产量38万吨乙醇正丙醇精馏塔设计.docx
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产量38万吨乙醇正丙醇精馏塔设计
集湖修陀
《化工原理》裸程殺针
设计题目：
年产量4・6万吨乙醇-止丙醇精慟塔设计
专业班级：
2011级应用化学
指导教师：
程磊
学生姓名：
沙园
学号：
11009036
2013.12.17-2012.12.31
起止日期
3・精憎塔物料衡算6
3.1物料衡算6
3.2摩尔衡算7
4・塔体主要工艺尺寸7
4.1塔板数的确定7
4.1.1塔板压力设计7
4.1.2塔板温度计算8
4.1.3物料相对挥发度计算9
4」.4回流比计算9
4.1.5塔板物料衡算9
4.1.6实际塔板数的计算10
4.1.7实际塔板数计算12
4.2塔径计算11
4.2.1平均摩尔质量计算11
4.2.2平均密度计算11
4.2.3液相表面张力计算12
4.2.4塔径计算12
4.3塔截面积13
4.4精丫留塔有效局度计算13
4.5精f留塔热量衡算14
4.5.1塔顶冷凝器的热量衡算14
4.5.2全塔的热量衡算16
5・板主要工艺尺寸甘算19
5.1溢流装置计算19
5.1.1堰长-19
5.1.2溢流堰高度几19
5.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af20
5.1.4降液管底隙局度ho20
5.2塔板布置20
5.2.1塔板的分块20
5.2.2边缘宽度的确定20
5.2.3开孔区面积的计算20
5.3阀孔的流体力学验算22
5.3.1塔板压降22
5.3.2液泛23
5.3.3液沫夹带24
5.3.4漏液29
6・设计筛板的主要结果汇总表30
1.设计任务
物料组成：
乙醇30%、正丙醇70%（摩尔分数）；
产品组成:
塔顶乙醇含量＞=99%,塔底釜液丙醇含量〉=99%；
操作压力：
101.325kPa（塔顶绝对压力）；
加热体系：
间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为5kgf/cm2（绝压）；
冷凝体系：
冷却水进口温度25°C,岀口温度45°C；
热量损失：
设备热损失为加热蒸汽供热量的5%；
料液定性：
料液可视为理想物系；
年产量（乙醇）：
4.6万吨;
工作Fh每年工作日为265天，每天24小时连续运行；
进料方式：
饱和液体进料，q值为1;
塔板类型：
浮阀塔板。
厂址选地：
巢湖
2.设计方案
蒸f留装置包括精f留塔、原料预热器、蒸馆釜（再沸器X冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。
蒸f留过程按操作方式的不同，分为连续蒸f留和间歇蒸憎两种流程。
连续蒸f留具有生产能力大，产品质量稳定等优点，本课程设计中年产量大（46000吨/年）,所以采用连续蒸f留的方式。
蒸f留过程根据操作压力的不同，可分为常压、减压和加压蒸憎。
本设计中，由于物料乙醇、正丙醇都是易挥发有机物，所以常压操作,
塔顶蒸汽压力为大气压，全塔的压力降很小。
考虑到蒸气压力对设备要求等各方面的影响，选用的蒸气压力为
低压蒸气LMk再沸器E-102
冷凝水WC
冷凝水的走向:
换热器内物料走壳程,冷却水走管程
3.1物料衡算
己知数据：
乙醇的摩尔质量MA=46.07kg/kmol,
正丙醇摩尔质量MB=60.1kg/kmol
Xw=O.01Xd二0.99Xf二0.30
D=46000XI000X0.99宁（265X24X46.07X0.99）=156.99Kmol/h
FXf二DXd+WXw
（1）F=D+W
（2）
联立求出：
F=1125.28Kmol/hW=976.25Kmol/h
3.2摩尔衡算
原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
山尸=xrxJ/x+（1-xF）xAfs=57.29kg/kmol
Ma=xAf+（1-）xAfs=46J8kg/kmol
J/丁=心xA/乂斗（1一©）x=59.96kg,kmol
4.塔体主要工艺尺寸
4.1塔板数的确定
4.L1塔板压力设计
常压操作，即塔顶气相绝对压力p=110.925kPa
预设塔板压力降：
0.6kPa
估计理论塔板数：
18
估计进料板位置:
12
塔底压力:
Pw=101.325+0.6xl8=112.125kPa
进料板压力:
P逆=101.325+0.6x12=108.525kPa
精Y留段平均压力:
Pm=104.925kPa
4.1.2塔板温度计算
温度（壺点）一气相组成关系式:
Pa・
Pb-
p
儿=J©
p
温度（露点）■气相组成关系式:
温度■饱和蒸汽压关系式（安托因方程）:
乙醇：
Lgp.=7.35675
1648・220
?
