化工原理课程设计40万吨年乙醇连续精馏塔设计 精品Word格式.docx

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设计要求：

1.设计方案的确定及流程说明；

2．塔的工艺计算；

3．塔和塔板的工艺尺寸设计

（1）塔高，塔经及塔板结构尺寸的确定；

（2）踏板的流体力学演算；

（3）塔板的负荷性能图；

4.涉及一览表

5.辅助设备选型与计算；

6.主要接管尺寸计算

7.对本设计的评述或有关问题的分析讨论

8.编制设计说明书

图纸要求：

1.踏板布置图;

2.工艺流程图

摘要

本设计是以乙醇――水物系为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离乙醇和水。

筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系乙醇－－水的精馏问题进行分析，选取，计算，核算，绘图等，是较完整的精馏设计过程。

通过逐板计算得出理论板数为9块，回流比为1.32,算出塔效率为0.51，实际板数为18块，进料位置为第7块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1.4米，有效塔高5.95米，筛孔数5868。

通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。

本次设计过程正常，操作合适。

关键词：

乙醇、水、二元精馏、筛板连续精馏精馏塔、精馏段

第1章

1.1精馏原理及其在化工生产上的应用

实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述部分气化和部分冷凝是同时进行的。

对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液（气相冷却而成）是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。

精馏塔底部是加热区，温度最高；

塔顶温度最低。

精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。

1.2精馏塔对塔设备的要求

精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。

常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：

一：

生产能力大：

即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流

动。

二：

效率高：

气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。

三：

流体阻力小：

流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

四：

有一定的操作弹性：

当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。

五：

结构简单，造价低，安装检修方便。

六：

能满足某些工艺的特性：

腐蚀性，热敏性，起泡性等。

1.3常用板式塔类型及本设计的选型

常用板式塔类型有很多，如：

筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。

精馏塔属气—液传质设备。

气—液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。

该塔设计生产时日要求较大，由板式塔与填料塔比较[1]知：

板式塔直径放大时，塔板效率较稳定,且持液量较大，液气比适应范围大，因此本次精馏塔设备选择板式塔。

筛板塔是降液管塔板中结构最简单的，它与泡罩塔相比较具有下列优点：

生产能力大10-15%，板效率提高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，也便于清洗检修[2]。

因此，本设计采用筛板塔比较合适。

乙醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。

所以有必要做好本次设计

第二章流程的确定和说明

2.1设计思路

首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。

因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。

气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。

液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。

塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。

最终，完成乙醇和水的分离。

2.2设计流程

乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐（附流程图）。

第三章筛板式精馏塔的工艺设计

3.1.乙醇和水的汽液平衡组成

相对挥发度的计算：

塔顶产品浓度为90.0%，因此，可近似看成纯乙醇溶液；

同理，塔底浓度为1.0%可近似看成纯水溶液。

所以，塔顶温度为乙醇沸点为78.5oC，塔底温度为水的沸点98.75oC

查设计书附录二得：

不同温度下乙醇和水的汽液平衡组成如下表所示：

液相摩尔

分数x

气相摩尔分数y

温度/℃

0.00

100

0.3273

0.5826

81.5

0.0190

0.1700

95.5

0.3965

0.6122

80.7

0.0721

0.3891

89.0

0.5079

0.6564

79.8

0.0966

0.4375

86.7

0.5198

0.6599

79.7

0.1238

0.4704

85.3

0.5732

0.6841

79.3

0.1661

0.5089

84.1

0.6763

0.7385

78.74

0.2337

0.5445

82.7

0.7472

0.7815

78.41

0.2608

0.5580

82.3

0.8943

78.15

根据以上数据画出以下乙醇-水的t-x（y）相平衡图，以及乙醇-水的x-y图

3.2全塔物料衡算

原料液中：

设A组分－乙醇;

B组分－水

查和得:

