乙醇-水连续精馏塔的设计

化工原理课程设计任务书一一、设计题目：乙醇精馏塔二、设计任务及条件（1）、进料含乙醇38.2%，其余为水（均为质量分率，下同）（2）、产品乙醇含量不低于93.1%；（3）、釜残液中乙醇含量不高于0.01%；（4）、生产能力5000T/Y乙醇产品，年开工7200小时（5）、操作条件：①间接蒸汽加热；②塔顶压强：1.03atm（绝对压强）③进料热状况：泡点进料；④回流比：R=5⑤单板压降：75mm液柱三、设计内容（1）、流程的确定和说明；（2）、塔板和塔径计算；（3）、塔盘结构设计：i.浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图；ii.流体力学验算；iii.塔板负荷性能图。（4）、其它：i.加热蒸汽消耗量；ii.冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量四、设计成果（1）设计说明书一份；（2）A4设计图纸包括：流程图、精馏塔工艺条件图。化工原理课程设计任务书(6)(一)设计题目乙醇-水连续精馏塔的设计(二)设计任务及操作条件1)进精馏塔的料液含乙醇25%（质量分数，下同），其余为水；2)产品的乙醇含量不得低于94%；3)残液中乙醇含量不得高于0.1%；4)生产能力为日产（24小时）吨94%的乙醇产品；5)操作条件a)塔顶压力4kPa（表压）b)进料热状态自选c)回流比自选d)加热蒸气压力0.5MPa（表压）e)单板压降≤0.7kPa。(三)塔板类型浮阀塔。(四)厂址厂址为武汉地区。(五)设计内容1、设计说明书的内容1)精馏塔的物料衡算；2)塔板数的确定；3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5)塔板主要工艺尺寸的计算；6)塔板的流体力学验算；7)塔板负荷性能图；8)精馏塔接管尺寸计算；9)对设计过程的评述和有关问题的讨论。2、设计图纸要求：1)绘制生产工艺流程图（A2号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。3.4浮阀精馏塔设计实例3.4.1化工原理课程设计任务书1设计题目：分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计2原始数据及条件生产能力：年处理乙醇-水混合液14.0万吨（开工率300天/年）原料：乙醇含量为20%（质量百分比，下同）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%塔底乙醇含量不高于0.2%建厂地址：江苏常州3.4.2塔板的工艺设计1精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量（kmol/s）xF：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（kmol/s）xD：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s）xW：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：F=D+WFxF=DxD+WxW联立代入求解：D=0.0264kmol/s，W=0.2371kmol/s2常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）和温度关系在示例中对表格、图和公式未编号，在设计说明书中要求严格编号。表3-11乙醇-水气液平衡组成（摩尔）和温度关系温度/℃液相气相温度/℃液相气相温度/℃液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99（1）温度利用表中数据由拉格朗日插值可求得tF、tD、tW①tF：tF=87.41℃②tD：tD=78.17℃③tW：tW=99.82℃④精馏段平均温度：⑤提馏段平均温度：（2）密度已知：混合液密度：混合气密度：①精馏段：液相组成x1：x1=22.94%气相组成y1：y1=54.22%所以②提馏段液相组成x2：x2=3.44%气相组成y2：y2=23.37%所以表3-12不同温度下乙醇和水的密度温度/℃ρ乙ρ水温度/℃ρ乙ρ水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在和下的乙醇和水的密度，，，同理：，，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）混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式：注：，，，，，，式中下角标，w,o,s分别代表水、有机物及表面部分，xw、xo指主体部分的分子数，Vw、Vo主体部分的分子体积，δw、δo为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。①精馏段表3-13不同温度下的表面张力温度/℃708090100乙醇表面张力/10-2N/m21817.1516.215.2水表面张力/10-2N/m264.362.660.758.8乙醇表面张力：水表面张力：因为，所以联立方程组，代入求得：，，1.提馏段，乙醇表面张力：解得：水表面张力：解得：因为，所以联立方程组，代入求得：，（4）混合物的粘度，查表得：，，查表得：，精馏段粘度：提馏段粘度：（5）相对挥发度①精馏段挥发度：由，得，所以②提馏段挥发度：由，得，（6）气液相体积流量计算根据x-y图得：取①精馏段：已知：，，则有质量流量：体积流量：②提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以已知：，，则有质量流量：体积流量：3理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。根据1.01325×105Pa下，乙醇—水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线，即x-y曲线图，泡点进料，所以q=1，即q为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已和平衡线相切，如图（图略）：xq=0.0891，yq=0.3025，所以，操作回流比已知：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：在图上作操作线，由点（0.8814,0.8814）起在平衡线和操作线间画阶梯，过精馏段操作线和q线交点，直到阶梯和平衡线交点小于0.00078为止，由此得到理论板NT=26块（包括再沸器）加料板为第24块理论板。板效率和塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算。