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分离乙醇-水的精馏塔设计 设计人员： 所在班级： 化学工程与工艺 成绩： 指导老师： 日期： 化工原理课程设计任务书一、 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35（质量分数，下同），其余为水；（2） 产品的乙醇含量不得低于90；（3） 塔顶易挥发组分回收率为99；（4） 生产能力为50000吨/年90的乙醇产品；（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行。（6） 操作条件a） 塔顶压强 4kPa （表压）b） 进料热状态 自选c） 回流比 自选 d） 加热蒸汽压力 低压蒸汽（或自选）e） 单板压降 kPa。三、 设备形式：筛板塔或浮阀塔四、 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）；五、 设计基础数据：1. 常压下乙醇-水体系的t-x-y 数据；2. 乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。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：进精馏塔的料液含乙醇35（质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于90；塔顶易挥发组分回收率为99，生产能力为50000吨/年90的乙醇产品；每年按330天计，每天24小时连续运行。塔顶压强 4kPa （表压）进料热状态 自选回流比 自选 加热蒸汽压力 低压蒸汽（或自选）单板压降 0.7kPa。三、 设备形式：筛板塔四、 设计内容：1） 精馏塔的物料衡算：原料乙醇的组成 xF0.1740原料乙醇组成 xD0.7788塔顶易挥发组分回收率90平均摩尔质量 MF =由于生产能力50000吨年，.则 qn，F所以，qn，D2） 塔板数的确定：甲醇水属非理想体系，但可采用逐板计算求理论板数,本设计中理论塔板数的计算采用图解法。由乙醇和水有关物性的数据，求的求得乙醇水体系的相对挥发度=5.1016，最小回流比的计算：采用泡点进料，所以q1，xF，由气液平衡方程y ， 所以yq，即，把xF=xq=.作y轴平行线交操作线与f.如下图即 .求得yq=0.5130.所以，根据最小回流比计算公式Rmin即，Rmin=,根据回流比R是最小回流比的合适倍数，所以选择选择2倍。即R=2Rmin=0.879. 进料热状况选择为泡点进料，所以q=1精馏段，根基操作线方程：y= 所以，y=0.468 x+0.415 联立y=x 所以x=xD=0.7801 提馏段，y=联立y=x求得y=2.872x-0.078所以提馏段x=xw=0.04 根据xD，xw，及xq以及操作线方程，利用图解法在x-y坐标上做出平衡线与对角线并且画梯级作图如下：由图可知，精馏段塔板为10.提馏段为5.一个再沸器.所以提馏段为4个板.所需总塔板数为提馏段和精馏段之和，故，所需总塔板数为14.查手册得水和乙醇气液平衡数据，t数据利用表2中数据由拉格朗日插值可求得、。进料口： , =79.26塔顶：，=78.05塔釜：，=97.63精馏段平均温度提馏段平均温度 由塔顶和塔底平均温度得=查手册得，由内插法可得在87.84下，乙醇的粘度为，水的粘度为可以有下式求得平均粘度其中xi-进料中某组分的摩尔分数-该组分的粘度，按照塔的平均温度下的液体计则=0.4*0.3790+0.6*0.3245=0.3463mPaS带入回归方程E1=0.563-0.276lg2=0.594该算法为泡罩塔蒸馏塔总板效率，则筛板塔为E=1.1E1=0.653精馏段实际板层数 = 10/0.653=16提馏段实际板层数 =4/0.653=7进料板位置 总的塔板数 Nc=16+7=233） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算：一、 乙醇气液平衡数据（101.3kPa）表1如下T/液相xa/%气相ya/%T/液相xa/%气相ya/%T/液相xa/%气相ya/%1000088.36.938.182.42555.599.30.22.587.97.439.281.630.657.798.80.44.287.77.940.281.235.159.697.70.88.887.48.441.380.84061.496.71.212.8878.942.180.445.463.495.81.616.386.79.442.98050.265.495218.786.49.943.879.85466.994.22.421.486.210.544.679.659.669.693.42.924861145.479.364.171.992.63.326.285.711.546.178.870.675.891.93.728.185.412.146.978.67679.391.34.229.985.212.647.578.479.881.890.84.631.68513.248.178.28686.490.55.133.184.813.848.778.1589.489.489.75.534.584.714.449.39594.289.2635.884.51549.8100100896.53783.32053.1查阅文献，整理有关物性数据 