乙醇-水连续板式精馏塔设计

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1、平顶山工学院 分离工程设计书专业:化学工程与工艺学号1114050118 姓名: 陈 瑞 红 设计日期:2008.6.112008.6.20设计题目: 常压二元精馏筛板塔设计 设计条件: 水-乙醇连续精馏体系原料乙醇含量：质量分率=（30+0.518）=39原料处理量：质量流量=（10+0.118）=11.8产品要求：摩尔分数： 工艺条件：常压精馏，塔顶全凝，塔底间接加热，泡点进料，泡点回流， 指导老师 李 翔 2008. 6 绪 论在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设

2、备之一。 塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原

3、料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。本次设计就是针对水乙醇体系，而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。 由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望老

4、师指出，以便订正。 目 录一、总体设计计算-4- 1.1气液平衡数据-4 1.2物料衡算-4 1.3塔板计算-6二、塔的工艺条件及物性数据计算-8 2.1精馏段的数据-8 2.2 提馏段的数据-10 三、塔和塔板主要工艺尺寸计算-11 3.1 塔径-11- 3.2有效高度-.12 3.3 溢流装置-.12 3.4 塔板布置-13 3.5筛孔-13四、筛板的流体力学性能-14五、塔的负荷性能图-15六、讨论与优化-18 6.1讨论-18- 6.2优化-18 七精馏塔计算数据- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

5、- - - - - - - - -19八、参考书目-20一、总体设计计算1.1 汽液平衡数据（760mm Hg）乙醇%（mol)温度液相X气相Y0.00 0.00 1001.90 17.00 95.57.21 38.91 89.09.66 43.7586.712.3847.0485.316.6150.8984.123.3754.4582.726.0855.8082.332.7358.2681.539.6561.2280.750.7965.6479.851.9865.9979.757.3268.4179.367.6373.8578.7474.7278.1578.4189.4389.4378.15

6、1.2塔的物料衡算1. 查阅文献，整理有关物性数据水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质量密度20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18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.8常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表常压下乙醇水系统txy数据如图。乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：1825时的乙醇和水的混合液的表面张力与乙醇浓度之间的关系为：式中 25时的乙醇和水的混合液的表面张力，Nm；x乙醇质量分数，。其他温度下的表面张力

7、可利用下式求得 式中 1温度为T1时的表面张力；Nm；2温度为T2时的表面张力；Nm；TC混合物的临界温度，TCxiTci ，K；xi组分i的摩尔分数； TCi组分i的临界温度， K。2. 料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 X= X= X=3. 平均摩尔质量 M=0.20046.07+（1-0.200）18.02=23.6 kg/kmol4. 物料衡算 已知：F=500 总物料衡算 F=D+W=500 易挥发组分物料衡算 0.8D+0.05W=500.00.200 联立以上二式得： D=100kg/kmol W=400kg/kmol 1.3 塔板计算理论塔板数的求取计算汽化分率e;参数 有进料组

8、成在101.325kpa,泡点温度151，露点温度105进料温度为求最小回流比Rmin和操作回流比由于是泡点进料，过点做直线交平衡线于点，由点可读得，因此： Rmin =1.133由工艺条件决定 R=1.8R故取操作回流比 R=2.039求理论板数塔顶，进料，塔底条件下纯组分的饱和蒸气压组分饱和蒸气压/kpa塔顶进料塔底水49.2481.45101.33乙醇112.57105.3224.4求平均相对挥发度塔顶 =2.29进料 =塔底 =2.21全塔平均相对挥发度为=2.25=理论板数由芬斯克方程式可知N=且 由吉利兰图查的 即解得 =8.39 （不包括再沸器）进料板 前已经查出 即 解得 N=