+230.918
lgps-6.&9931-
1512.940
t+205.807
各层塔板压力计算公式:
7=卫\乂戈丄+7£乂（1—乂‘）
⑵
G）
（4）
塔顶：
已知乙醇的气相组成y为产品组成0.99,操作压力为常压，则通过联立（11（21（3）由计算机绘图可求得操作温度及组分饱和蒸汽压；
塔底：
已知乙醇组成0.01,通过联立（21（31（4）并由计算机绘图可得实际操作温度及组分饱W蒸汽压。
结果如下：
塔顶:
Pa=102.48521kPaPb=47.77768kPatD=7&5436°C
塔底：
PA=203.39542kPaPb=100.29399kPa
tD=96.8636°C
进料板
PA=171.92655kPa
PB=83.67461kPa
tD=92.17325°C
4-1.3物料相对挥发度计算
“二厶，根据上文求出的数据可得：
Ps
塔頌：
-2,1450
塔底：
s=2.O2799
进料板：
^=2.05470
平均相对挥发度：
a=&尹宀=2.075
4.L4回流比计算
最小®流比-工「二（5）
人-S
Q线方程：
采用饱和液体进料时Q=l,故Q爰方程为：
^=Xf=O.2O（6）
相平衡方程：
ax2.075x,、
v='——=•—（7）
“1十©-1兀l+l・075r
（6）,⑺联立得:
叫=0.20人=0.342
代入式（5）可以求得：
°342-4.56
「片-q0..342-0.2
最小連论枚数・¥
=12.590（包括再沸譽）
最适回流比J・0.3748乂用二杆+1.3536小=-6.160
4.1.5塔板物料衡算
精镭段操作线方程:
八二…十…代入数据得:
y=0.8603x+0」383
提f留段操作线：
（丄■刘力代入数翁得:
y=1.5807x-0.00581
十〃、小,2.074x
相平衡万穆：
V=——
1+1.074x
用图解法求求理论板层数:
用图解法求求理论板层数N=21
根据图像得出x）=0.994Xf=0.316yF=0.41
4.L6实际塔板数的计算
4.1.6.1黏度（通过液体黏度共线图差得）
乙醇、正丙醇黏度共线图坐标值
物质
X
Y
乙醇
10.5
13.8
正丙醇
9」
16.5
全塔平均温度为：
89.1935°C
物料在平均温度下的粘度，通过查表可得:
乙醇:
—0.3S0rtFa/s
IE丙諄：
戸.=0.575Js
全堪平均黏度计算公式迪p=Xr\g眼斗（1Jg
代入数据可得平均魁度^-0.504^is
4.1.6.2总塔板效率
普特拉一博伊德公式：
E"49血）心
代入相关数据得:
己-0-484
4.L7实际塔板数计算
精t留段板数丁
提f留段板数:
叫=10""
总板数:
N=44（不包括塔釜再沸器）
4.2塔径计算
4.2.1平均摩尔质量计算
塔顶：
=xdMa=46.178^/^/
=x.Mt+（1-眄池=46」80kg/AwoZ进料板
x_=0.316yF=0.41
=yFM^（l-yF）Sfs=54-347kg/尿
Mg=匚冷十（1一耳陆=55.665kg/kmol
精镭段
赵阳=0-5（Afj.w-
4-MJFV）=50.2652kg/Ionol
Mitf=0.5（M•
4眩LFV）二48.4125kgikjnol
422平均密度计算
气相平均密度
有理想状态方程计算，即
p
=*土=1.7196kg/w5RT
液相平均密度：
塔顶：
=7S.5436X：
查手册有:
p,=740咤IW
Pa=740锂/m'
进料板;―=90•2008弋查表有:
■728^/s
-742•现/2?