乙醇的摩尔质量：

M乙=46kg/kmol

水的摩尔质量：

M水=18kg/kmol

因为入口的原料液是上游为95——96℃的饱和蒸汽冷却至90oC所得，因此，xF的液相组成就是95.5oC的气相组成。

经查表得，95.5oC的饱和蒸汽进料液的摩尔组成为：

xF=0.2813

根据产量和所定工作时间，即日产13.34kg,90.0%乙醇，每天24小时连续正常工作，则

原料处理量：

kmol/h

求q值

选泡点进料q=1

塔顶和塔釜温度的确定

由t-x-y图可知:

塔顶温度t=78.5℃，塔底温度t=98.75℃，

△t=1/2（tD+tw）=88.63℃

3.3回流比和理论塔板的确定

图解法的回流比=0.8800=1.5=1.32

3.3.1操作方程的确定

提镏段操作线方程：

3.3.2理论板数确定：

精馏段α：

2.8气液平衡方程：

操作线方程：

提留段α：

5.6气液平衡方程：

理论板数：

3.3.3板效率及实际塔板数的确定

（1）℃℃℃

精馏段：

℃

提留段：

全塔：

不同温度下乙醇和水的粘度

μ乙醇/

μ水/

80.2℃

0.45

0.32

90.33℃

0.37

0.26

88.63℃

0.39

0.27

实际板数

3.4操作参数的确定

3.4.1精馏段参数的确定

不同温度下乙醇和水的密度

乙醇/kg/

水/kg/

742.3

971.8

90.33℃

716.0

958.4

88.63℃

731.2

968.3

（1）平均组成

2.5.1平均组成

据参考平衡数据，得出

第一块板的压强

最后一块板的压强

精馏段平均压强

3.4.2精馏段气相体积流率及密度

3.4.3精馏段液相体积流率及密度

3.4.4精馏段表面张力σ

临界温度℃℃

3.4.5提馏段参数的确定

℃

2.6.1组成

3.4.6提馏段气相体积流率及密度

提馏段的第一块板的压强

提馏段平均压强

3.4.7提馏段液相体积流率及密度

3.4.8提馏段段表面张力σ

参考溶剂手册得质量分数为的乙醇水溶液的表面张力为

乙醇的临界温度为243.1℃，水的临界温度为374.2℃

3.5塔和塔板主要工艺尺寸计算

3.5.1塔板横截面的布置计算

塔径D的计算

H-=0.35-0.06=0.29m

参考化工原理下表10-1，取板间距H=0.35m0.06m

两相流动参数计算如下

==0.02

带入数据的：

a=-3.45b=-0.54c=-0.078exp

圆整D=1.4m校正：

3.5.2塔板详细设计

选用单溢流，弓形降液管，不设进口堰。

因为弓形降液管具有较大容积，又能充分利用塔面积，且单溢流液体流径长，塔板效率高，结构简单，广泛用于直径小于2.2米的塔中。

[4]

（1）溢流装置

取堰长=0.645D=0.645×

1.4=0.903m,选择平流溢流堰

出口堰高,已取=0.05

=2.84×

E取E=1

=0.05-0.00756=0.05m

取0.050是符合的。

∴hL=hW+hOW=0.050+0.00756=0.05756m

修正后hL对un影响不大,顾塔径计算不用修正.

（2）降液管宽度Wd与降液管面积Af

由/D=0.645查化工原理课程设计书附录4得:

（3）降液管底隙高度

（4）塔板布置

（3）筛板数与开孔率初取，呈正三角形排列

依下式计算塔板上的开孔率

=10.1%则每层塔板上的开孔面积为：

2.6.2筛板能校塔流体力学校核

板压降的校核气体通过筛板压降相当的液柱高度：

hp=hc+hL+hσ

（1）干板压降相当的液柱高度

取板厚，,查化工原理下图10-45得:

Co=0.84

m/s

hc=0.051=0.051=0.0172m液柱

（2）气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl

相应的气体动能因子

查化工原理下图10-46得：

β=0.72

液柱

（3）克服液体表面张力压降相当的液柱高度hσ

=

∴板压降hp=hc+hL+hσ