表2如下（1）水和乙醇的物理性质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乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18由常压下乙醇-水溶液的温度组成t-x-y图可查得塔顶温度 tD=78.3泡点进料温度 tF=84.0塔釜温度 tW=99.9全塔平均温度由液体的黏度共线图可查得t=87.4下，乙醇的黏度L=0.38mPas，水的黏度L =0.3269mPas 根据物性参数数据求的求得乙醇水体系的相对挥发度=5.1016，根据最小回流比计算公式Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)即，Rmin=(0.7788-0.5179)/(0.5179-0.1740)=0.7586，由于根据选择适宜的回流比，选择R=1.7Rmin=1.2896，4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算：塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 提馏段的气、液相体积流率为由 由下式计算由史密斯关联图查取：精馏段：图的横坐标为：取板间距 板上液层高度 ，则 HT-hL=0.40-0.05=0.35m查图得 =1.903m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为=1.4m塔截面积为 精馏段实际空塔气速为 提馏段：图的横坐标为：取板间距 板上液层高度 ，则查图得 =1.026m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为=1.4m塔截面积为 提馏段实际空塔气速为 精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度为： 提馏段有效高度为：在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为： 表5 塔板间距与塔径的关系塔 径/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/HT，mm200300250350300450350600400600由表验算以上所计算的塔径对应的板间距均符合，所以以上所假设的板间距均成立。5）塔板主要工艺尺寸的计算；溢流装置计算因塔径D=1.4m ,可选用单溢弓形降液管,采用凹形受液盘.各项计算如下: 堰长的计算 堰长一般根据经验公式确定，对于常用的弓形降液管：单溢流 堰长 lw取 溢流堰高度的计算溢流堰高度可由下式计算：式中：板上清液层高度，m；一般取50100 堰上液层高度，；一般设计时不宜超过6070 mm. 对于平直堰，堰上液层高度可用弗兰西斯（Francis）公式计算，即式中：塔内液体流量， 液体收缩系数。近似取E=1 精馏段： ，故取则取板上清液层高度 故 提馏段： ， 故取 则取板上清液层高度 故 弓形降液管宽度Wd及截面积AF精馏段： 由 查弓形降液管的参数表得：得： 液体在降液管中停留时间,按式，即故降液管设计合理，可以实现分离。提馏段：由查弓型降液管参数图得：得： 液体在降液管中停留时间,按式，即故降液管设计合理，可以实现分离。3.5.1.4 降液管底隙高度h0式中：液体通过底隙时的流速， 根据经验，取=0.060.25精馏段：取 则故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度：提馏段：取 则故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度：塔板的布置板式塔类型有多种，经过比较工艺条件的考虑，本设计采用筛板，以下为筛板的计算。塔板分块 因 , 故塔板采用分块式.查表6 表6塔径mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数3456得,塔板分为4块.边缘区宽度确定溢流堰前安定区宽度为 进口堰后的安定区宽度为Ws=50-100mm边缘区（无效区）宽度为 取，开孔区面积计算开孔区面积，按下式计算,即其中故筛孔计算及其排列 本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 =3mm碳钢板,取筛孔直径 d0=5mm 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t 为： 筛孔数目n 为 ： 开孔率为 精馏段气体通过阀孔的气速为： 提馏段气体通过阀孔的气速为： 筛孔计算及其排列 本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 =3mm碳钢板,取筛孔直径 d0=5mm 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t 