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1、 处理量为76000吨/年的水-乙醇分离工艺设计摘 要本设计为分离乙醇-水混合物，采用筛板式精馏塔。精馏塔是提供混合物气、液两相接触条件，实现传质过程的设备。它是利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使混合物不断分离，以达到理想的分离效果。选择精馏方案时因组分的沸点都不高所以选择常压，进料为泡点进料，回流是泡点回流。塔顶冷凝方式是采用全凝器，塔釜的加热方式是使用再沸器。精馏过程的计算包括物料衡算，热量衡算,塔板数的确定等。然后对精馏塔进行设计包括：塔径、塔高、溢流装置。最后进行流体力学验算、绘制塔板负荷性能图。关键词：精馏塔 泡罩塔 工艺设计 乙醇 水I目 录前 言1第1章
2、绪 论3第1.1节 设计方案3第1.2节 设计内容及任务4第2章 塔的设计计算6第2.1节 物料衡算6第2.2节 热量衡算7第2.3节 工艺条件及有关物性数据的计算8第2.4节 塔板数的确定15第2.5节 塔板的主要工艺计算及塔板的流体力学验算19第3章 塔板流体力学验算25第3.1节 气相通过泡罩塔板的压降25第3.2节 液面落差27第3.3节 液沫夹带量27第3.4节 漏液点气速28第3.5节 溢流液泛校核28第3.6节 液体在降液管中停留时间的校核29第3.7节 塔板负荷性能图30第4章 辅助设备的计算及选型35第4.1节 塔顶全凝器35第4.2节 再沸器37第5章 泡罩塔工艺设计结果3
3、9第6章 塔体的初步设计41第6.1节 塔有效高度的计算41第6.2节 裙座的计算42第6.3节 塔体各接管设计42第6.4节 罐设计44第6.5节 塔体手孔及人孔的设计46第6.5节 封头的选用46第6.6节 吊柱的选取46结 论47参考文献48III前 言精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔、浮阀塔和泡罩塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等
4、工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大，需要进行多次部分汽化和部分冷凝，这样才可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。由此可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器等附属设备，才能实现整个操作。本次设计的泡罩塔是化工生产中主要的气液传质设备。此
5、设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。第1章 绪 论第1.1节 设计方案课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力、进料状况、加热方式及其热能的利用。(1)操作压力确定操作压力主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。一般来说，常压精馏最为
6、简单经济。 (2)进料状况采用泡点进料。这样，进料温度不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较好控制。(3)加热方式塔釜采用直接蒸汽加热。其优点是，可利用压力较低的蒸汽加热，塔釜只需安装股炮管，一般可节省设备费用和操作费用。 (4)热能的利用精馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是很多的，但其位能较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。第1.2节 设计内容及任务1.2.1设计题目处理量为76000吨/年的水-乙醇分离工艺设计1.2.2设
7、计任务及条件（1） 处理量：76000吨/年 （2）操作条件：塔顶压强：1. 03 atm（绝对压强）单板压降：75mm液柱 （3）料液组成（质量分数）：45%（4）塔顶产品组成（质量分数）：93%；（5）塔顶易挥发组分回收率：99%（6）每年实际生产时间：330天； 1.2.3设计内容（1）设计方案的确定。（2）塔的工艺计算。物料衡算塔的基础数据得设计塔径的计算（3）流体力学验算。气体通过泡罩塔的压力降的验算液沫夹带量的验算。漏液点气速的验算溢流液泛的校核液体在降液管中停留时间的校核绘制塔板的负荷性能图。（4）辅助设备的计算及选型。 以塔顶全凝器塔釜再沸器为例（5）精馏塔的附属设备的设计（6
