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1、板式精馏塔优化设计化工原理（含化工设备机械基础）课程设计板式精馏塔设计专业班级：化工工艺06-3班本组成员：指导老师：设计时间：2009年4月27日 至 2009年5月15日目 录1、摘要22、设计任务书33、前 言44、回流比优化64、塔板的工艺设计85、塔板的流体力学计算186、塔附件设计257、塔总体高度的设计278、附属设备设计279、精馏塔主体设备机械设计2810、参考文献3611、附录39摘要：本设计采用筛板塔精馏分离乙醇-水溶液，利用VB语言优化回流比，并算出理论塔板数为40，最优回流比2.66。对塔的工艺尺寸进行计算得出塔径为0.8米，塔总高42米。对塔的流体力学进行验证后，符
2、合筛板塔的操作性能。经过对塔设备的强度计算，12mm满足设计要求。本次设计内容对提高化工原理课程设计的能力有明显作用。关键词： 筛板塔、 乙醇、 最小回流比、 经济衡算精馏塔优化设计任务书1、 设计任务：年处理2.8万吨乙醇-水溶液系统2、 设计条件：l 料液含乙醇13wt%；l 馏出液含乙醇不少于94wt%；l 残液含乙醇不大于0.05wt%。3、 操作条件：l 泡点进料，回流比由经济衡算优化；l 塔釜加热方式及蒸汽压力：间接，0.2Mpa（表压）；l 塔顶全凝器冷却水进口温度20，出口温度50；l 常压操作，年工作日300天，每天工作24小时；l 塔板形式：筛板塔；l 安装地点：合肥。4、
3、 主要设计内容：l 工艺流程的确定；l 塔和塔板的工艺尺寸计算；l 塔板的流体力学验算及复合性能图；l 主体设备的机械设计；l 辅助设备的计算设备的机械设计。前言精馏是通过汽液两相的直接接触，利用组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，来达到分离液相混合物的一种常用操作。蒸馏操作在化工，石油化工，轻工等工业生产中占有重要的地位。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。蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续过程。间歇蒸馏时一种不稳定操作，主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续
4、过程，是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分简单蒸馏，平衡蒸馏，精馏和特殊精馏等。简单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。平衡蒸馏又称闪蒸，也是一种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。简单蒸馏平衡蒸馏一般用于较易分离的体系或分离要求不高的体系。对于较难分离的体系可采用精馏，用普通精馏不能分离体系则可采用特殊精馏。特殊精馏是在物系中加入第三组分，改变被分离组分的活度系数，增大组分间的相对挥发度，达到有效分离的目的。特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般来说，当总压强增大时，平衡时气相浓度接近，对分离不利，但对在常压下为气态的混
5、合物，可采用加压精馏;沸点高又是热敏性的混合液，可采用减压精馏。精馏过程所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心是精馏塔。常用的精馏塔又是板式塔和填料塔两大类，统称塔设备。和其它传质过程一样，精馏对塔设备的要求大致包括：（1） 生产能力大：即单位塔截面可通过较大的气、液相流率，不会长生液泛等不正常流动。（2） 效率高：汽、液相在塔内流动时保持充分的接触，具有较高的塔板效率或较大的传质速率。（3） 流动阻力小：流体通过塔设备的阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作时易于达到所要求的真空度。（4） 有一定的操作弹性：当汽液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，且不会使效率产生较大的变化
6、。（5） 结构简单，造价低，安装检修方便。（6） 能满足物性的工艺特性，如腐蚀性，热敏性，起泡性等特殊要求。分离乙醇水溶液用的是板式精馏塔，板式塔大致可分为两类，一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一类是无降液管塔板，如穿流式筛板、穿流式波纹板等。工业应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。基于本次设计中我们采用的是筛板塔，下面主要介绍筛板塔。 筛板塔： 筛板是在塔板上有均布的筛孔，操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层鼓泡而出，气液间密切接触而进行传质。在正常
