化工原理课程设计乙醇水精馏塔及其主要附属设备设计

化工原理课程设计

题目：乙醇-水精馏塔及其主要附属设备设计

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指导教师：

2010年  9月  15 日

一  概述……………………………………………………………………………………………………………….4

1.1 设计依据………………………………………………………………………………………………………4

1.2 技术来源…………………………………………………………………………………………..............4

1.3 设计内容……………………………………………………………………………………….……………..4

1.4 工艺条件……………………………………………………………………………………….……………..5

1.5 塔型选择…………………………………………………………………………………………..............5

二  塔板的工艺设计…………………………………………………………………………….……………..5

2.1 物料衡算………………………………………………………………………………………………………5

2.2 精馏塔内各物性参数……………………………………………………………………………………………..6

2.2.1 温度……………………………………………………………………………………………………………..……..6

2.2.2 密度………………………………………………………………………………………………………….....….….7

2.2.3 粘度…………………………………………………………………………………………………….………………8

2.2.4 相对挥发度……………………………………………………………………………………………9

2.2.5 混合液体表面张力………………………………………………………………….…………….9

2.2.6 气液体积流量……………………………………………………………………………………… 11

2.3 理论塔板数……………………………………………………………………………………...............12

2.3.1 最小回流比Rmin及操作回流比R的确定………………………………………….12

2.3.2 操作线方程…………………………………………………………………………………………..13

2.4 实际塔板数………………………………………………………………………………………………………..….…13

2.4.1 精馏段……………………………………………………………………………………………………..…….….13

2.4.2 提馏段……………………………………………………………………………………………………………….13

2.4.3 全塔效率…………………………………………………………………………………………………..……..14

2.5 塔径的初步计算…………………………………………………………………………………………….……….14

  2.5.1 精馏段………………………………………………………………………………………………………..….....14

   2.5.2 提馏段…………………………………………………………………………………………………….…………14

2.6 塔有效高度的计算…………………………………………………………………………………………………15

2.7 溢流装置………………………………………………………………………………………………………………....15

   2.7.1 堰长……………………………………………………………………………………………………………….…15

   2.7.2 方形降液管的宽度和横截面……………………………………………………………………....15

   2.7.3 降液管底隙高度………………………………………………………………………………………….….16

2.8 塔板布置及复发数目与排列…………………………………………………………………………..…..16

   2.8.1 踏板分布……………………………………………………………………………………………………..……16

   2.8.2 浮阀数目与排列……………………………………………………………………………………..……...16

三  塔板的流体力学计算……………………………………………………………………………………………..17

3.1 气相通过浮阀塔板的压降…………………………………………………………………………..……….17

   3.1.1 精馏段…………………………………………………………………………………………………….……......17

   3.1.2 提馏段…………………………………………………………………………………………………...............17

3.2 淹塔……………………………………………………………………………………………………………………….....17

   3.2.1 精馏段……………………………………………………………………………………………………………….18

   3.2.2 提馏段…………………………………………………………………………………………………………...…18

3.3 雾沫夹带…………………………………………………………………………………………………………….……18

  3.3.1 精馏段…………………………………………………………………………………………………..…………..19

  3.3.2 提馏段…………………………………………………………………………………………………….…………19

3.4 塔板负荷性能图……………………………………………………………………………………………….......19

  3.4.1 雾沫夹带线………………………………………………………………………………………………..…….19

   3.4.2 液泛线…………………………………………………………………………………………………………..…..20

  3.4.3 液相负荷上限…………………………………………………………………………………………………..21

   3.4.4 漏液线………………………………………………………………………………………………………….......21

3.4.5 液相负荷下限线…………………………………………………………………………..…......21

四  接管尺寸的确定…………………………………………………………………………………………………..….23

4.1 进料管…………………………………………………………………………………………………………………….…23

4.2 回流管……………………………………………………………………………………………………………………….23

4.3 塔釜出料管…………………………………………………………………………………………………………..….23

4.4 塔顶蒸汽出料管……………………………………………………………………………………………………..24

4.5 塔釜进气管………………………………………………………………………………………….……………..…..24

五  附属设备设计…………………………………………………………………………………………..………………24

5.1 冷凝器………………………………………………………………………………………………………………………24

5.2 再沸器…………………………………………………………………………………………………...…….…………..25

六  总结…………………………………………………………………………………………………………………………….25

七  参考文献……………………………………………………………………………………………………………………26

八  附件………………………………………………………………………………………………………………...………….26

一、概述

乙醇—水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，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。山东也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。

塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。

1.1 设计依据

本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。

1.2 技术来源

目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。

1.3设计内容

1、确定精馏装置流程，绘出流程示意图。

2、工艺参数的确定

基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。

3、主要设备的工艺尺寸计算

板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。

4 、流体力学计算

流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。

5、主要附属设备设计计算及选型

塔顶全凝器设计计算：热负荷，载热体用量，选型及流体力学计算。

料液泵设计计算：流程计算及选型。

1.4、工艺条件

生产能力：40000吨/年（料液）

年工作日：300天

原料组成：40%乙醇，60%水（摩尔分率，下同）

产品组成：馏出液70%乙醇，釜液0.04%乙醇

操作压力：塔顶压强为常压

进料温度：泡点

进料状况：泡点

加热方式：直接蒸汽加热

回流比： 自选

1.5. 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小时计算，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，选用浮阀塔。

二、 塔板的工艺设计

1、物料衡算

依题意

2、精馏塔内各物性参数计算

表1 常压下乙醇和水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系[3]

根据表1绘制常压下乙醇和水液相平衡组成（摩尔）与温度的关系曲线

      图1 常压下乙醇和水液相平衡组成（摩尔）与温度的关系曲线

由此图可以读出不同摩尔分数下对应的温度

精馏段的平均温度: 

提馏段的平均温度：

2.2、密度：

已知：混合液密度：（为质量分率，为平均相对分子质量）

混合气密度：

（1）精馏段

液相组成：

气相组成 ：

所以 kg/kmol

（2）提馏段

℃

液相组成 ：

气相组成 ：

所以

表2 不同温度下乙醇和水的密度[3]

℃

℃

精馏段：

气相密度：

提馏段：

气相密度：

2.3、黏度

表3 不同温度下溶液黏度[3]

℃

所以精馏段黏度

（2）提馏段

℃

提馏段黏度

2.4、相对挥发度

（1）精馏段：由 得

（2）提馏段：由 得

2.5、混合液体表面张力

公式：

式中下角标，w、s、o分别代表水、有机物及表面部分，指主体部分的分子数，指主体部分的分子体积，为纯水、有机物的表面张力，对乙醇。

表4 不同温度下乙醇和水的表面张力[3]

