分離乙醇水精餾塔設(shè)計(jì)(含經(jīng)典工藝流程圖和塔設(shè)備圖)

1、分離乙醇-水的精餾塔設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)人員： 所在班級(jí)： 化學(xué)工程與工藝 成績(jī)： 指導(dǎo)老師： 日期： 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、 設(shè)計(jì)題目：乙醇-水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（1） 進(jìn)精餾塔的料液含乙醇35（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為水；（2） 產(chǎn)品的乙醇含量不得低于90；（3） 塔頂易揮發(fā)組分回收率為99；（4） 生產(chǎn)能力為50000噸/年90的乙醇產(chǎn)品；（5） 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。（6） 操作條件a） 塔頂壓強(qiáng) 4kPa （表壓）b） 進(jìn)料熱狀態(tài) 自選c） 回流比 自選 d） 加熱蒸汽壓力 低壓蒸汽（或自選）e） 單板壓降 kPa。三、 設(shè)備形式：篩板塔或浮閥塔四、

2、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、 設(shè)計(jì)說(shuō)明書的內(nèi)容1） 精餾塔的物料衡算；2） 塔板數(shù)的確定；3） 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算；4） 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；5） 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；6） 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；7） 塔板負(fù)荷性能圖；8） 精餾塔接管尺寸計(jì)算；9） 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論；2、 設(shè)計(jì)圖紙要求；1） 繪制生產(chǎn)工藝流程圖（A2 號(hào)圖紙）；2） 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖 （A2 號(hào)圖紙）；五、 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：1. 常壓下乙醇-水體系的t-x-y 數(shù)據(jù)；2. 乙醇的密度、粘度、表面張力等物性參數(shù)。一、 設(shè)計(jì)題目：乙醇-水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：進(jìn)精餾塔的料液含乙醇

3、35（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為水；產(chǎn)品的乙醇含量不得低于90；塔頂易揮發(fā)組分回收率為99，生產(chǎn)能力為50000噸/年90的乙醇產(chǎn)品；每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。塔頂壓強(qiáng) 4kPa （表壓）進(jìn)料熱狀態(tài) 自選回流比 自選 加熱蒸汽壓力 低壓蒸汽（或自選）單板壓降 0.7kPa。三、 設(shè)備形式：篩板塔四、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1） 精餾塔的物料衡算：原料乙醇的組成 xF0.1740原料乙醇組成 xD0.7788塔頂易揮發(fā)組分回收率90平均摩爾質(zhì)量 MF =由于生產(chǎn)能力50000噸年，.則 qn，F(xiàn)所以，qn，D2） 塔板數(shù)的確定：甲醇水屬非理想體系，但可采用逐板計(jì)算求理論板數(shù),本設(shè)計(jì)中理論塔板數(shù)的

4、計(jì)算采用圖解法。由乙醇和水有關(guān)物性的數(shù)據(jù)，求的求得乙醇水體系的相對(duì)揮發(fā)度=5.1016，最小回流比的計(jì)算：采用泡點(diǎn)進(jìn)料，所以q1，xF，由氣液平衡方程y ， 所以yq，即，把xF=xq=𝟎.𝟏𝟕𝟒𝟎作y軸平行線交操作線與f.如下圖即 .求得yq=0.5130.所以，根據(jù)最小回流比計(jì)算公式Rmin即，Rmin=,根據(jù)回流比R是最小回流比的合適倍數(shù)，所以選擇選擇2倍。即R=2Rmin=0.879. 進(jìn)料熱狀況選擇為泡點(diǎn)進(jìn)料，所以q=1精餾段，根基操作線方程：y= 所以，y=0.468 x+0.415 聯(lián)立y=x 所以x

