性能图6.1 雾沫夹带线 取泛点率为80%代入泛点率计算式有： 整理可得：雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，按上式算出相应的值列于表中： 雾沫夹带线数据0.00080.001

18、22.382.366.2 液泛线 液泛线方程最终简化为：其中： 所以，此方程为：在操作范围内任取若干个值，依上式算出相应的值列于表中。液泛线数据0.00060.00090.00180.00245.585.495.225.066.3 液相负荷上限线 取作为液体在降液管中停留时间的下限，则： 6.4 漏液线 对于型重阀，依计算，则有： 6.5 液相负荷下限线 取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，依照：计算可得： 6.6 操作线性能负荷图 由以上各线的方程式，可画出塔的操作性能负荷图，见附图。根据生产任务规定的汽液负荷，可知操作点P（0.0017,1.176）在正常的操作范围内，连接OP作出操作线，

19、由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制，由图可得： 所以，塔的操作弹性为：有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表X表X 浮阀塔工艺设计计算结果项目数值及说明备注塔径1.2板间距0.4塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速1.323溢流堰长度0.792溢流堰高度0.049板上液层高度0.06降液管底隙高度0.027浮阀数，个116等腰三角形叉排阀孔气速8.49阀孔动能因数9.42临界阀孔气速9.38孔心距0.075同一横排的孔心距排间距0.070相临二横排的中心线距离单板压降534.3液体在降液管内的停留时间37.515精馏段提馏段降液管内的清夜高度0.125泛点率41.4气

20、相负荷上限2.18雾沫夹带控制气相负荷下限0.49漏液控制开孔率112.3操作弹性4.45七、各接管尺寸的确定7.1 进料管 进料体积流量 取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际馆内流速：7.2 釜残液出料管 釜残液的体积流量： 取适宜的输出速度，则： 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：7.3 回流液管 回流液体积流量： 取适宜的回流速度，则： 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：7.4 塔顶上升蒸汽管 塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜的回流速度，则： 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：7.5 水蒸气进口管 通入塔的水蒸气体积流量： 取适宜速度，则： 经圆整选取热轧无缝钢管，规格： 实际管内流速：八、参考文献化工原理第三版（下）. 陈敏恒 丛德滋 方图南等编. 北京： 化学工业出版社.，2006.5化工原理课程设计. 申迎华 郝晓刚主编. 北京：化工工业出版社，2009.5化工原理课程设计指导. 任晓光主编. 北京：化学工业出版社，2009.1化工单元过程及设备课程设计. 匡国柱 史启才主编. 北京：化学工业出版社，2007.10 化学工程手册编辑委员会.化学工程手册气液传质设备M。北京：化学工业出版社，1989、7