9、5.2故进料板为从塔顶往下的第6层理论板 即=6总理论板层数 =8.39 （不包括再沸器）进料板位置 =6(4)、全塔效率 因为=0.17-0.616lg根据塔顶、塔釜液组成，求塔的平均温度为，在该温度下进料液相平均粘计划经济为=0.2000.34+（1-0.200）0.3165=0.3212=0.17-0.616lg0.3212=0.473、实际塔板数 精馏段塔板数：提馏段塔板数： 二、塔的工艺条件及物性数据计算2.1 以精馏段为例：1、 操作压力为 塔顶压力： =4+101.3=105.3若取每层塔板压强 =0.7kpa则进料板压力： =105.3+130.7=114.4kpa精馏段平均操

10、作压力 =kpa2、温度 根据操作压力，通过泡点方程及安托因方程可得 塔顶 =81进料板=94.5 =3.摩尔质量塔顶 =0.83 = 0.846.07+（1-0.8）18.02=40.4 kg/kmol =0.8346.07+（1-0.83）18.02=41.24 kg/kmol进料板： = 0.46 =0.12= 0.4646.07+（1-0.46）18.02=30.88 kg/kmol=0.1246.07+（1-0.12）18.02=21.36 kg/kmol精馏段的平均摩尔质量= kg/kmol= kg/kmol4、平均密度 液相密度 =塔顶： = =753.02进料板上 由进料板液相

11、组成 =0.12=885.9故精馏段平均液相密度=气相密度 =5、液体表面张力 = =0.816.9+(1-0.8)0.62=13.64 =0.1216.0+(1-0.12)0.6=2.448 =6、液体粘度 = =0.80.41+(1-0.8)0.357=0.3994 =0.120.33+(1-0.12)0.30=0.3.36 =7精馏段气液负荷计算V=（R+1）D=(2.039+1)100=303.9= mL=RD=2.039100=203.9= m2.2 以提馏段为例1、 平均摩尔质量塔釜 = 0.44 =0.05 =0.4446.07+(1-0.44)18.02=30.36kg/kmo

12、l =0.0546.07+(1-0.05)18.02=20.83 kg/kmol提馏段的平均摩尔质量 = kg/kmol = kg/kmol2、 平均密度 塔釜，由塔釜液相组成 =0.1 =0.22 = =853.7故提馏段平均液相密度 =气相密度 =3.平均温度: 0.5(94+100)=974.提馏段气液负荷计算V=V=136.92=1.04 mL=L+F=90.02+352.95=442.97=0.0029 m三、塔和塔板主要工艺尺寸计算3.1塔径首先考虑精馏段：参考有关资料，初选板音距=0.5m取板上液层高度=0.07m故 -=0.5-0.06=0.44m=查图可得 =0.095校核至

13、物系表面张力为9.0mN/m时的C，即 C=0.095=0.0792 =C=0.0792=1.988 m/s可取安全系数0.7，则 u=0.7=0.71.988=1.392 m/s故 D=1.452 m按标准，塔径圆整为1.6m，则空塔气速为1.84 m/s3.2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 =(13-1)0.5=6m提馏段有效高度为 =(6-1)0.5=2.5m在进料孔上方在设一人孔，高为0.6m故精馏塔有效高度为:6+2.5+0.6=9.1m3.3 溢流装置采用单溢流、弓形降液管 堰长 取堰长 =0.66D =0.661.6=1.056m 出口堰高 =选用平直堰，堰上液层高度由下

14、式计算 = 近似取E=1.03,则 =0.011 故 =0.06-0.011=0.0489m 降液管的宽度与降液管的面积 由查化工设计手册 得 =0.124,=0.0722 故 =0.124D=0.2 =0.0722=0.1451 停留时间 =29.56s (5s符合要求) 降液管底隙高度 =-0.006=0.059-0.006=0.0429m 3.4 塔板布置 (1)取边缘区宽度=0.035,安定区宽度=0.065(2)计算开孔面积 =2=1.01其中 x=-()=-(0.2+0.07)=0.53mR=-=-0.035=0.765m3.5 筛板数n与开孔率取筛孔的孔径为5mm,正三角形排列,