5、=xD=0.7801 提餾段，y=聯(lián)立y=x求得y=2.872x-0.078所以提餾段x=xw=0.04 根據(jù)xD，xw，及xq以及操作線方程，利用圖解法在x-y坐標(biāo)上做出平衡線與對(duì)角線并且畫梯級(jí)作圖如下：由圖可知，精餾段塔板為10.提餾段為5.一個(gè)再沸器.所以提餾段為4個(gè)板.所需總塔板數(shù)為提餾段和精餾段之和，故，所需總塔板數(shù)為14.查手冊(cè)得水和乙醇?xì)庖浩胶鈹?shù)據(jù)，t數(shù)據(jù)利用表2中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得、。進(jìn)料口： , =79.26塔頂：，=78.05塔釜：，=97.63精餾段平均溫度提餾段平均溫度 由塔頂和塔底平均溫度得=查手冊(cè)得，由內(nèi)插法可得在87.84下，乙醇的粘度為，水的粘度為可以有下

6、式求得平均粘度其中xi-進(jìn)料中某組分的摩爾分?jǐn)?shù)-該組分的粘度，按照塔的平均溫度下的液體計(jì)則=0.4*0.3790+0.6*0.3245=0.3463mPaS帶入回歸方程E1=0.563-0.276lg2=0.594該算法為泡罩塔蒸餾塔總板效率，則篩板塔為E=1.1E1=0.653精餾段實(shí)際板層數(shù) = 10/0.653=16提餾段實(shí)際板層數(shù) =4/0.653=7進(jìn)料板位置 總的塔板數(shù) Nc=16+7=233） 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算：一、 乙醇?xì)庖浩胶鈹?shù)據(jù)（101.3kPa）表1如下T/液相xa/%氣相ya/%T/液相xa/%氣相ya/%T/液相xa/%氣相ya/%1000088.

7、36.938.182.42555.599.30.22.587.97.439.281.630.657.798.80.44.287.77.940.281.235.159.697.70.88.887.48.441.380.84061.496.71.212.8878.942.180.445.463.495.81.616.386.79.442.98050.265.495218.786.49.943.879.85466.994.22.421.486.210.544.679.659.669.693.42.924861145.479.364.171.992.63.326.285.711.546.178.870

8、.675.891.93.728.185.412.146.978.67679.391.34.229.985.212.647.578.479.881.890.84.631.68513.248.178.28686.490.55.133.184.813.848.778.1589.489.489.75.534.584.714.449.39594.289.2635.884.51549.8100100896.53783.32053.1查閱文獻(xiàn)，整理有關(guān)物性數(shù)據(jù) 表2如下（1）水和乙醇的物理性質(zhì)水和乙醇的物理性質(zhì)名稱分子式相對(duì)分子質(zhì)量密度20沸 點(diǎn)101.33kPa比熱容(20)Kg/(kg.)黏度(20)m

9、Pa.s導(dǎo)熱系數(shù)(20)/(m.)表面張力(20)N/m水18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.8乙醇相對(duì)分子質(zhì)量：46；水相對(duì)分子質(zhì)量：18由常壓下乙醇-水溶液的溫度組成t-x-y圖可查得塔頂溫度 tD=78.3泡點(diǎn)進(jìn)料溫度 tF=84.0塔釜溫度 tW=99.9全塔平均溫度由液體的黏度共線圖可查得t=87.4下，乙醇的黏度L=0.38mPa·s，水的黏度L =0.3269mPa·s 根據(jù)物性參數(shù)數(shù)據(jù)求的求得乙醇水體系的相對(duì)揮發(fā)度=5.1016，根據(jù)最小回流比計(jì)算公式Rmin=(xD-yq)

10、/(yq-xq)即，Rmin=(0.7788-0.5179)/(0.5179-0.1740)=0.7586，由于根據(jù)選擇適宜的回流比，選擇R=1.7Rmin=1.2896，4） 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算：塔徑的計(jì)算 精餾段的氣、液相體積流率為 提餾段的氣、液相體積流率為由 由下式計(jì)算由史密斯關(guān)聯(lián)圖查取：精餾段：圖的橫坐標(biāo)為：取板間距 板上液層高度 ，則 HT-hL=0.40-0.05=0.35m查圖得 =1.903m/s取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為： 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為=1.4m塔截面積為 精餾段實(shí)際空塔氣速為 提餾段：圖的橫坐標(biāo)為：取板間距 板上液層高度 ，則查圖得 =1.026m/s取