'
■:
:
■736.81/z
七/C*1_/fis
精Y留段液相平均密度:
p」=+rk）/2=738•405kg亦
4.2.3
液相表面张力计算
埴顶：
*=盅：
5436七查手•册有：
G亠恳6*"17・3应丫/$
进料板:
tF=92-17325弋查表有；
G=16.:
却刃<7^-18.3.m\W'.T（J^=xFaM^（l-xF\ys=17.89?
m\7fm精憎段平均表面张力
b%=（17.89+173）/2=17.64?
?
tV/?
»
4.2.4塔径计算
精镯段气液体积流率为:
・0.007821
-0.03870
取板耳題召.■0.Q滋牧上液层査度kr-0.Q6W
•■
H.一圮-0.45一0.06・0.39林为
••
查史密斯关联国有：
00=°-085
C・C^（—L）02・0.0笳>e（—^-）°2・0.032S
*2020J・cj号严・1.H3Sms职安全系数为0・7则空塔气速为：
“・Q・W-O.7xl.71.3S・1.19966加/s
S2X
-J5-
2.109胡
按标准塔径圆整后D二2.2m
4.3塔截面积
AT=—X2.22=3.7994m
-4
4.188
实阳空塔速度为二“==1.102加/s
At3.7994
4.4精《g塔有效高度计算
取釜液在塔底停留时间为6min,釜液距离底层塔板1mo
釜液流量为：
=21779"用=—十
60x742.8
储存釜液高度:
H
0,2919x6
3.7994
0.461m
塔底空间高度：
孔=刁十1=1.461啟纭1"
塔顶空闫HD=1.2w
精翔塔高度77=+77B+43x0.45=22.05w
4.5精塔热量衡算
4・5・1塔顶冷凝器的热量衡算
目的：
对塔顶冷凝器进行热量衡算以确定冷却水的用量
如图4-2所示，对精f留塔塔顶冷凝器进行热量衡算
Qw
Qd
4.5.1.1热量衡算式
Qv=Qr+Qa+Q”
式中0——塔顶蒸气带入系统的热量;
回流液带出系统的热量；
&——馆出液带出系统的热量;
Qw——冷凝水带出系统的热量。
4・5丄2基准态的选择
上文中已经求出塔顶蒸汽温度tw=78.4779°C,该温度也为回流液和Y留出液的温度。
同时，操作压力为101.325kPao
以塔顶操作状态为热量衡算基准态”则
4.5.1.3各股物料热量计算
查得乙醇和正丙醇正常沸点为351.45K和370.25K,在正常沸点下的汽化跆分别为38.56kJ/molx41.44kJ/mol,算出乙醇和正丙醇在78.4779uc时的气化焙分别为38.531kJ/mol、43.130kJ/mol
由此可计算进入塔顶冷凝器蒸气的热量为：
Qv—让r乙当
=20231,358V-/r_1
代入到热量衡算式中，可求得塔顶冷凝器带走的热量为：
=20231358kJ
4.5.1.4冷却水的用量
设冷却水的流量为qm!
.贝I」
©=么水Cp©—"）
J4425+45
以进出口水温的平均值为定性温度：
J二丁二2
查得水在35°C时的比热容为：
Cpm=4.175kJ/（kg.°C）
20231・35S
4.175龙（45_25）
=242.292（焙/片）
4.5.2全塔的热量衡算
目的：
确定再沸器的蒸汽用量
如图4-3所示，对精f留塔进行全塔的热量衡算
图4・3全塔热量衡算图
4・52］热量衡算武
根据热量衡算式，可得:
Qr+QV=幺+幺+厲+0
由设计条件知：
Qi=5%2=0.05Qv
・・・0,+0.952=0+2，+幺
式中0—进料带入系统的热量
0—加热蒸汽带入系统的热量
©—馆出液带出系统的热量
幺一釜残液带出系统的热量
&—冷却水带出系统的热量
0-热损失
4.S.2.2各股物流的温度
由上文计算结果：
rF=92.17325°CrD=78.5436rCrw=99.4145°C
4.5.23基准态的选择
以101.33kPas78.4779°C的乙醇和正丙醇为热量衡算的基准态，且忽略压力的影响，则
。
=0
4.S.2.4各股物流热量的计算
由于温度变化不大，采用平均温度:
=89.3644?
