精馏塔设计流程.pdf

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1、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 ；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，

2、故操作回流比取最小回流比的倍。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 AM=46.07kg/kmol 水的摩尔质量 BM=18.02kg/kmol Fx=18.002.1864.007.4636.007.4636.0 Dx=64.002.1818.007.4682.007.4682.0 Wx=024.002.1894.007.4606.007.4606.0 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 FM=+=23.07kg/kmol DM=+=35.97kg/kmol WM=+=18.69kg/kmol 3.

3、物料衡算 以每年工作 250 天，每天工作 12 小时计算 原料处理量 F=90.281225007.2310002000kmol/h 总物料衡算 =WD 水物料衡算 =+W 联立解得 D=h W=h（三）塔板数的确定 1.理论板层数TN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,作垂线 ef 即为进料线（q 线），该线与平衡线的交点坐标为 qy=qx=故最小回流比为 minR=qqqDxyyx=35.018.0-52.052.0-64.03 取操作回流比

4、为 R=minR=求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=17.532.753.0kmol/h V=DR)1(=（+1）20.1132.7kmol/h L=FL=+=kmol/h V=V=h 求操作线方程 精馏段操作线方程为 y=xVL+DxVD=418.0462.064.020.1132.720.1117.5xx 提馏段操作线方程为 WxVWxVL y=024.020.1158.21x20.1107.34x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 TN=16（包括再沸器）进料板位置 FN=5 2.实际板层数的求取 精馏段实际板层数 精N=2055.011

5、 提馏段实际板层数 提N=1009.955.05（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 DP=+5=每层塔板压降 P=进料板压力 FP=+20=精馏段平均压力 mP=+/2=2.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 Dt=79.3C 进料板温度 Ft=95.4C 精馏段平均温度 mt=4.872)4.953.79(C 3.平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由Dx=1y=，查平衡曲线（见图 1），得 1x=mVDM=+=35.97

6、kg/kmol mLDM=+=38.05kg/kmol 进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板（见图 1），得 Fy=查平衡曲线（见图 1），得 Fx=mVFM=+=32.61kg/kmol mLFM=+(1-2)=23.63kg/kmol 精馏段平均摩尔质量 mVM=+/2=34.29kg/kmol mLM=+/2=30.84kg/kmol 4.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 mmmRTVmVMP=30.1)15.2734.87(314.829.343.113kg/m3（2）液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 iitam/1 塔顶液相平均密度的计算 由

7、Dt=79.3C，查手册3得 A=741.6kg/m3 B=971.8kg/m3 mLD63.774)8.97118.06.74182.01kg/m3 进料板液相平均密度的计算 由Ft=95.4C，查手册得 A=731.5kg/m3 B=961.9kg/m3 mLD5.764)9.96118.05.73182.01kg/m3 进料板液相的质量分率 39.002.188.007.462.007.462.0A mLF=7.8569.96161.05.73139.01kg/m3 精馏段液相平均密度为 6.8102/)7.8565.764(mLkg/m3 5.液体平均表面张力计算 液体平均表面张力依下

8、式计算，即 iiLxm 塔顶液相平均表面张力的计算 由Dt=79.3C，查手册得 Am Bm 2.345.6236.03.1864.0mLDmN/m 进料板液相平均表面张力的计算 由Ft=95.4.0C，查手册得 Am Bm 00.5278.5982.0.053.1618.0LFmmN/m 精馏段液相平均表面张力为 1.432/)0.522.34(mLmN/m 6.液体平均粘度计算 液体平均粘度依下式计算，即 lgmL=iixlg 塔顶液相平均粘度的计算 由Dt=79.3.0C，查手册得 Aspam Bspam )355.0lg(36.0)436.0lg(64.0lgmLD 解出405.0mL

9、Dspam 进料板液相平均粘度的计算 由Ft=95.4C，查手册得 Aspam Bspam )299.0lg(8.0)386.0lg(2.0lgLFm 解出mLFspam 精馏段液相平均粘度为 360.02/)315.0405.0(mLspam（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 30.1360029.3420.113600vmvmVMVs0.082m3/s 6.810360084.3017.53600LmLmLMLh0.000055 m3/s 由 VVLCumax 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 21

