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1、乙醇水精馏塔设计（总1页）-本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可-内页可以根据需求调整合适字体及大小-(综合运用“化工原理”和相关选修课程的知识，联系化工生产的实际完成单元操作的化工设计实践, 初步掌握化工单元操作的基本程序和方法。熟悉查阅资料和标准正确选用公式，数据选用简洁，文字和工程语言正确表达设计思路和结果。(3)树立正确设计思想，培养工程经济和环保意识，提高分析工程问题的能力。二设计任务及操作条 件在一常压操作的连续精馏塔内分离乙醇水混合物。生产能力(塔顶产品)3000 kg/h操作周期300 天年进料组成25% (质量分数，下同)塔顶馏出液组成$94%塔底馏出液组成W%操作压力4
2、kPa (塔顶表压)进料热状况泡点单板压降：W kPa设备型式筛板三设计内容：(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件数据的计算；(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)绘制生产工艺流程图；(10) 绘制精馏塔设计条件图； (11) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。设计计算(一) 设计方案选定本设计任务为分离水一乙醇混合物。原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至84C后送入连续板式精馏塔(筛板塔)，塔顶 上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝
3、后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却至25C后送至产 品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。1精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其 优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须 采用特殊精馏。2操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于乙醇和水这类非热敏沸 点在常温(工业低温段)物系分离。3塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔 板效率高，压降较低，在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。4加
4、料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。由于原料温度稳定，为减少操作成本采用30 度原料冷液进料。5由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。6再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至65度回流入 塔。冷凝冷却器安装在较低的框架上，通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，馏出产品进入储 罐。塔釜产品接近纯水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备稀释其他工段污水排放。(二) 精馏塔的物料衡算原料液处理量为3000kg/h,(每年生产300天)，塔顶产品组成94% (w/w)乙醇。原料25% (w/w) 乙醇水溶液，釜残液含乙醇 (w/w)的水溶液。分子量 M
5、=18 kg/kmol ； M =46 kg/kmol。水乙醇1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料摩尔分数：x = (46)/46+78)=F塔顶摩尔分数 ：x=(46)/(46+18)=D塔釜残液的摩尔分数： x=46)/46+18)=W2 原料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M =*46+*18=kmolFM =*46+*1 8=kmo lDM=*46+*18=kmolW3 物料衡算原料的处理量 F=3000/ (300*24)/= kmol/h总物料衡算=D+W乙醇的物料衡算 *=*D+*W解得：塔顶采出量D=塔底采出量 W=（三）精馏工艺条件计算1理论塔板数NT的求取确定回流比R乙醇
6、一水属于理想物系，可采用图解法求回流比R和理论塔板数。 由手册查得乙醇一水物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见下图。常压下乙醇一水溶液的t-x-y图IM99(1800.8111M0.60旳1常压下乙醇一水溶液的t-x-y图审压下兀醇-水落液的x-y圍 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1中对角线上，自点G (,)作垂线ec即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为y= x=故最小回流比为R =min取操作的回流比为 R=2R =2*=min取整R= 求气液相负荷L=RD=*=V=（R+1）D=*=L =L+F=+=V =V= 求操作线方程精馏段操作线方程为：Y=L*X/V + D
