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1、生产用精馏塔设计方案一、设计任务书现拟设计一个完成乙醇和水的分离任务，其具体设计要求和条件为：1）进精馏塔料液含乙醇25%（质量），其余为水；2）产品乙醇含量不得低于94%（质量）；3）残液中乙醇含量不得高于0.1%（质量）；4）生产能力为日产（24小时）130吨94%的乙醇产品；5）操作条件：精馏塔顶压力 4kPa（表压）进料状况 泡点进料回流比 单板压降 不大于667Pa加热蒸汽压力 101.3kPa（表压）；6）设备型式：浮阀塔；7）厂址：天津地区。二、设计方案的确定及流程说明2.1精馏塔对塔设备的要求1）生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。 2）效率高：气
2、液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 3）流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 4）有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 5）结构简单，造价低，安装检修方便。 6）能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。2.2塔的类型选择从大的方面来说，精馏塔分为填料塔和板式塔。填料塔分离效率较高，压力降相对于板式塔来说也较小，但是其操作弹性较小，并且生产能力较板式塔来说较小，一般小塔多采用填料塔，而板式塔虽然在某些方面不如填料塔，但是总的来说，其踏板效率
3、稳定，操作弹性大，造价低，检修、清洗方便。对于本工艺来说，采用板式塔是可行的，因此选择板式塔。板式塔又分为泡罩塔，浮阀塔，筛板塔等多种类型。泡罩塔是工业上应用最早的塔板，其操作弹性较大，液气比范围较大，不易堵塞，适于处理各种物料。但是其结构复杂，造价高，塔板压降大等原因导致近年来泡罩塔已经逐渐被筛板塔、浮阀塔所取代，在新建的塔设备中以很少采用；筛板塔结构简单，造价低，落差小，气体压降低，传质效率较高，但是缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料，且若设计或操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降，故在工业上应用较为谨慎；浮阀塔是在泡罩塔和筛板塔的基础上发展起来的，它吸收了两种
4、塔的优点，浮阀塔结构也较简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大，而且其操作弹性也较大，气液接触时间较长，因此传质效率较高。综合分析下来，选择浮阀塔作为最终的塔设备。2.3塔压精馏可以在减压、常压、加压条件下进行。常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，可以采用加压精馏；常压下，泡点为室温至150左右的混合液，一般采用常压精馏；对于常压下泡点较高或热敏性物质，宜采用减压精馏，以降低操作温度。乙醇和水的常压沸点分别为78和100，因此采用常压精馏，稍稍加压，塔顶压力为（101.3+4）kPa。2.4进料状态进料状态分为五种状态，包括冷液进料、饱和液体进料（即泡点进料）、
5、气液混合物进料、饱和蒸汽进料和过热蒸汽进料。在实际生产中，以接近泡点的冷进料和泡点进料者居多，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易。因此选择进料方式为泡点进料。2.5塔釜加热方式一般塔釜都设置再沸器，输入一定热量使部分液体汽化，产生上升蒸汽，使精馏过程得以进行，大多数情况下均采用间接加热，但是对于塔内重组分是水的体系来说，由于水将作为塔釜产品从塔底排出，此时就可以省去一个再沸器，采用直接蒸汽加热的方式来对塔釜进行加热，本系统中乙醇为轻组分，水为重组分，因此可以采用直接蒸汽加热，加热蒸汽的温度由塔釜温度和加热蒸汽规格决定，提供的加热蒸汽压力为1
6、01.3 kPa（表压），可作为加热的热源。2.6塔顶冷凝方式精馏塔顶一般设置全凝器，以保证将上升蒸汽全部冷凝成液体，当塔顶有气相出料时，可以考虑在全凝器之前设置一个分凝器，将部分气体冷凝，剩下的气体作为气相采出，这时的分凝器相当于一层理论板。在本工艺中，没有塔顶气相采出，因此采用全凝器即可满足要求。2.7塔板溢流形式板式塔常见的溢流方式（降液管布置方式）有U型流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流等。U型流液体流径长，可以提高板效率，其板面利用率也高，但它的液面落差大，只适用于小塔和液体流量较小的塔；单溢流液体流径较长，塔板效率较高，结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛应用；双溢流的
