乙醇-水筛板精馏塔设计

化工原理课程设计乙醇-水筛板精馏塔设计学生姓名李瑞雪学院名称环境工程学号20111702207班级11环工 2专业名称环境工程指导教师王菊2015年1月5日第一章前言 (2)第二章任务书 (3)2.1 设计题目： (3)2.2 设计任务及操作条件: (3)2.3 设备形式： (3)2.4 设计内容： (3)2.4.1 设计说明书的内容： (3)2.4.2设计图纸要求： (3)2.5 设计基础数据： (4)第三章流程的确定和说明 (5)3.1设计思路 (5)3.2设计流程 (5)第四章塔的工艺计算 (6)4.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (6)4.2 平均摩尔质量 (6)4.3全塔物料衡算： (7)4.4回流比的确定 (7)4.4.1平均相对挥发度的计算 (7)4.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定 (8)4.5 精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定 (10)4.5.1全塔的相对平均挥发度的计算 (10)4.6实际塔板数的计算 (12)第五章塔板结构设计 (13)5.1塔径的计算 (13)5.2塔高的计算 (16)5.3塔板结构尺寸的确定 (16)5.3.1溢流装置计算 (18)5.3.2塔板布置 (19)5.4筛板的流体力学验算 (20)5.4.1塔板压降 (20)5.4.2液沫夹带 (21)5.4.3漏液 (22)5.4.4液泛 (22)5.5塔板负荷性能图 (23)5.5.1过量液沫夹带线关系式 (23)5.5.2液相下限线关系式 (23)5.5.3严重漏夜线关系式 (23)5.5.4液相上限线关系式 (24)5.5.5降液管液泛线关系式 (24)结束语 (26)参考文献 (27)第一章前言化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物。

其中大部分是均相混合物。

生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。

精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作。

在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。

精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂）。

使气、液两相多次直接接触和分离。

利用液相混合物中各组分挥发度的不同。

使易挥发组分由液相向气相转移。

难挥发组分由气相向液相转移。

实现原料混合液中各组分的分离。

该过程是同时进行传质、传热的过程。

在本设计中我们使用筛板塔。

筛板塔的突出优点是结构简单造价低。

合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性。

而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。

筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一。

五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。

近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。

为减少对传质的不利影响。

可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。

筛板塔多用不锈钢板或合金制成。

使用碳钢的比率较少。

它的主要优点是：结构简单。

易于加工。

造价为泡罩塔的60左右。

为浮阀塔的80%左右；在相同条件下。

生产能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率较高。

比泡罩塔高15%左右。

但稍低于浮阀塔；气体压力降较小。

每板降比泡罩塔约低30%左右。

缺点是：小孔筛板易堵塞。

不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约2～3）。

蒸馏是分离均相混合物的单元操作。

精馏是最常用的蒸馏方式。

是组成化工生产过程的主要单元操作。

精馏是典型的化工操作设备之一。

进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练。

为以后从事设计工作打下坚实的基础。

第二章任务书2.1 设计题目：乙醇－水连续精馏塔的设计2.2 设计任务及操作条件:1）进精馏塔的料液含乙醇35%（质量分数，下同），其余为水；2）产品的乙醇含量不得低于94；3）塔顶易挥发组分回收率为99.5%；4）生产能力为25吨/天94%的乙醇产品；5）每年按330天计，每天24h连续运行。

6）操作条件a) 塔顶压强 4kPa(表压)b) 进料热状态自选c) 回流比自选d）加热蒸汽压力低压蒸汽（或自选）e) 单板压降小于等于0.7kPa2.3 设备形式：筛板塔2.4 设计内容：2.4.1 设计说明书的内容：1) 精馏塔的物料衡算；2) 塔板数的确定；3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5) 塔板主要工艺尺寸的计算；6) 塔板的流体力学验算；7) 塔板负荷性能图；8) 精馏塔接管尺寸计算；9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

2.4.2设计图纸要求：1) 绘制生产工艺流程图（A2号图纸）；2) 绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。

2.5 设计基础数据：1 ）常压下乙醇——水体系的t-x-y数据；2 ）乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。

第三章流程的确定和说明3.1设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。

因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。

气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。

液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。

塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。

最终，完成乙醇和水的分离。

3.2设计流程乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐。

第四章 塔的工艺计算查阅文献，整理有关物性数据表4-14.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F ：进料量（kmol/s ） F x ：原料组成（摩尔分数。