11、安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為： 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為=1.4m塔截面積為 提餾段實(shí)際空塔氣速為 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾塔有效高度為： 提餾段有效高度為：在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為： 表5 塔板間距與塔徑的關(guān)系塔 徑/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距/HT，mm200300250350300450350600400600由表驗(yàn)算以上所計(jì)算的塔徑對(duì)應(yīng)的板間距均符合，所以以上所假設(shè)的板間距均成立。5）塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；溢流裝置計(jì)算因塔徑D=1.4m ,可選用單溢弓形降液管,采用凹形受液盤.各項(xiàng)計(jì)算如下: 堰長(zhǎng)的計(jì)算 堰

12、長(zhǎng)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，對(duì)于常用的弓形降液管：?jiǎn)我缌?堰長(zhǎng) lw取 溢流堰高度的計(jì)算溢流堰高度可由下式計(jì)算：式中：板上清液層高度，m；一般取50100 堰上液層高度，；一般設(shè)計(jì)時(shí)不宜超過(guò)6070 mm. 對(duì)于平直堰，堰上液層高度可用弗蘭西斯（Francis）公式計(jì)算，即式中：塔內(nèi)液體流量， 液體收縮系數(shù)。近似取E=1 精餾段： ，故取則取板上清液層高度 故 提餾段： ， 故取 則取板上清液層高度 故 弓形降液管寬度Wd及截面積AF精餾段： 由 查弓形降液管的參數(shù)表得：得： 液體在降液管中停留時(shí)間,按式，即故降液管設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)分離。提餾段：由查弓型降液管參數(shù)圖得：得： 液體在降液管中停留時(shí)

13、間,按式，即故降液管設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)分離。3.5.1.4 降液管底隙高度h0式中：液體通過(guò)底隙時(shí)的流速， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取=0.060.25精餾段：取 則故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理.選用凹形受液盤深度：提餾段：取 則故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理.選用凹形受液盤深度：塔板的布置板式塔類型有多種，經(jīng)過(guò)比較工藝條件的考慮，本設(shè)計(jì)采用篩板，以下為篩板的計(jì)算。塔板分塊 因 , 故塔板采用分塊式.查表6 表6塔徑mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分塊數(shù)3456得,塔板分為4塊.邊緣區(qū)寬度確定溢流堰前安定區(qū)寬度為 進(jìn)口堰后的安定區(qū)寬度為Ws=50-100mm邊緣區(qū)（無(wú)效區(qū)

14、）寬度為 取，開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積，按下式計(jì)算,即其中故篩孔計(jì)算及其排列 本例所處理的物系無(wú)腐蝕性,可選用 =3mm碳鋼板,取篩孔直徑 d0=5mm 篩孔按正三角形排列,取孔中心距t 為： 篩孔數(shù)目n 為 ： 開孔率為 精餾段氣體通過(guò)閥孔的氣速為： 提餾段氣體通過(guò)閥孔的氣速為： 篩孔計(jì)算及其排列 本例所處理的物系無(wú)腐蝕性,可選用 =3mm碳鋼板,取篩孔直徑 d0=5mm 篩孔按正三角形排列,取孔中心距t 為： 篩孔數(shù)目n 為 ： 開孔率為 精餾段氣體通過(guò)閥孔的氣速為： 提餾段氣體通過(guò)閥孔的氣速為： 6)塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算塔板壓降精餾段 ：干板阻力hc計(jì)算干板阻力 hc 由下式計(jì)算, 即 由