C.即362.5UK
78.4779+99.4145+90.200S
3
捋:
C；u=（5o+玄J+b'b+R
查《汽液物性估算手册》得：
^=4.3967.^/-^-
a二0.628xlO"几附o/乙谆：
冬=5.546x107^mol•K'：
，
a3二-7.024WTmoln
q=2.685x107J-）nol・K「
s7-712几曲n
a.=6.565xlO'3J•用引八*
■
正丙諄：
6=「310乂10y丿•帀引r
①=-8.341WJmoLK*
j=3.216zL0'：
：
J^nol•K'J
故乙諄的比热容为：
c汗75-07J-mol-K~'
丙醇的比热容为：
C^^.49J-mol-K~''
由此可求得进料与釜残液的热量分别为
4=%C吟G-78-4779）4^（1-心疋”盛厲-兀仆）=353227.6422（V-/?
-1）
Qw=胺丹“糾分（咯-78.4779）+^（1-綁班（给-78.4779）
=450768.7606（10）
将以上结果代入到热量衡算式申
353227.6422+0.95Qr=04-450768.7606+20231.358解得：
ov=123971.0278kJ■h~2
热量损失为：
0.=Q.Q5Qy=6198.551肿-力"
4・5・2・5加热蒸汽的用量
设加热蒸汽的用量为％，则：
已知蒸气的压力为
5kg〃cW（绝压），查得该压力下蒸汽的汽化热为:
r=2113kJ/kg
由此可求得再沸器的加热蒸汽用量为：
=58.67烟・犷】
0..123971.0278
2113
q“=—
r
5・板主要工艺尺寸计算
5.1溢流装置计算
因塔径D=2.2m,可选单溢流的弓形降液管
5.L1堰长人
查表得：
/,=1.598m
5.1.2溢流堰高度/心
堰上液层高度：
扎==0-015
取上层清夜层高度蚣=0.06m
hv=0.06-0.015=0.045w
5.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af
查表，得：
Ay/Af=10
故Af=0.37994m2
Wd二0.344m
依下式验算液体在降液管中停留时间，即
3600A兀3600x0.37994x0.45
e=:
__-==7.29>55
3600厶0.007821x3600
故降液管的设计合理
5.1.4降液管底隙髙度ho
血=久_0.006=0.039
5.2塔板布置
521塔板的分块
因D>800mm,故采用分块式，2块塔板。
522边缘宽度的确定
取伤=0.344叭化=0.0"
523开孔区面积的计算
开孔区面积Aa按下式计算
-0.05
1.05（5?
）
0.6565）
2.2
=2；0.656xV17oo：
~0.656^+—x1.05：
xsin~：
f°'
I180I1-05
=2.564（a
2
5.3.4阀孔计算
本流程所处理的物系无腐蚀性，可选用5=3mm碳钢板。
采用FIQ-4A型浮阀，相关数据如下：
阀厚/m:
0.0015
阀重/kg:
0.0246
阀孑L?
USt/o/m:
O.O38
阀孔排列采用叉排方式按正三角形排列
取正三角形排布，列宽h=0.075
.^00080000000^ooiioooooiQ000008000000000^00000000000000000一只
iiiioio
000008000000000^
Rooooooooooooooo-
-000008000000000^Hoooooo
300Q-000008000000000^
booooo^boiooo
00000000100000oooooco冒ocoaoROOOOOOOO&OOQOOOO0000080€000000^000000000§000000000080§00000^G8o8GOD6booogo
0000000000^00000OQ000CW0导0cw_R€■00000000忘oiQ^0008000^00^
作图得到排列阀孑威:
n=420
阀孑L总面积:
血003萨/4
.人+.1S8
2Z.=—=；；?