为： 筛孔数目n 为 ： 开孔率为 精馏段气体通过阀孔的气速为： 提馏段气体通过阀孔的气速为： 6)塔板的流体力学验算塔板压降精馏段 ：干板阻力hc计算干板阻力 hc 由下式计算, 即 由，查常用化工单元设备的设计得, C0=0.772故 液柱气体通过液层的阻力气体通过液层阻力可由下式计算，即 查充气系数关联图，得到故 液体表面张力的阻力的计算液体表面张力所产生的阻力可由下式计算，即 则气体通过每层塔板的液柱高度 则 液柱气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）提馏段：干板阻力hc计算干板阻力 hc 由下式计算, 即 由，查常用化工单元设备的设计得, C0=0.772故液柱塔上液层有效阻力hl计算液体表面张力所产生的阻力hl计算,即 查充气系数关联图，得到故 液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由下式计算，即气体通过每层塔板的液柱高度 则 液柱气体通过每层塔板的压降为 (设计允许值)液面落差对于筛板塔,液面落差很小,且本例的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差的影响.液沫夹带精馏段：液沫夹带量由下式计算,即故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。提馏段：液沫夹带量由下式计算,即 故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内漏液对筛板塔,漏液点气速u0,min计算,即精馏段：实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无明显漏液提馏段：实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无明显漏液液泛为防止塔内发生液泛,降液管内液层高 Hd应服从下式的关系,即精馏段：乙醇-水体系属一般物系，取=0.5,则而板上不设进口堰, hd 可由下式计算,即液柱 液柱 =0.22m故在本设计中不发生液泛现象.提馏段：乙醇-水物系属一般物系，取=0.5,则而板上不设进口堰, hd 可由下式计算,即液柱 液柱 =0.2175m故在本设计中不发生液泛现象.7) 塔板负荷性能图 漏液线由 得=4.40.7720.1011.1 整理得 在操作范围内,任取几个Ls 值, 依上计算 Vs 值, 计算结果列于表 7 . 表70.00060.00150.00300.00450.77100.79820.83180.8589由上表数据即可作出精馏段漏液线提馏段漏液线：得=4.40.7720.1011.1 整理得 在操作范围内,任取几个Ls 值, 依上计算 Vs 值, 计算结果列于表 8 .0.00060.00150.00300.00450.83710.91960.96731.006液沫夹带线以 ev =0.1kg液/kg气为限,求Vs- Ls 关系如下:由 精馏段：hf=2.5hl=2.5(hw+how)hw=0.0364m故 整理得 ,0.00060.00150.00300.0045,3.0112.9522.8122.695 在操作范围内,任取几个值,依上式计算出值,计算结果列于下表 9由上表数据即可作出精馏段液沫夹带线提馏段：hf=2.5hl=2.5(hw+how)hw=0.0351m故 整理得 ,0.00060.00150.00300.0045,3.5943.4683.3063.169 在操作范围内,任取几个值,依上式计算出值,计算结果列于下表 10由上表数据即可作出提馏段液沫夹带线液相负荷下限线对于平直堰,取堰上液液层高度作为最小液体负荷标准.由下式得取E=1则精馏段提馏段据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线液相负荷上限线以作为液体在降液管理中停留时间的下限,由下式得故精馏段据此可作出与气体流量无关的垂直液相负液上限线。液泛线令由; ; ; 联立得 忽略 将 与,与, 与 的关系式代入上式,并整理得 式中 将有关的数据代入,得精馏段： 故 在操作范围内,任取几个值,依上式计算出 值,计算结果列于下表 11 ,0.00060.00150.00300.0045,3.4703.3873.2623.132由以上数据即可作出精馏段液泛线提馏段： 故 在操作范围内,任取几个值,依上式计算出 值,计算结果列于下表 12,0.00060.00150.00300.0045,4.1584.0583.9123.766由以上数据即可作出提馏段液泛线根据以上各线方程,可作出精馏段筛板塔的负荷性能图,如图所示. 在负荷性能图上，作出精馏段操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏夜控制。由图查得 s max=0.78m3/s ， s min=3.24m3/s故操作弹性为 s max/s min=3.24/0.78=4.15根据以上各线方程,可作出提馏段筛板塔的负荷性能图,如图所示. 