15、，查常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)得, C0=0.772故 液柱氣體通過(guò)液層的阻力氣體通過(guò)液層阻力可由下式計(jì)算，即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得到故 液體表面張力的阻力的計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力可由下式計(jì)算，即 則氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 則 液柱氣體通過(guò)每層塔板的壓降為 （設(shè)計(jì)允許值）提餾段：干板阻力hc計(jì)算干板阻力 hc 由下式計(jì)算, 即 由，查常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)得, C0=0.772故液柱塔上液層有效阻力hl計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力hl計(jì)算,即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得到故 液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計(jì)算，即氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 則 液柱氣體通過(guò)每層塔板的壓降為

16、 (設(shè)計(jì)允許值)液面落差對(duì)于篩板塔,液面落差很小,且本例的塔徑和液流量均不大,故可忽略液面落差的影響.液沫夾帶精餾段：液沫夾帶量由下式計(jì)算,即故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量ev在允許范圍內(nèi)。提餾段：液沫夾帶量由下式計(jì)算,即 故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量ev在允許范圍內(nèi)漏液對(duì)篩板塔,漏液點(diǎn)氣速u0,min計(jì)算,即精餾段：實(shí)際孔速 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液提餾段：實(shí)際孔速 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)液層高 Hd應(yīng)服從下式的關(guān)系,即精餾段：乙醇-水體系屬一般物系，取=0.5,則而板上不設(shè)進(jìn)口堰, hd 可由下式計(jì)算,即液柱 液柱 =0.22m故在本設(shè)計(jì)中不發(fā)生液泛

17、現(xiàn)象.提餾段：乙醇-水物系屬一般物系，取=0.5,則而板上不設(shè)進(jìn)口堰, hd 可由下式計(jì)算,即液柱 液柱 =0.2175m故在本設(shè)計(jì)中不發(fā)生液泛現(xiàn)象.7) 塔板負(fù)荷性能圖 漏液線由 得=4.4×0.772×0.101×1.1 整理得 在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)Ls 值, 依上計(jì)算 Vs 值, 計(jì)算結(jié)果列于表 7 . 表70.00060.00150.00300.00450.77100.79820.83180.8589由上表數(shù)據(jù)即可作出精餾段漏液線提餾段漏液線：得=4.4×0.772×0.101×1.1 整理得 在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)Ls 值

18、, 依上計(jì)算 Vs 值, 計(jì)算結(jié)果列于表 8 .0.00060.00150.00300.00450.83710.91960.96731.006液沫夾帶線以 ev =0.1kg液/kg氣為限,求Vs- Ls 關(guān)系如下:由 精餾段：hf=2.5hl=2.5(hw+how)hw=0.0364m故 整理得 ,0.00060.00150.00300.0045,3.0112.9522.8122.695 在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)值,依上式計(jì)算出值,計(jì)算結(jié)果列于下表 9由上表數(shù)據(jù)即可作出精餾段液沫夾帶線提餾段：hf=2.5hl=2.5(hw+how)hw=0.0351m故 整理得 ,0.00060.00150.

19、00300.0045,3.5943.4683.3063.169 在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)值,依上式計(jì)算出值,計(jì)算結(jié)果列于下表 10由上表數(shù)據(jù)即可作出提餾段液沫夾帶線液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰,取堰上液液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn).由下式得取E=1則精餾段提餾段據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管理中停留時(shí)間的下限,由下式得故精餾段據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)液上限線。液泛線令由; ; ; 聯(lián)立得 忽略 將 與,與, 與 的關(guān)系式代入上式,并整理得 式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入,得精餾段： 故 在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)值,依上式計(jì)算出 值,計(jì)算結(jié)果列于下表 1

20、1 ,0.00060.00150.00300.0045,3.4703.3873.2623.132由以上數(shù)據(jù)即可作出精餾段液泛線提餾段： 故 在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)值,依上式計(jì)算出 值,計(jì)算結(jié)果列于下表 12,0.00060.00150.00300.0045,4.1584.0583.9123.766由以上數(shù)據(jù)即可作出提餾段液泛線根據(jù)以上各線方程,可作出精餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖,如圖所示. 在負(fù)荷性能圖上，作出精餾段操作線，由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏夜控制。由圖查得 s max=0.78m3/s ， s min=3.24m3/s故操作彈性為 s max/s min=3.24/