联立方程组：

代入求得：

（2）提馏段

℃

，

联立方程组：

代入求得：

2.6、气液体积流量：

（1）精馏段：

已知：

质量流量：

体积流量：

（2）提馏段：

已知：

质量流量：

体积流量：

3、理论塔板数

  3.1、最小回流比及操作回流比的确定

      点做平衡线的切线，如图：

图2 平衡线的切线图

读得切点坐标为，因此：

取操作回流比

3.2、操作线方程

因为是直接蒸汽加热，所以

提馏段操作线方程：

精馏段操作线方程：

由此作图

得到7块理论塔板，精馏段3块，提馏段4块，进料板在第4块

4、实际塔板数

4.1、精馏段：

4.2、提馏段：

全部实际塔板数：

4.3、全塔效率：

5、塔径的初步计算

5.1、精馏段

由，式中C可由史密斯关联图查出：

横坐标数值：

取板间距：，，  则

查史密斯关联图可知

横截面积：， 空塔气速：

5.2．提馏段

取板间距：，，  则

查史密斯关联图可知

圆整：

横截面积：， 空塔气速：

6、塔有效高度的计算

7、溢流装置

7.1、堰长

取

出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算

   近似取

（1）精馏段

（2）提馏段

7.2、方形降液管的宽度和横截面

验算降液管内停留时间：

精馏段：

提馏段：

停留时间。故降液管可使用。

7.3、降液管底隙高度

（1）精馏段

取降液管底隙流速，则   

（2）提馏段

取，则   

8、塔板布置及浮阀数目及排列

8.1、塔板分布

本设计塔径，采用分块式板塔，以便通过人孔装塔板。

8.2、浮阀数目与排列

（1）精馏段

取阀孔动能因子，则孔速为   

每层塔板上浮阀数目为

取边缘区宽度，  破沫区宽度

计算塔板上的鼓泡区面积，即   

其中                       

所以   

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距

则排间距：

（2）提馏段

取阀孔动能因子，则   

每层塔板上浮阀数目为   

按，估算排间距，

三、塔板的流体力学计算

1、气相通过浮阀塔板的压降

可根据计算

1.1、精馏段

（1）干板阻力   

因，故   

（2）板上充气液层阻力

取

（3）液体表面张力所造成的阻力

此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经踏板的压降相当的高度为

1.2、提馏段

（1）干板阻力   

因，故   

（2）板上充气液层阻力

取

（3）液体表面张力所造成的阻力

此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经踏板的压降相当的高度为

2、淹塔

为了防止淹塔现象，要求控制降液管中清液高度，即

2.1、精馏段

（1）单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度   

（2）液体通过降液管的压头损失

（3）板上液层高度  ，则

     取已选定

     则

     可见所以符合防止淹塔的要求

2.2、提留段

（1）单板压降所相当的液柱高度 

（2）液体通过降液管的压头损失 ：

（3）板上液层高度： 则

     取，则

     可见 ，所以符合防止湮塔的要求

3、雾沫夹带

        泛点率 = 

        泛点率 =

板上液体流经长度：

板上液流面积；

3.1 精馏段

取物性系数，泛点负荷系数

泛点率 =

泛点率 =

对于大塔，为了避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知雾沫夹带能满足（g液kg气）的要求

3.2 提留段

取物性系数，泛点负荷系数

  泛点率 =

  泛点率 =

由计算可知，符合要求

4、塔板负荷性能图

4.1、雾沫夹带线         泛点率 = 

据此可计算出负荷性能图中的雾沫夹带线，按泛点率80%计算：

（1）精馏段

整理得：，即

由式子可知雾沫夹带线为直线，通过取可算出

（2）提精馏段

整理得：，即

由式子可知雾沫夹带线为直线，通过取可算出

由此确定液泛线，忽略式中

而

（1）精馏段

整理得：

（2）提留段

整理得：

在操作范围内，取若干，算出相应的值

液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3~5 s

液体降液管中停留时间s

以s作为液体在降液管中停留时间的下限，则

4.4、漏液线

对于型重阀，依=5作为规定气体最小负荷的标准，则

（1）精馏段

（2）提留段

4.5、液相负荷下限线

取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线

取，则

由以上1~5作出塔板负荷性能图

图4 精馏段塔板负荷性能图

图5 提馏段塔板负荷性能图

由图可看出：

（1）在任务规定的气液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区的适中位置

（2）塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制

（3）按固定的液气比，由图查出精馏段塔板的气相负荷上限，气相负荷下限    提留段塔板的气相负荷上限，气相负荷下限

所以：精馏段操作弹性=，提留段操作弹性=

浮阀塔工艺设计算结果

1、进料管

本设计采用直管进料，管径计算如下：

取   则

经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：

2、回流管

直管回流，

取 则

经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：

3、塔釜出料管

直管出料，取

   则

经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：

4、塔顶蒸汽出料管

直管出气，取出口气速

则

经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：

5、塔釜进气管

直管进气，取气速

则

经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87），规格：

五、附属设备设计

1、冷凝器

塔顶全凝器的热负荷：

取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别25℃和45℃则

平均温度下的比热  ，于是冷凝水用量可求

有机物蒸汽冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为

本设计取  

出料温度：   78℃（饱和气）78℃（饱和液）

冷却水温度：       25℃      45℃

逆流操作：

传热面积：   

2、再沸器

因为釜残液几乎为纯水，故其焓可按纯水计算，即  

选用120℃饱和水蒸气加热，传热系数  

料液温度  99.99℃ 100℃，热流体温度120℃（水蒸气）120℃（水）

逆流操作：

换热面积：    

六、总结

经过长达两周的设计，已基本完成了此次设计的要求，包括：

1、流程示意图的绘制

2、工艺参数的确定：塔内精馏段、提馏段物质的物性（温度、密度、粘度、表面张力、 相对挥发度、体积流量），理论与实际塔板数，塔板效率

3、主要设备的工艺尺寸计算：板间距，塔径，塔高，溢流装置

4、流体力学计算：流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。

5、主要附属设备设计计算及选型：再沸器及冷凝塔的热负荷和传热面积

当然与设计内容还有一点差距，比如在料液泵的选型计算以及其他附属设计选型上,还有就是塔盘的布置等。

我觉得这主要是因为化工原理有一大块我们没有学习的原因。而且我们这组由于数据的特殊性，导致回流比小于1，精馏段塔板数少于提馏段等与其他组完全不同的情况，使得我们的进展有了较大阻力。

七、参考文献

[1]夏清、陈长贵. 化工原理（上册）[M]. 天津:天津大学出版社，2005

[2]夏清、陈长贵. 化工原理（下册）[M]. 天津:天津大学出版社，2005

[3]王国胜. 化工原理课程设计[M]. 大连：大连理工大学出版社，2005

[4]阮奇、黄诗煌等. 化工原理优化设计与解题指南[M]. 北京：化学工业

2001

[5]林爱光. 化学工程基础学习指导与习题解答[M]. 北京：清华大学出版社，2003

[6]吴俊生、邵惠鹤. 精馏设计、操作和控制[M]. 北京：中国石化出版社，1997

[7]侯文顺. 化工设计概论[M]. 北京：化学工业出版社，2005

八、附件

符号说明