7、液体流动的路程短，可降低液面落差，但塔板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于2m的塔中。阶梯式双溢流结构最为复杂，只适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合2。对产量做简单估计后，选择单溢流作为塔板溢流形式的初步结果，具体设计视情况决定。2.8塔径的选取精馏塔的塔径由塔内的气相体积流量和空塔气速决定，一般来说，精馏段和提馏段由于操作条件的不同，塔径会有所区别，在两者相差不大的情况下，应尽量按照较大的那个圆整至标准尺寸，产用的标准塔径为（mm）：400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、。若精馏段和提馏段的塔径相差较大，应考虑采用变径塔。另外，塔径
8、的选取还应通过流体力学的验算。2.9回流比的选取回流比对于精馏操作的费用有很大的影响。回流比大，完成相同的任务所需要的理论板数就少，相应的塔高就会较低，设备费用会减少，但是增大回流比会导致回流量增大，需要消耗更多的能量，操作费用会上升，回流比小则反之。因此选择一个合适的回流比是很重要的，一般来说，操作回流比都选为最小回流比的一个倍数，本工艺中选择系数为1.7。2.10操作流程来自储罐的混合液经预热至泡点后，由泵送入精馏塔的进料板上，塔内气液两相不断接触，进行传热和传质，使轻组分不断上升，重组分不断下降。塔顶蒸汽在全凝器中冷凝后，一部分作为产品采出，一部分回流继续和塔内气相接触；塔釜液体一部分采
9、出，一部分由直接蒸汽加热汽化回到塔内和液相接触。塔顶产品经冷却后进入产品储罐。操作流程简图见附图。图1：流程示意图三、塔的工艺计算3.1物料衡算将进料和产品中乙醇的质量分数换算为摩尔分数，乙醇和水的摩尔质量分别为（这里下标1代表乙醇，下标2代表水）：，则乙醇产量为130t/day，则其每小时的产量为5.4167t/hr，从而得到乙醇产品中乙醇和水的产量分别是： 则馏出液的摩尔流量为：因为回流比仍未知，且塔内气相流量未知，还不能完成整个的物料衡算，因此下一步应确定回流比，首先需要计算精馏操作的最小回流比。由于本工艺的操作条件在常压附近，可以认为在压力范围内，常压的相平衡数据可以满足设计计算的需要
10、，因此可以用常压下的汽液平衡数据绘制相图从而进行设计工作，汽液平衡数据见表1。表1 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系温度t/乙醇摩尔数(%)温度t/乙醇摩尔数(%)液相(x)气相(y)液相(x)气相(y)99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5079.265.6472.7197.650.
11、798.7678.9568.9274.9695.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41首先作出常压下的x-y相图，再连接一条对角线。然后作出进料线，即q线。由于进料为泡点进料，所以进料线方程为X=0.1154。由于乙醇-水物系的特殊性，平衡曲线具有下凹部分，在寻找最小回流比对应的操作线时，发现操作线尚未落
12、到平衡线前，已与平衡线相切，此时的操作线在纵轴上的截距为：从而得到： 由物料平衡关系：F代表进料量，V0代表加热蒸汽量，D代表馏出液量，W代表釜残液量。而精馏段的气相摩尔流量为：由于是泡点进料，所以提馏段和精馏段的气相摩尔流量应该是相同的，且由于塔内恒摩尔流的假设，提馏段和加入的直接蒸汽的摩尔流量也是相同的，所以：将数据代入上述物料衡算关系中，在加热蒸汽中不含有乙醇的前提下，联立方程组，解得：3.2理论板数，板效率及实际板数的计算3.2.1理论板数计算在精馏塔设计计算中，确定理论板数经常采用的方法是逐板计算法和图解法。本次设计采用图解法，其步骤如下：1）在已做好的X-Y相图中找到A（XD,XD
13、）点，即（0.8598，0.8598）。2）又上述物料衡算过程可以知道精馏段操作箱方程，从而可得到其与q线方程交点C点（0.1154,0.2775）连接AC，得精馏段操作箱3）由于采用直接蒸汽加热，所以找到提馏段操作线在横轴上的截距B（0.00039，0）。4）连接CB，得到提馏段操作线。6）从A点开始，在精馏段操作线和平衡线之间画梯级，当梯级跨过C点后，在提馏段操作线和平衡线之间画梯级，直到最后一级跨过B点。由于塔顶和塔底部分平衡线和操作线之间距离太近，所以在图解时将这两部分放大。具体图解情况见图2、图3和图4。图2：理论塔板求解图通过图解理论板，可以很明显的看出：理论板数；进料板位置；图3
14、：塔顶图解局部放大图4：塔釜图解局部放大要确定最终实际的理论板数，还必须知道塔板的全塔效率，而塔板效率可由下式进行估算：式中：=料液在塔顶、塔底平均温度下的平均黏度，cp。对多组分物系可按下式计算：；。由此可见要确定塔效率，首先需要确定塔板的温度，而塔板的温度又与实际板数息息相关，因此计算需要迭代，其迭代思路如下：3.2.2塔板温度和板效率及实际塔板数的确定取板效率的初值为0.5。则实际板数为：由每块板的压降为667Pa可知，塔顶压力为塔釜压力为对非理想物系，由修正的拉乌尔定律可得：式中，为纯组分A，B的饱和蒸汽压；，为组分A，B的活度系数。压力、温度和浓度对活度系数都有影响。压力的影响较小，一般可忽略。温度的影响可按照下面的经验公式估算：式中常数C对不同物系、不同组成的数值均不同。纯液体的饱和蒸汽压可用Antoine方程计算：乙醇和水的Antoine常数见表2：表2：ABC温度范围（K）乙醇7.302431630.868-43.5692733536.848061358.124-71.034370464水7.0740561657