注：α——塔顶和塔底平均温度下的相对挥发度μL——塔顶和塔底平均温度下的液相粘度mPa·s（1）精馏段已知：，所以：，故块（2）提馏段已知：，所以：，故块全塔所需实际塔板数：全塔效率：加料板位置在第53块塔板。4塔径的初步设计(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：，，则查图可知，横截面积：，空塔气速：(2)提馏段横坐标数值：取板间距：，，则查图可知，圆整：，横截面积：，空塔气速：5溢流装置(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（2）弓形降液管的宽度和横截面查图得：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。(3)降液管底隙高度①精馏段取降液管底隙的流速，则②提馏段取，，取因为不小于20mm，故满足要求。6塔板布置及浮阀数目和排列（1）塔板分布本设计塔径，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。（2）浮阀数目和排列①精馏段取阀孔动能因子，则孔速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：考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑和衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用81mm，而应小些，故取，按，，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数288个。按重新核算孔速及阀孔动能因数阀孔动能因数变化不大，仍在9~13范围内塔板开孔率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，取，排得阀数为244块按块重新核算孔速及阀孔动能因数阀孔动能因数变化不大，仍在9~13范围内塔板开孔率浮阀数排列方式如图所示（图略）3.4.3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)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，因此和气体流经塔板的压降相当的高度为(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，因此和单板的压降相当的液柱高度为2淹塔为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度（1）精馏段①单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度②液体通过液体降液管的压头损失③板上液层高度取，已选定则可见所以符合防止淹塔的要求。（2）提馏段①单板压降所相当的液柱高度②液体通过液体降液管的压头损失③板上液层高度取，则可见所以符合防止淹塔的要求。3物沫夹带（1）精馏段板上液体流经长度：板上液流面积：查物性系数，泛点负荷系数图对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，物沫夹带能够满足的要求。（2）提馏段取物性系数，泛点负荷系数图由计算可知，符合要求。4塔板负荷性能图（1）物沫夹带线据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算：①精馏段整理得：由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值算出②提馏段整理得：表3-14精馏段Ls(m3/s)0.0020.01Vs(m3/s)4.794.39提馏段L′s(m3/s)0.0020.01V′s(m3/s)5.835.33（2）液泛线由此确定液泛线，忽略式中而①精馏段整理得：②提馏段整理得：在操作范围内任取若干个值，算出相应得值：表3-15精馏段Ls1(m3/s)0.0010.0030.0040.007Vs1(m3/s)7.156.866.936.23提馏段Ls2(m3/s)0.0010.0030.0040.007Vs2(m3/s)8.077.837.727.42（3）液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3~5s液体降液管内停留时间以作为液体在降液管内停留时间的下限，则（4）漏液线对于F1型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则①精馏段②提馏段（5）液相负荷下限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，该线为和气相流量无关的竖直线。取，则由以上1~5作出塔板负荷性能图（图略）由塔板负荷性能图可以看出：①在任务规定的气液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的适中位置；②塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由漏液控制；③按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限。所以：；表3-16浮阀塔工艺设计计算结果项目符号单位计算数据备注精馏段提馏段塔径Dm1.81.8板间距HTm0.450.45塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速um/s1.541.58堰长lwm1.171.17堰高hwm0.05730.0470板上液层高度m0.070.07降液管底隙高h0m0.020.05浮阀数N288244等腰三角形叉排阀孔气速u0m/s11.2411.34同一横排孔心距浮阀动能因子F012.1112.47相邻横排中心距离临界阀孔气速u0cm/s9.7811.72孔心距tm0.0750.075排间距t′m0.0650.08单板压降ΔpPPa683.91703.77液体在降液管内停留时间θs30.1611.30降液管内清液层高度Hdm0.150.1525泛点率%66.3060.44气相负荷上限(Vs)maxm3/s4.901.67物沫夹带控制气相负荷下限(Vs)minm3/s4.801.71漏液控制操作弹性2.932.813.4.4塔附件设计1接管(1)进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管。管径计算如下：取查标准系列选取(2)回流管采用直管回流管，取查表取(3)塔釜出料管取，直管出料，查表取(4)塔顶蒸气出料管直管出气，取出口气速查表取(5)塔釜进气管采用直管，取气速查表取(6)法兰由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。①进料管接管法兰：Pg6Dg70HG