在负荷性能图上，作出提留段操作线；由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏夜控制。由图查得 s max=0.85 m3/s ， s min=3.6m3/s故操作弹性为 s max/s min=0.85/3.6=4.23根据以上各线方程,可作出提馏段筛板塔的负荷性能图,如图所示. 筛板塔设计计算结果序号项目数值1平均温度tm，（精馏段）78.65平均温度tm，(提馏段)88.4452平均压力Pm,，kPa（精馏段）108.45平均压力Pm,，kPa(提馏段)113.353气相流量VS（m3/s）（精馏段）2.015气相流量VS（m3/s）（提馏段）1.9814液相流量LS(m3/s) （精馏段）0.002702液相流量LS(m3/s) （提馏段）0.0030815实际塔板数226有效段高度Z，m887塔径,m1.48板间距,m0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长,m0.92412堰高,m（精馏段）0.0364堰高,m（提馏段）0.035113板上液层高度,m0.05014堰上液层高度,m（精馏段）0.0136堰上液层高度,m（提馏段0.0148915降液管底隙高度m(精馏段)0.0244降液管底隙高度m(提馏段)0.027816安定区宽度,m0.0717边缘区宽度,m0.03518开孔区面积,m21.1119筛孔直径,m0.00520筛孔数目569821孔中心距,m0.01522开孔率,%10.123空塔气速,m/s1.28824筛孔气速,m/s(精馏段)1797筛孔气速,m/s(提馏段)17.6725稳定系数(精馏段)2.355稳定系数(提馏段)2.04326负荷上限液泛控制27负荷下限漏液控制28液沫夹带eV,(kg液/kg气)0.129液相负荷上限,m3/s0.00788230液相负荷下限m3/s0.011131操作弹性（精馏段）4.15操作弹性（提馏段）4.238)精馏塔接管尺寸计算；进料管前已算出，塔径D=0.7m，故可采用简单的直管进料结构，不加套管，手可入塔检修，由下式计算进料管直径 料液由泵输送时可取1.52.5m/s取则D=0.031m=31mm， 选内管为323.5，a=10mm b=25mm c=10mm H2=150mm 回流管通常重力回流管内液速度取0.2-0.5m/s，由泵输送uR=1.2-2.5m/s，取uR=2m/s，回流管直径液相：L=209.12540.66=8503.02kg/hD=取管规格45mm塔顶蒸汽出料管 塔顶的温度为78.3，此时气相组成：塔顶蒸气密度蒸气体积流量常压下蒸汽的速度为15m/s蒸汽量为V=m3/s取回流管规格为。塔釜排出管 一般取0.5-1.0m/s，取0.8m/sMl=18.28kg/kmol 3Lw= 取此管规格为60mm10） 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）；乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。1) 乙醇水工艺流程图2)精馏塔设计条件图：a,b图a图b五 设计基础数据：1常压下乙醇-水体系的t-x-y 数据；液相中乙醇摩尔分数气相中乙醇摩尔分数xy0.000 0.000 0.010 0.110 0.020 0.175 0.040 0.273 0.060 0.340 0.080 0.392 0.100 0.430 0.140 0.482 0.180 0.513 0.200 0.525 0.250 0.551 0.300 0.575 0.350 0.595 0.400 0.614 0.450 0.635 0.500 0.657 0.550 0.678 0.600 0.698 0.650 0.725 0.700 0.755 0.750 0.785 0.800 0.820 0.850 0.855 0.894 0.894 0.900 0.898 0.950 0.942 1.000 1.000 3. 2乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。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乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18设计总结与心得：精溜塔的设计，在化工行业有较广的应用，通过短短两周的设计，使我认识到精溜在应用是十分广泛的，但是，要把此塔设计好，是有一定难度的，它不仅要求我们拥有熟练的理论基础，还要求我们掌握一定的实践基础。在本设计中，计算复杂，计算量大。很多细节需要认真的思考分析后，作出判断，这过程中，多亏了我和吴喆同学在一起讨论，假设，和计算才终于获得了乙醇水精馏塔设计的圆满成功。这次设计是我们收获很多，原来化工操作和生产包含了如此多的技术和知识。我们也在本次设计中认知到了自己知识储备的不足，认识到了不足后，我们也会以更加严谨的态度去学习化工原理这门课，只有理论和实践相结合才能发挥知识更大的作用。55
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