21、0.78=4.15根據(jù)以上各線方程,可作出提餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖,如圖所示. 在負(fù)荷性能圖上，作出提留段操作線；由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏夜控制。由圖查得 s max=0.85 m3/s ， s min=3.6m3/s故操作彈性為 s max/s min=0.85/3.6=4.23根據(jù)以上各線方程,可作出提餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖,如圖所示. 篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1平均溫度tm，（精餾段）78.65平均溫度tm，(提餾段)88.4452平均壓力Pm,，kPa（精餾段）108.45平均壓力Pm,，kPa(提餾段)113.353氣相流量VS（m3/s）（精餾段）2.

22、015氣相流量VS（m3/s）（提餾段）1.9814液相流量LS(m3/s) （精餾段）0.002702液相流量LS(m3/s) （提餾段）0.0030815實(shí)際塔板數(shù)226有效段高度Z，m887塔徑,m1.48板間距,m0.49溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長(zhǎng),m0.92412堰高,m（精餾段）0.0364堰高,m（提餾段）0.035113板上液層高度,m0.05014堰上液層高度,m（精餾段）0.0136堰上液層高度,m（提餾段0.0148915降液管底隙高度m(精餾段)0.0244降液管底隙高度m(提餾段)0.027816安定區(qū)寬度,m0.0717邊緣區(qū)寬度,m0.03518開孔

23、區(qū)面積,m21.1119篩孔直徑,m0.00520篩孔數(shù)目569821孔中心距,m0.01522開孔率,%10.123空塔氣速,m/s1.28824篩孔氣速,m/s(精餾段)1797篩孔氣速,m/s(提餾段)17.6725穩(wěn)定系數(shù)(精餾段)2.355穩(wěn)定系數(shù)(提餾段)2.04326負(fù)荷上限液泛控制27負(fù)荷下限漏液控制28液沫夾帶eV,(kg液/kg氣)0.129液相負(fù)荷上限,m3/s0.00788230液相負(fù)荷下限m3/s0.011131操作彈性（精餾段）4.15操作彈性（提餾段）4.238)精餾塔接管尺寸計(jì)算；進(jìn)料管前已算出，塔徑D=0.7m，故可采用簡(jiǎn)單的直管進(jìn)料結(jié)構(gòu)，不加套管，手可入塔檢

24、修，由下式計(jì)算進(jìn)料管直徑 料液由泵輸送時(shí)可取1.52.5m/s取則D=0.031m=31mm， 選內(nèi)管為323.5，a=10mm b=25mm c=10mm H2=150mm 回流管通常重力回流管內(nèi)液速度取0.2-0.5m/s，由泵輸送uR=1.2-2.5m/s，取uR=2m/s，回流管直徑液相：L=209.12540.66=8503.02kg/hD=取管規(guī)格45mm塔頂蒸汽出料管 塔頂?shù)臏囟葹?8.3，此時(shí)氣相組成：塔頂蒸氣密度蒸氣體積流量常壓下蒸汽的速度為15m/s蒸汽量為V=m3/s取回流管規(guī)格為。塔釜排出管 一般取0.5-1.0m/s，取0.8m/sMl=18.28kg/kmol 3L

25、w= 取此管規(guī)格為60mm10） 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論；2設(shè)計(jì)圖紙要求；1繪制生產(chǎn)工藝流程圖（A2 號(hào)圖紙）；乙醇水溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。乙醇水混合液原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)溫度后送入精餾塔進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過(guò)程。1) 乙醇水工藝流程圖2)精餾塔設(shè)計(jì)條件圖：a,b圖a圖b五 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：1常壓下乙醇