下同） D ：塔顶产品流量（kmol/s ） D x ：塔顶组成 W ：塔底残液流量（kmol/s ） W x ：塔底组成根据公式 ： BBA A A A A M wM w M w n +=（4-1）原料液乙醇的摩尔组成 F x =18/6546/3546/35+=0.1740塔顶产品乙醇的摩尔组成 D x =18/646/9446/94+ =0.85976塔底残夜乙醇的摩尔组成 W x =18/9746/346/3+=0.011964.2 平均摩尔质量根据公式可得：b a a a M x M x M )1(_-+= （4-2）原料液的平均摩尔质量：kmol kg M F /872.2218)174.01(46174.0=⨯-+⨯=馏出液的平均摩尔质量：kmol kg M D /07.4218)85976.01(4685976.0=⨯-+⨯=塔釜残液的平均摩尔量：kmol kg M W /34.1818)01196.01(4601196.0=⨯-+⨯=4.3全塔物料衡算：进料量：F=25吨/天=()mol kg /47.371865.04635.02425000=⨯+⨯⨯全塔物料衡算式：F=D+W, F*F x =D*D x +W*W x解之得：D=7.87kmol/h ，W=29.6kmol/s4.4回流比的确定4.4.1平均相对挥发度的计算 由相平衡方程 xxy )1(1-+=αα （4-3）得： )1()1(--=y x x y α （4-4） 表4-2由常压下乙醇-水的平衡数据由道尔顿分压定律y i P P = B B AA BA i x P x P V V ==α （4-5） 得)1()1(A A A A B A B A i x x y y x x y y --==α （4-6）将上表数据代入得：则 04.3...1010321==ααααα 则平衡线方程xxx x x x y 04.2104.3)104.3(104.3)1(1+=-+=-+=αα4.4.2最小回流比的计算和适宜回流比的确定174.0=F x 85967.0=D x 01196.0=W x因为 1=q 所以 174.0==F q x x 相平衡方程：390.0)1(1=-+=xxy αα泡点进料 ：q y y =最小回流比 ：18.2174.0390.0390.085976.0min =--=--=qq q D x y y x R任务要求操作回流比是最小回流比的1.6倍 49.318.26.16.1min =⨯==R R4.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定精馏段： h kmol RD L /47.2787.749.3=⨯==h kmol D R V /34.3587.7)149.3()1(=⨯+=+=111+++=+R xx R R y D n n 精馏段操作线方程： 19.078.01+=+n n x y提馏段： h kmol F F q V V /34.35)11(34.35)1(=-+=-+=h kmol q L L /94.6447.37147.27F =⨯+=+= w m m x VWx V L y -+1（4-7） 提馏段操作线方程：01.084.11-=+m m x y精馏段：由平衡线方程的：yyx ⨯-=04.204.3与19.078.01+=+n n x y 联立已知y 1=x D =0.85976x 1=669.004.204.311=-y yy 2=711.019.078.01=+⨯x 依次类推，可得： x 2= 0.447 y 3=0.539 x 3= 0.278 y 4=0.407 x 4=0.184 y 5=0.333 x 5=0.141<x q =0.174 提馏段由平衡线方程的：yyx ⨯-=04.204.3与01.084.11-=+m m x y 联立y 6=1.84×x 5-0.01=0.249098.004.204.3666=⨯-=y y x依次类推：y 7=0.170 x 7=0.063y 8=0.106 x 8=0.038 y 9=0.06 x 9= 0.021y 10=0.028 x 10=0.009 <x w =0.01196综上所述，总理论板数N T =10，进料板位置N F =54.5 精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定4.5.1全塔的相对平均挥发度的计算常压下乙醇和水的气液平衡数据表4—3 乙醇—水系统t —x —y 数据沸点t/℃ 乙醇摩尔数/% 沸点t/℃ 乙醇摩尔数/% 气相 液相 气相 液相 99.9 0.004 0.053 8227.3 56.44 99.8 0.04 0.51 81.3 33.24 58.78 99.7 0.05 0.77 80.6 42.09 62.22 99.5 0.12 1.57 80.1 48.92 64.70 99.2 0.23 2.90 79.85 52.68 66.28 99.0 0.31 3.725 79.5 61.02 70.29 98.75 0.39 4.51 79.2 65.64 72.71 97.65 0.79 8.76 78.95 68.92 74.69 95.8 1.61 16.34 78.75 72.36 76.93 91.3 4.16 29.92 78.6 75.99 79.26 87.9 7.41 39.16 78.4 79.82 81.83 85.2 12.64 47.49 78.27 83.87 84.91 83.75 17.41 51.67 78.2 85.97 86.40 82.325.75 55.7478.1589.41 89.41根据乙醇-水体系的相平衡数据可得：乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：1885976.01==D x y 669.01=x C t d ︒=23.78 (塔顶第一块板) 333.05=y 141.05=x C t f ︒=51.83 (加料版) 028.010=y 009.010=x C t W ︒=29.99 (塔底)由相平衡方程式（4-3）和（4-4）得由此式可求得 03.31=α 04.35=α 17.310=α 精馏段的相对平均挥发度： 03.351==ααα 提馏段的相对平均挥发度： 10.3105==ααα 精馏段的平均温度： C t t t fd m ︒=+=87.802提馏段的平均温度： C t t t fw m ︒=+=4.912,,表4-4 乙醇和水的粘度在C ︒87.80时，根据上图可知对应的375.0=x ，由《（液体粘度共线图）》查得s p u a .m 42.0=乙醇()8.13,5.10==y x在C ︒4.91时，根据上图可知对应的041.0,=x ，由《（液体粘度共线图）》查得s u .mp 365.0a =乙醇(8.13,5.10==y x )因为： 粘度li i L u x ∑=ϑ所以：精馏段的平均粘度：.s 363.0329.0)375.01(42.0375.0a L mp u =⨯-+⨯= 提馏段的平均粘度：s .311.0308.0)041.01(365.0041.0,a L mp u =⨯-+⨯= 用奥康奈尔法计算全塔效率 1.1)(49.0245.0⨯⨯=-L T u E α得： 精馏段的全塔效率：%4.481.1)363.026.4(49.0245.0=⨯⨯⨯=-T E 提馏段的全塔效率：%8.421.1)311.027.8(49.0245.0=⨯⨯⨯=-T E4.6实际塔板数的计算根据公式： TTP E N N =（4-9） T E =0.17-0.616lg m μ 得：精馏段的塔板数:3.10%4.485==P N 取整11块，考虑安全系数加一块为12块提馏段的塔板数：35.9%8.424==P N 取10块，考虑安全系数加一块为11块。