乙醇-水溶液连续精馏塔设计

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1、第 1 页，共 35 页化工原理化工原理课程设计任务书课程设计任务书一、设计题目、设计题目乙醇-水溶液连续板式精馏塔设计。二、任务要求、任务要求1、设计一连续板式精馏塔一分离乙醇和水，具体工艺参数如下：(1)原料乙醇含量：质量分率=29%(2)原料处理量：质量流量=10.8t/h(3)摩尔分率 Xd=0.82;Xw=0.022、工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝，泡点进料，泡点回流，R=（1.22）Rmin。三、设备形式三、设备形式筛板塔四、设计工作日四、设计工作日每年 330 天,每天 24 小时连续运行六、主要内容六、主要内容1.1. 确定全套精馏装置的流程，汇出流程示意图，标明所需的设备、

2、管线及有关控制或观测所需的主要仪表与装置。2.2. 精馏塔的工艺计算与结构设计：（1）.物料衡算确定理论板数和实际板数；（2）.计算塔径并圆整；（3）.确定塔板和降液管结构；（4）.流体力学校核，并对特定板的结构进行个别调整；（5）.全塔优化，要求操作弹性大于 2。3.3. 计算塔高。4.4. 估算冷却水用量和冷凝器的换热面积、水蒸气用量和再沸器换热面积。5.5. 绘制塔板结构图。6.6.列出设计参数表。化工原理课程设计第 2 页 共 35 页化工原理课程设计第 3 页 共 35 页第一章第一章 设计概述设计概述1.1 塔设备在化工生产中的作用与地位塔设备在化工生产中的作用与地位塔设备是是化工

3、、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境保护等各个方面都有重大影响。塔设备的设计和研究受到化工炼油等行业的极大重视。1.2 塔设备的分类塔设备的分类塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要，为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作

4、分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔，长期以来，人们最长用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料塔两大类。1.3 板式塔板式塔板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，主要的塔型是浮阀塔、筛板塔和泡罩塔。1.3.1 泡罩塔泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有一下优点：（1）.操作弹性大（2）.无泄漏化工原理课程设计第 4 页 共 35 页（3）.液气比范围大（4）.不易堵塞，能适应多种介质泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高

5、、安装维修方便以及气相压力降较大。1.3.2 筛板塔筛板塔筛板塔液是很早就出现的板式塔，20 世纪 50 年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点：（1）.生产能力大（提高 2040）（2）.塔板效率高（提高 1015）（3）.压力降低（降低 3050） ，而且结构简单，塔盘造价减少 40左右，安装维修都比较容易1。1.3.3 浮阀塔浮阀塔 20 世纪 50 年代起，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的蒸馏、脱吸等传质过程。浮阀式之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：（1）.处理能力大（2）.操作弹性大（3）.塔板效率高

6、（4）.压力降小其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。浮阀的形式有很多，目前常用的浮阀形式有 F1 型和 V-4 型，F1 型浮阀的结构简单，制造方便，节省材料，性能良好。F1 型浮阀又分为轻阀和重阀两种。V-4 型浮阀其特点是阀孔冲成向下弯曲的文丘里型，以减小气体通过塔板的压强降，阀片除腿部相应加长外，其余结构尺寸与 F1 型轻阀无异，V-4 型阀适用于减压系统。化工原理课程设计第 5 页 共 35 页化工原理课程设计第 6 页 共 35 页第二章第二章 设计方案的确定及流程说明设计方案的确定及流程说明2.12.1 塔型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

7、算，产品流量为 10.8t/h，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，选用筛板塔。2.22.2 操作流程操作流程乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下

8、降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。流程示意图如下图图图 1 1：精馏装置流程示意图：精馏装置流程示意图化工原理课程设计第 7 页 共 35 页第三章第三章 塔的工艺计算塔的工艺计算3.13.1 查阅文献，整理有关物性数据查阅文献，整理有关物性数据（1）水和乙醇的物理性质表 31：水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子 质量密度 203/kg m沸 点 101.33kPa 比热容(20)Kg/(kg.)黏度(20) mPa.s导热系 数(20)/(m.)表面 张力(20) N/m水2H O18.029981004.1831.