7、*X / V =x +D提馏段操作线方程为：Y= L*X/V - W*X/ V =xW确定理论塔板数。结果见上图，得理论塔板数叫=15块（不包括再沸器），精馏段12块，提馏段3块（不包括再沸 器）确定实际塔板数。精馏段实际塔板数N精=12/=23块精提馏段实际塔板数N提=3/= 6块提精馏塔工艺参数汇总表精馏塔工艺参数汇总NpN精N提ETNTRRmin29236154精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4. 1操作压力计算塔顶操作压力 PD = +4= kPa每层塔板压降 AP = kPa进料板压力Pf= + * 23 =精馏段平均压力PM = ( +/2=4. 2操作温度计算依据据操作压力,
8、由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇与水的饱和蒸气压由安托因方程In P*=A - B /(T +C)计算,计算过程略计算结果如下：塔顶温度t = CD进料板温度t = 84 .0CF精馏段平均温度温tm =(+) /2 = C平均摩尔质量的计算由X =y =,查平衡曲线得：X =D 11塔顶液相的平均摩尔质量：M =X46 +X18 = kmolVDmM =X46 +(1-) X 18 = kg/kmolLDm进料板的摩尔质量，由图解理论板得y广由平衡曲线得：X =FM =X 46+ ()X18 = kmolVFmM =X46 + X18 = 25kg/kmolLFm平均摩尔质量：M
9、 = + /2= kg/kmolVmM = + 25)/2二kmolLm平均密度计算气相平均密度计算p = P M / R * T = * * + = kg/m3 vmm * Vmm液相平均密度计算塔顶T=78C查手册p产973 kg/ m3,p寸=D水乙醇进料T =82C查手册p产969 kg/ m3,p寸=F水乙醇塔顶密度p = 1/X/p + (1-X)/ p =LDHD ADB进料板的液相质量分数：a= X*M/X*M + (1X)M=A FA FAF B进料板的液相密度：p = 1/a / p + (1-a)/ p = kg/ m3 LDMAAAB精馏段的平均密度p =+/2 = m
10、3LDM液体平均表面张力的计算塔顶表面平均张力由T=78C查手册得：o =m, o =m水乙醇o =18X + X=mlDm进料板的表面张力由T=84C查手册得：o = X 103N/m, o = X 103N/m水乙醇o =X + X =mIFm精馏段的液相平均表面张力o =(+) /2=mLM5塔径和塔高的计算塔径的计算精馏塔的气，液体体积流率为kg/m3kg/m3kg/ m3精馏段的有效高度Z = (N -1) H=(23T) X = m精精T提馏段的有效高度Z = (N -1) H= (6T)X = 2m提提T在进料板的上方开人孔其高度为e =,故精馏段的有效高度为:Z= Z + Z
11、+=尺 11m精 提6.塔板主要工艺尺寸的计算溢流装置的计算：因塔径和流体量适中，选取单溢流弓形降管。堰长1w取 1 = 0.66 D = 0.2mw溢流堰高度hwL E _h1丿W2/3由hw = hL how选用平直堰，堰上液层高度how72.84h =ow 1000取板上清液层高度hL故 h = h h = 0.6 0.0002 = 0.0598 mw L ow 弓形降液管宽度Wd和截面积A由+二0.66 查化工原理课程设计P112图5-7得眷二 0-124Af 二 0.0722TA 二 0.0722*0.071 二 0.00513m故 W 二 0.124* D 二 0.124*0.3
12、二 0.0372md液体在降液管停留的时间，即3600A H3600*0.00513*0.4f t 二二 20.52s 5sL0.0001*3600h故降液管设计合理。降液管底隙高度h07Lh =h取036001 u 取w 0u0二 0.08 m/s，则h h 二 0.0598 0.00625 二 0.054 0.006mw 0故降液管底隙高度设计合理塔板布置w = 0.05m，所以c边缘宽度的确定，查化工原理课程设计P114取Ws = 0.07m开孔的面积Aaz、c 兀 r2 x=2 x 冷 r 2 - x2 +sin-1 I180 r丿 x = D - W - W = 0.15 - 0.0
13、372 - 0.07 = 0.0428m2dsr = D - W = 0.15 - 0.05 = 0.1m2c代入式中解得: 筛孔的计算筛孔的孔径d0=5 mm 8 = 3mmJ孔中心距t为筛孔的数目为t = 3d = 3 * 0.005 = 0.015mon = L155*。084 = 4310.0152开孔率为 e=0.9072=%气体通过阀孔的气速为:=A = 0.10；*0.084 = 8.25 m/s07.塔板流动性能的校核液沫夹带的校核液沫夹带量ev，即5.7*10-6e =vuaH - h丿T f丿3.2h = 2.5*0.06 = 0.15 m 代入得:e = 0.025kg 液 / kg 气v故设计中液沫夹带量ev在允许范围内。