8、）精馏塔的设备装置图及整个精馏过程的工艺流程图。第2章 塔的设计计算第2.1节 物料衡算2.1.1原料液及塔顶、塔釜的产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.1.2原料液及塔顶、塔釜的产品的平均摩尔质量原料液产品的平均摩尔质量 塔顶产品的平均摩尔质量 塔釜产品的平均摩尔质量 2.1.3物料衡算进料量 由公式 (1) (2)联立（1）（2）得 第2.2节 热量衡算根据液体比热容共线得：表2.1 热量衡算数据温度78.25（塔顶）82.57（进料）99.19（塔底）乙醇的摩尔比热容/K149.5151.8水的摩尔比热容/K75.675.6原料液平均摩尔比热容 原料液的焓 原料液带入的热量
9、回流液的焓近似取纯乙醇的焓 回流液带入的热量 塔顶蒸汽的热焓近似地取纯乙醇蒸汽的焓塔顶蒸汽带出的热量塔底产品的焓近似地取纯水的焓 第2.3节 工艺条件及有关物性数据的计算2.3.1操作温度塔顶温度：进料温度：塔底温度：精馏段平均温度：提馏段平均温度：2.3.2平均摩尔质量的计算表2-2 乙醇-水汽液平衡组成（摩尔）与温度的关系（1） 精馏段（t=80.41）液相组成=气相组成= (2)提馏段（t=90.88）液相组成=气相组成=2.3.3平均密度的计算（1）精馏段液相密度 气相密度 （2）提馏段液相密度 气相密度 2.3.4液相表面张力表2-3 乙醇和水不同温度下的表面张力（1） 精馏段乙醇的
10、表面张力水的表面张力=0.4324A=B+Q=(-0.4608)-1.0031=-1.4639 （2）提馏段 T=90.88 乙醇的表面张力水的表面张力=0.0567 2.3.5黏度表2.4 水在不同温度下的粘度表温度/黏度/温度/黏度/01.788700.4061101.306800.3551201.004900.3149300.80151000.2825400.65331100.2590500.54941200.2374600.46991300.2178图2.1 温度-黏度图（1） 精馏段 精馏段黏度 （2） 提馏段 提馏段黏度 2.3.6相对挥发度（1） 精馏段 （2）提馏段 2.3.7
11、气、液相体积流量计算 （1） 精馏段 质量流量 体积流量 （2） 提馏段 q=1 质量流量体积流量第2.4节 塔板数的确定2.4.1最小回流比及操作回流比图2.2 乙醇-水溶液的最小回流比由图可知q线与相平衡线交点为最小回流比确定取操作回流比2.4.2求精馏塔的气、液相负荷 2.4.3操作线方程精馏段操作线方程：即：提馏段操作线方程： 即：2.4.4图解法求理论板层数图2.3 理论板层数图2.4 理论板层数局部放大采用直角阶梯法求理论板层数，如图所示，在塔底或恒沸点附近作图时要将图局部放大，求解结果为：理论板层数 （不包括再沸器）进料板位置 精馏段的板层数 =11提馏段的板层数 =3（包括进料
12、板）2.4.5实际板层数的求取 根据奥康奈尔关联式：（1） 精馏段（2） 提馏段全塔所需实际塔板数全塔效率加料版位置在第23块塔板第2.5节 塔板的主要工艺计算及塔板的流体力学验算2.5.1塔径的计算（1）最大空塔气速和空塔气速最大空塔气速计算公式：由计算，其中由史密斯关联图查取，图中横坐标为：若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装检修有利；但是当板间距增大时，会增加塔身总高度、金属消耗量、塔基、支座的负荷，从而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，虽然可降低塔高，但因其只能允许较小的空塔气速，因此塔径就要增大，且容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据不同情况予以考虑。化工生产中常用的板间距有：300，350, 400，450, 500, 600，700, 800（mm），取板间距=0.45m，板上液层高度=0.07m，则图2.5 史密斯关联图查图2.5得=0.080，则 同理，提馏段最大空塔气速为 由化工原理课程设计可知：取安全系数为0.7，则空塔气速为同理，提馏段空塔气速为（2）塔径按标准塔径圆整后得：塔截面积实际空塔气速为同理，提馏段，空塔气速