7、操作气速下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。 筛板塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、易结焦的和带固体粒子的物料。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多。回流比优化一 精馏塔优化设计的目标函数以精馏塔系统的年总费用为目标函数，可以表示为： 式中： J精馏塔系统的总费用，元/a； 精馏塔塔体的造价及维修费用，元/a；冷凝器的造价及操作费用，元/a；再沸器的造价及操作费用，元/a。1. 的数学模型
8、1）. 塔板费用的计算： 式中美元对人民币的汇率6.5人民币美元 塔板类型因子，由于所选为筛板塔，0.85 估计实际塔板数20，故板数因子2）. 塔径的计算式中P=101.3kpa空塔气速 式中： =1.2m, =2m，=7.9kg/2. 的数学模型，kcal/(m2h)3 .的数学模型 煤价： 元/吨4.优化得与回流比的关系图如下塔板的工艺设计一 精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量（） :原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（） :塔顶组成W：塔底残液流量（） :塔底组成原料乙醇组成：塔顶组成：塔底组成：进料量： 物料衡算式为： 联立求解：D=12.7225， W=186.01 1.温度
9、 利用表中数据由拉格朗日插值可求得 =89.6=78.2 =99.85精馏段平均问题: 提馏段平均问题: 2.密度已知：混合液密度：（为质量分率，为相对分子质量）混合气体密度：(1)精馏段： =83.9液相组成：气相组成：所以： (2)提馏段：=94.7液相组成：气相组成： 所以： 不同温度下乙醇和水的密度：温度/乙水温度/乙水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在和下乙醇和水的密度=83.9： 同理：=94.7：，在精馏段： 液相密度：气相密度：在提馏段： 液相密度：气相密度：3.混合液体的表面张力1）.精馏段：乙醇表面
10、张力： 水表面张力： 联立方程组：2).提馏段：乙醇表面张力：水表面张力：联立方程组：4.混合物的粘度，查表得: ，查表得： 精馏段粘度： 提留段粘度:5.气液体积流量计算根据x-y图作图得，切线截距为：b=0.2696（相平衡数据见附录）由程序优化得实际回流比R=2.66（1） 精馏段:L=RD=2.7312.7225=34.732 V=(R+1)D=(2.73+1)12.7225=47.455 已知：则质量流量：体积流量：（2）提镏段：饱和液体进料:q=1已知：质量流量:体积流量：三.理论塔板的计算由程序可得在R为最优的情况下总理论塔板数N=40精馏段理论塔板数N1=34提馏段理论塔板数N
11、2=6板效率可用奥康奈尔公式：（1）精馏段：由=83.9时：所以精馏段实际塔板数为： 可取73（2）提馏段：由=94.7时：所以精馏段实际塔板数为： 可取13总实际塔板数：总塔板效率四塔径的初步设计1.精馏段u=7.61/=7.61/=0.756m/s塔径：横截面积：五溢流装置1堰长取m出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度，按下式计算：1）.精馏段2）.提馏段2.弓形降液管的宽度和横截面查图得： 则：=0.0740.03=0.037，=0.130.8=0.104m验算降液管内停留时间：精馏段：提馏段：停留时间：5s,故降液管可用.3.降液管底隙高度1）.精馏段： 2）.提馏段：因为不小于20
12、mm，故满足要求.六塔板布置1开孔区开孔面积：2筛孔的计算及其排列筛孔直径：筛板厚度：孔中心距：筛孔的排列与孔数（正三角形排列）开孔率：气体通过筛孔的速度为： 工艺设计计算数据汇总：精馏段精馏段数据提馏段提馏段数据塔板数73塔板数13液体流量0.0002445液体流量0.0014743气体流量0.3794气体流量0.7768塔板间距/ mm400塔板间距/ mm400堰长/ mm520堰长/ mm520堰高 /mm66堰高 /mm61底隙高度/ mm60底隙高度/ mm55塔截面积/0.5026塔截面积/0.5026降液管面积/0.037降液管面积/0.037开孔面积/0.3033开孔面积/0.3033孔数n1787孔数n1787开孔率0.074