10、21)30.16.810(3600335.0360000032.0)(VLhhVL 取板间距30.0THm，板上液层高度06.0Lhm，则 24.006.030.0LThHm 查图 5-1 得 C20=0968.0)202.34(074.0)20(2.02.020LCC 415.230.130.16.8100968.0maxum/s 取安全系数为，则空塔气速为 69.1415.27.07.0maxuum/s 25.069.1082.044uVsDm 按标准塔径圆整后为 D=0.3m 塔截面积为 223.044DAT0.0707 m2 实际空塔气速为 16.10707.0082.0um/s 2.

11、精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为 7.53.0)120()1(THNZ精精m 提馏段有效高度为 7.23.01-101-）（）（提提THNZm 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 8.0提精ZZZ+=9.2m（六）塔板主要工艺尺寸的计算 1.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Wl 取 21.03.07.070.0DlWm（2）溢流堰高度Wh 由 OWLWhhh 选用平直堰，堰上液层高度依下式计算，即 32)(100084.2WhOWlLEh 近似取 E=1，则32)21.03600000055.

12、0(1100084.2OWh0.0027m 取板上清夜层高度 60Lhmm 故 0573.00027.006.0Whm（3）弓形降液管宽度dW和截面积fA 由 7.03.021.0DlW 查化工原理课程设计P112 图 5-7，得 0722.0TfAA 124.0DWd 故 TfAA0722.00707.00722.00.0051m2 3.0124.0124.0DWd0.0372 m 依下式验算液体在降液管中停留时间，即 3600000055.030.00051.036003600hTfLHA5s 故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度0h 003600ulLhWh 取 08.00 um/s

13、21.0396.036003600000055.00h0.00066m 00066.00573.00hhW0.05664m 0.006m 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度50whmm。2.塔板布置（1）塔板的分块 因mmD300，故塔板采用分块式，查表得，塔板分为 3 块。（2）边缘区宽度确定 查化工原理课程设计P114 得，取 SSWW0.07m，CW0.05m。（3）开孔区面积计算 开孔区面积依下式计算，即 )sin180(21222rxrxrxAa 其中 0428.0)07.00372.0(23.0)(2SdWWDxm 10.005.023.02CWDrm )10.0042

14、8.0sin18010.00428.010.00428.0(21222aA0.0162m2（4）筛孔计算及其排列 本题所处理的物系无腐蚀性，可选用3mm 碳钢板，取筛孔直径50dmm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 155330 dtmm 筛孔数目n为 84015.00162.0155.1155.1220tAn个 开孔率为 1.10)015.0005.0(907.0)(907.0220td%气体通过阀孔的气速为 12.500162.0101.0082.000AVuSm/s（七）筛板的流体力学验算 1.塔板压降（1）干板阻力ch计算 干板阻力依下式计算，即 )()(051.0200LVccu

15、h 由67.1350d，查化工原理课程设计图 5-10 得，772.00C 故 0851.0)6.81030.1()772.09.24(051.02chm 液柱 （2）气体通过液层的阻力lh计算 气体通过液层的阻力lh依下式计算，即 Llhh 25.10051.00707.0082.0fTSaAAVum/s 43.130.125.10F)/(2121mskg 查化工原理课程设计图 5-11 得，61.0。故 0353.0)00066.00573.0(61.0)(OWWLlhhhhm 液柱 （3）液体表面张力的阻力h计算 液体表面张力所产生的阻力h依下式计算，即 043.0005.081.96.