=8.7967m•s
真实阀孔气速：
■凡420XkX0.03S5）
浮阀全开时的阀孑■气速称为阀孔临界气速。
阀孔临界气速与阀孔
临界动能因子局有如下关系:
，其中代的经验值为9到12。
上面求得心=8*67心〃代入上式得:
局=11.535,满足经验值
所在范围，因此，阀数取420符合工艺要求。
5.3阀孔的流体力学验算
5.3.1塔板压降
5・3・1・1干板阻力加计算
阀全幵前：
九・19.90.03W3tn
Pl
■
阀全开疳：
九.5.34^^-0.04910m
2仇
式中he干板压降，m液柱;uo筛孔气速，m/s;
5・3丄2板上液层的有效阻力曾
对于浮阀塔板，"取0.545
hw卜堰高,m;
h。
堰上液流高度，m;
代入数据得:
K"0327m
液体表面张力产生的阻力兀较小，在计算时可忽略。
5.3.1.3总压降
每层塔板压降为：
阀全开前:
也—】=0-07213祀
阀全开后:
忆=尽+久=山观1匆
5-3.2液泛
对于浮阀塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差造成的影响。
液体通过降液管的压强降：
儿-九T宀
弘指降液管中清夜层高度
九为板上清夜层高度，取值为"」1.-03楙
丸为塔板总压降
g指与液体流过降液管的压降相当的液柱高度注要有降液管底隙处的局部阻力造成。
由于塔板上未设置进口堰，可按下式计算:
H^.-0.00315+0.072130.06-0.13528rn
纟宗上，阀全开前:
兀-O.0Q315+0.07213+0.06-0.13528也
阀全开后・-0-&0315+0.08180+0.06-0.14595從
取全开后的压降为设计压降，即殓=0・14595m・
乙醇与正丙醇属于不易发泡物质，其泡沫层的相对密度①取0.6
为防止液泛，应保证降液管中泡沬液体的高度不能超过上层塔板的出口堰，即£2（比斗心
+久）・0.5（0.45+0.045）-0.297zH,
可见，目前的设计数据符号要求。
5.3.3液沫夹带
对浮阀塔板多采用泛点率来间接判断液沬夹带量。
泛点率是设计
负荷与泛点负荷之比。
泛点率可由下列两式求得,然后采用计算结果
匕
+1.36Z工
中较大值:
x100%
Z--板上液体流程长度，ni,对单流型塔板：
Z=D_2兀；
D——塔径，7M；
『——将液管的范度，m；
4
孔――板上液流面积，加，对单流型塔板：
A,二丘一2力丿
••
厶--塔板截面积，H1：
；
Af-—降液管裁面积，m:
;
J——泛点负荷系数，由團读出；
K--物性系数，见表。
计算得出的泛点率必须满足下述要求，否则应调整有关参数，重新计算。
塔径大于900mm:
Fi<80%・82%;
塔径小于900mm:
Fi<65%・75%;
减压塔:
Fi<75%・77%o
•1
L-Ld
d-tL-
-i-l-r
・丰耳m「r
Li
0L_
Cl0.20305071.0
…Htfc
2345?
ID2IJ30405070100
p/kg/口円
物系
物性農数K
物系
物性OK
尤泡沫，正常物系
1.0
多池沫系统（如胶及乙二按吸收塔）
0.73
氟化物（I旳、氛电第）
0.9
严重发泡系统（如甲乙啊
装置）
0.6
中等发泡系统（如袖吸收塔、胺及乙二胺再生塔）
0.85
形成稳定泡沬的系统（如
磯再生塔）
1）.3
由图读出，泛点负荷系数Cf=0.112，由表查出，物性系数K=1
Z=1.512mo
+1.3€L,Z
4.1S6xJ+1.36x0.007S21
V738.405-1.7196
1x0.112x3.03952
x1.512
x100%
64.42%
0.7SxKCfA7
4.186x
1.7196
738.405-1.7196
0.78xlx0.112x3.7994
xlOO%
・60.93%
取较大值64.42%O
塔径大于900mm,Fv0.8・0.82,符合工艺要求。
5.3.4
漏液点气速计算式：
2飯”6为漏液点动能因子，取值范围为5・6,本设计中取5O
5.
―======3.813m-s
V1.7196
实际孔速:
气-
-8.7967m・^>u
c?
sxs
K=
稳定系数：
=2.3070
uCl3.813
符合K>1.5-2.0,故在本系统中无明显漏液现象。
6.设计筛板的主要结果汇总表
序号
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