9、0050.59972.8乙醇25C H OH46.0778978.32.391.150.17222.8（2）常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表 32表 32 乙醇水系统 txy 数据乙醇摩尔数/%乙醇摩尔数/%沸点 t/气相液相沸点 t/气相液相 99.90.0040.0538227.356.44 99.80.040.5181.333.2458.78 99.70.050.7780.642.0962.22 99.50.121.5780.148.9264.70 99.20.232.9079.8552.6866.28 99.00.313.72579.561.0270.29 98.750.394.51

10、79.265.6472.71 97.650.798.7678.9568.9274.69 95.81.6116.3478.7572.3676.93 91.34.1629.9278.675.9979.26 87.97.4139.1678.479.8281.83 85.212.6447.4978.2783.8784.91 83.7517.4151.6778.285.9786.40 82.325.7555.7478.1589.4189.41 乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：183.1.13.1.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数02. 0Wx化工原理课程设计第

11、 8 页 共 35 页3.1.23.1.2 平均摩尔质量平均摩尔质量M =0.138 46+（1-0.138） 18=21.86 kg/kmolFM = 0.82 46+ (1-0.82) 18=40.96kg/kmolDM=0.02 46+（1-0.02） 18=18.56kg/kmolW3.23.2 全塔物料衡算全塔物料衡算总物料衡算 D+W=F+S （1）易挥发组分物料衡算 F= D + WW （2）FxDx恒摩尔流假设 S=V=(R+1)D (3）通过 由 RMIN 专用计算程序知 Rmin=1.082由工艺条件决定 R=1.85Rmin=1.08 1.85=2F=10.8 10 /2

12、1.86=494.1kmol/h3联立上式（1） 、 （2） 、(3)得：S=203.4kmol/h W=629.7kmol/h D=67.8kmol/h3.33.3 塔板数的确定塔板数的确定3.3.13.3.1 理论塔板数理论塔板数的求取的求取TN根据乙醇水气液平衡表 1-6，作图图图 2：乙醇乙醇水气液平衡图水气液平衡图138. 018/71. 046/29. 046/29. 0Fx82. 0Dx138. 0Fx82. 0Dx化工原理课程设计第 9 页 共 35 页由图可知总理论板数为 15，第十三块板为进料板，精馏段理论板数为12，提留段理论板数为 3（包括蒸馏釜）3.3.23.3.2

13、全塔效率的估算全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：O conenell根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得：(塔顶第一块板)82. 01Dxy798. 01xctd04 .78(加料板)485. 013y138. 013xctf0.984(塔底)107. 015y01. 015xctw07.29由相平衡方程式可得1 (1)xyx (1) (1)y x x y因此可以求得：86.11; 8.85;15. 116151化工原理课程设计第 10 页 共 35 页全塔的相对平均挥发度：（1） 精馏段：0.628.8515. 1151（2） 提馏段：35. 886.118.851615/全塔

14、的平均温度：（1） 精馏段：ctttfd m0.7812（2） 提馏段：ctttfw m0/1 .912在 81.7时，根据上图知对应的 X=0.297，由化工原理课本附录十一（水在c0不同温度下的黏度表）查得，由附录十二（液体黏度共线图）查得sPam348. 0水（图中，乙醇的 X=10.5，Y=13.8） 。sPam40. 0乙醇在 91.1时，根据上图知对应的 X =0.044，由化工原理课本附录十一（水在c0/不同温度下的黏度表）查得，由附录十二（液体黏度共线图）查得sPam313. 0水（图中，乙醇的 X=10.5，Y=13.8） 。sPam37. 0乙醇因为LiLix所以，平均黏度

15、：（1） 精馏段：smPaL363. 0348. 0)297. 01 (40. 0297. 0（2） 提馏段：smPaL316. 0313. 0)044. 01 (37. 0044. 0/用奥康奈尔法()计算全塔效率：O conenell1 . 1)(49. 0245. 0 LTE（1） 精馏段：%.7541 . 1)363. 060. 2(49. 0245. 0 TE（2） 提馏段：%.5421 . 1)316. 05.38(49. 0245. 0/ TE3.3.33.3.3 实际塔板数实际塔板数实际塔板数TT PENN（1） 精馏段：，取整 22 块，考虑安全系数加一块为94.21%.754/12PN化工原理课程设计第 11 页 共 35 页23 块。（2） 提馏段：，取整 8 块，考虑安全系数加一块，为6.07%.542/3PN9 块。故进料板为第 24 块，实际总板数为 31 块。第四章第四章 精馏塔主题尺寸的计算精馏塔主题尺寸的计算4.1 精馏段与提馏段的汽液体积流量精馏段与提馏段的汽液体积流量4.1.1 精馏段精馏段的汽液体积流量的汽液体积流量整理精馏段的已知数据列于表