16、810101.434430gdhLLm 液柱 气体通过每层塔板的液柱高度ph可依下式计算，即 hhhhlcp 0847.00043.00353.00451.0phm 液柱 气体通过每层塔板的压降为 5.67381.96.8100847.0ghPLpppa （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 2.36)(107.5fTaLvhHue 15.006.05.25.2Lfhhm 故 026.0)15.040.030.1(101.43107.52.33-6vekg 液/kg 气min0，u 稳定系数

17、为 96.95.290.24min00，uuK2 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dH应服从如下式的关系，即 )(WTdhHH 水乙醇物系属不易起泡物系，取6.0，则 214.0)0573.030.0(6.0)(WThHm 而 dLpdhhhH 板上不设进 11 堰，dh可依下式计算，即 001.0)08.0(153.0)(153.0220uhdm 液柱 1448.0001.006.00847.0dHm 液柱 )(WTdhHH 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 VLLhhCu)13.00056.0(4.40min0，0min

18、,min0AVuS，)(OWWLhhh 32)(100084.2WhOWlLEh 得 VLWhWShlLEhACV3200min)(100084.213.00056.04.4，30.16.8100043.0)21.03600(1100084.20573.013.00056.00162.0101.0772.04.432sL 整理得32min11.158455.50118.0sSLV，在操作范围内，任取几个sL值，依上式计算出sV值，计算结果列于表 5-4。表 5-4 sL，sm3 sV，sm3 由上表数据即可作出漏液线 1。2.液沫夹带线 以1.0vekg 液/kg 气为限，求ssLV 关系如下

19、：由 2.3a6)(107.5fTLvhHue ssfTsVVAAVu43.10051.0707.0a )(5.25.2OWWLfhhhh 0573.0Wh 323295.1)21.03600(1100084.2ssOWLLh 3288.4143.0sfLh 3288.4157.0sfTLhH 1.0)88.4157.043.1(101.43107.52.33236ssvLVe 整理得 3284.26807.0ssLV 在操作范围内，任取几个sL值，依上式计算出sV值，计算结果列于表 5-5。表 5-5 sL，sm3 sV，sm3 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，

20、取堰上液层高度006.0OWhm 作为最小液体负荷标准。由下式得 006.0)3600(100084.232WOWlEh 取1E，则 00024.03600396.0)84.210000058.0(32min，sLm3/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.液相负荷上限线 以4s 作为液体在降液管中停留的下限，由下式得 4sTfLHA 故 00204.0430.00204.04minTfsHAL，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 )(WTdhHH 由 dLpdhhhH；hhhhlcp；LLhh；OWWLhhh 联立得hhhhhHdc

21、OWWT)1()1(忽略h，将OWh与sL，dh与sL，ch与sV的关系式代入上式，并整理得 3222sssLdLcbVa 式中 )()(051.0200LVcAa WThHb)1(20)(153.0hlcW 323)3600)(1(1084.2WlEd 将有关数据带入，得 0569.0)3.83936.1()772.0489.0101.0(051.0)()(051.02200LVcAa 187.0052.0)161.06.0(40.06.0)1(WThHb 0.2779)014.053.0(153.02 c 640.1)53.03600)(61.01(11084.2323d 故 322264

22、0.10.2779187.00569.0sssLLV 或 322282.284884029.3sssLLV 在操作范围内，任取几个sL值，依上式计算出sV值，计算结果列于表 5-6。表 5-6 sL，sm3 sV，sm3 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 350.2max，sVm3/s 4100.0min，sVm3/s 故操作弹性为 730.54100.0350.2minmax，ssVV 所设计的

23、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 mt，C0 2 平均压力 mP，kpa 3 气相流量 sV，（sm3）4 液相流量 sL，（sm3）5 实际塔板数 26 6 有效段高度 Z，m 7 塔径，m 8 板间距，m 9 溢流形式 单溢流 10 降液管形式 弓形 11 堰长，m 12 堰高，m 13 板上液层高度，m 14 堰上液层高度，m 15 降液管底隙高度，m 16 定安区宽度，m 17 边缘区宽度，m 18 开孔区面积，m 19 筛孔直径，m 20 筛孔数目 2511 21 孔中心距，m 22 开孔率，%23 空塔气速，m/s 24

24、 筛孔气速，m/s 25 稳定系数 26 每层塔板压降，pa 519 27 负荷上限 液泛控制 28 负荷下限 漏液控制 29 液沫夹带 ve，（kg 液/kg 气）30 气相负荷上限，sm3 31 气相负荷下限，sm3 32 操作弹性 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，1986 2陈敏恒，丛德慈，方图南，化工原理上册.北京：化学工业出版社，1999 3冯骉，食品工程原理.北京：中国轻工业出版社，2006 4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