15、一般碳钢的板厚为3mm,取=3.5,故孔中心距t=3.05.0=15.0mm计算塔板上的筛孔数n,即n=计算塔板上开孔区的开孔率,即每层塔板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速 四、筛板的流体力学性能(一) 气体通过筛板压降相当的液体高度1 干板压降相当的液柱高度依 2 气流穿过板上液层压降相当的液柱高度查充气系数与FA的关联图，可得E0=0.62取板上液层充气系数为3 克服液体表面张力压降相当的液柱高度 单板压降 (二)雾沫夹带量的验算 =故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带漏液。（三）漏液的验算：根据漏液验算的方程式计算得，筛板的稳定系数K=2.211.5故在设计负荷下不会产生过量漏液。（四）液

16、泛验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度 即 取根据以上塔板的各项流体力学性能，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸使合适的。五、塔板负荷性能图 （一） 雾沫夹带线（1）近似取 E=1.0,取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知0.1=0.62.612.602.592.57依表中数据作出雾沫夹带线（1）（二） 液泛线将为0.5m,为0.0489m,=0.5代入上式，得：，0.61.53.04.5 ，3.73.513.473.35（三） 液相负荷上限线取液体在降液管中停留时间为6秒，得（四） 漏液线（气相负荷下限线），在操作范围内取值得，0.61.53.04.5 ，1.061.0781

17、.101.13（五） 液相负荷下限线取平堰上液层=0.006m,作为液相负荷下限条件，取E=1.0,=9.0作图如下：六 、讨论与优化6.1讨论 从负荷性能图上观察，本设计对设计要求符合基本良好，设计点落在正常工作区，操作弹性适宜。 6.2优化 通过反复优化才得到设计的最终的结果，观察负荷性能图，工作点状态良好，操作弹性优良。 通过在不断的优化过程中，得到以下几点经验： 根据实际情况，在工业生产中，液相上下限由人为规定，且在超过最大，最小液量仍能正常操作的情况还是存在的。 对于因夹带不能正常操作的情况，一般先调Ht，后调D，其中D的调整尤为灵敏。 对于因液泛不能正常操作的情况，Ht是灵敏因素。

18、一般应判断液泛是由于降液管阻力过大引起还是由于塔板阻力过大引起的，然后分别采用不同措施调整降液管底隙或开孔率。若二者的调整不灵敏或已调整至上限，则应加大板间距。 应漏液不能正常操作的情况，一般只能减小开孔率。七表 浮阀塔板工艺设计计算结果序号项目数值1平均温度tm，87.752平均压力Pm，kPa109.853液相流量LS，m3/s0.00164气相流量VS，m3/s2.1745实际塔板数216塔径，m1.67板间距,m0.58溢流形式单溢流9堰长，m1.05610堰高，m0.05311板上液层高度，m0.0612堰上液层高度，m0.04713安定区宽度，m0.0714无效区宽度，m0.061

19、5开孔区面积，m20.17516阀孔直径，m0.03917浮阀数3918孔中心距，m0.07519开孔率0.10120空塔气速，m/s1.4221阀孔气速，m/s23.0522每层塔板压降，Pa70023液沫夹带，（kg液/kg气）0.04124气相负荷上限，m3/s0.0120925液相负荷下限，m3/s0.000926操作弹性3.01八、参考书目 匡国柱，史启才主编 化工单元过程及设备课程教材，化学工业出版社，2005.1 天津大学华工学院柴诚敬主编化工原理下册，高等教育出版社，2006.1 大连理工大学主编化工原理下册，高等教育出版社，2002.12 谭天恩，李伟等编著过程工程原理，化学工业出版社，2004.8 大连理工大学化工原理教研室主编化工原理课程设计。 汤金石等著化工原理课程设计，化学工业出版社，1990.6 化学工业物性数据手册，有机卷。 2008.6.17 20