产量38万吨乙醇正丙醇精馏塔设计.docx

1、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46万吨乙醇-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 63.1物料衡算 63.2摩尔衡算 74塔体主要工艺尺寸 74.1塔板数的确定 74.1.1塔板压力设计 74.1.2塔板温度计算 84.1.3物料相对挥发度计算 94.4回流比计算 94.1.5塔板物料衡算 94.1.6实际塔板数的计算 104.1.7实际塔板数计算 124.2塔径计算 114.2.1平均摩尔质量计算 11

2、4.2.2平均密度计算 114.2.3液相表面张力计算 124.2.4塔径计算 124.3塔截面积 134.4 精丫留塔有效局度计算 134.5精f留塔热量衡算 144.5.1塔顶冷凝器的热量衡算 144.5.2全塔的热量衡算 165板主要工艺尺寸甘算 195.1溢流装置计算 195.1.1堰长- 195.1.2溢流堰高度几 195.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af 205.1.4降液管底隙局度ho 205.2塔板布置 205.2.1塔板的分块 205.2.2边缘宽度的确定 205.2.3开孔区面积的计算 205.3阀孔的流体力学验算 225.3.1塔板压降 225.3.2液泛 235.3

3、.3液沫夹带 245.3.4漏液 296设计筛板的主要结果汇总表 301.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25C,岀口温度45C；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

4、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LM k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

5、量MA=46.07kg/kmol,正丙醇摩尔质量MB=60.1kg/kmolXw=O. 01 Xd二0.99 Xf二0. 30D=46000 XI 000X0.99 宁(265X24X46.07X0.99) =156.99Kmol/hFXf二DXd+WXw (1) F=D+W (2)联立求出：F=1125.28Kmol/h W=976.25Kmol/h3.2摩尔衡算原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量山尸=x r x J/ x + (1 - xF )x Afs =57.29 kg/kmolM a = x Af + (1 - ) x Af s =46 J8kg/kmolJ/丁 =心 x A/乂

6、斗(1 一 )x =59.96kg,kmol4.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= 110.925 kPa预设塔板压力降：0.6 kPa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 =112.125 kPa进料板压力:P 逆=101.325+0.6x12 =108.525 kPa精Y留段平均压力:Pm = 104.925kPa4.1.2塔板温度计算温度(壺点)一气相组成关系式:Pa Pb -p儿=Jp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：Lg p . = 7. 35675

7、1648 220? + 230 . 918lg ps - 6. &9931 -1512 .940t + 205 . 807各层塔板压力计算公式:7 =卫乂戈丄 + 7 乂 (1 乂)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=102.48521 kPa Pb=47.77768 kPa tD=7&5436C塔底：PA=203.39542k Pa Pb=100.29

8、399 kPatD=96.8636C进料板PA=171.92655kPaPB=83.67461kPatD=92.17325C4-1.3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=2.0754.L4回流比计算最小流比-工二 (5)人- SQ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：ax 2.075 x ,、v = = (7)“ 1 十-1兀 l + l075r(6),联立得:叫= 0.20 人=0.342代入式(5)可以求得：342 -4

9、.56片-q 0.342 - 0.2最小連论枚数=12.590 (包括再沸譽)最适回流比J0.3748 乂用二杆+ 1.3536 小=-6.1604.1.5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 +0383提f留段操作线：（丄刘力代入数翁得:y=1.5807x -0.00581十、小, 2.074 x相平衡万穆：V =1+1.074 x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）=0.994 Xf=0.316 yF=0.414.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XY乙醇10.

10、513.8正丙醇916.5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: 0.3S0 rtFa/sIE 丙諄：戸.=0. 575 J s全堪平均黏度计算公式迪p =Xrg眼斗（1 Jg代入数据可得平均魁度-0.504 is4.1.6.2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-0-4844.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.M t + (1-眄池=4680 kg/AwoZ 进料板x_ = 0.31

11、6 yF = 0.41= yFM (l-yF)Sfs = 54-347kg/尿Mg =匚冷十(1 一耳陆=55 .665 kg / kmol精镭段赵阳=0-5 (Af j.w -4- M JFV )= 50 .2652 kg / IonolMitf = 0.5(M4 眩 LFV )二 48 .4125 kg i kjnol422平均密度计算气相平均密度有理想状态方程计算，即p= * 土 = 1.7196 kg / w5 RT液相平均密度：塔顶：= 7S.5436 X：查手册有:p , = 740 咤 I WPa = 740 锂/ m 进料板;=90 2008弋查表有: 728 / s-742

12、现 / 2? : : 736 . 81 / z七 / C * 1 _ / fis精Y留段液相平均密度:p=+ rk ) / 2 = 738 405 kg 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 * 173应丫 / $进料板:tF = 92-17325弋查表有；G = 16 .:却 刃 e(-)2 0.032S* 20 20 Jcj号严1.H3S m s 职安全系数为07则空塔气速为：“QW -O.7xl.71.3S 1.19966 加/sS2X-J5-2.109 胡按标准塔径圆整后D二2.2m4.3塔截面积AT = X 2.22 = 3.7994 m- 44

13、.188实阳空塔速度为二 “ = = 1.102加/sAt 3 .79944.4精g塔有效高度计算取釜液在塔底停留时间为6 min ,釜液距离底层塔板1 mo釜液流量为：= 217 79用=十60 x 742 .8储存釜液高度:H0,2919 x63.79940.461 m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 .05 w4.5精塔热量衡算451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QwQd4.5.1.1热量衡算式Qv = Q

14、r+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。45丄2基准态的选择上文中已经求出塔顶蒸汽温度tw=78.4779C ,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/molx 41.44kJ/mol ,算出乙醇和正 丙醇在78.4779 uc时的气化焙分别为38.531 kJ/mol、43.130 kJ/mol由此可计算进入塔顶冷

15、凝器蒸气的热量为：Qv 让r乙当= 20231 ,358 V-/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：= 20231 358 kJ4.5.1.4冷却水的用量设冷却水的流量为qm!,.贝I =么水 Cp )J 4 4 25 + 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35C时的比热容为：Cpm=4.175kJ/(kg.C)20231 35S4.175 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43全塔热量衡算图452热量衡算武根据热量衡算式，可得:Qr+QV

16、=幺+幺+厲+0由设计条件知：Qi =5%2 =0.05 Qv 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=92.17325C rD=78.5436rC rw=99.4145 C4.5.23基准态的选择以101.33kPas 78.4779C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。=04.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 362.5UK78. 477

17、9 + 99.4145 + 90.200S3捋:C；u =(5o + 玄J + b b + R查汽液物性估算手册得：= 4.396 7./-a 二 0.628 xlO 几附o/ 乙谆： 冬=5.546 x 10 7 mol K ：，a3 二-7.024 WT mol nq = 2.685 x 10 7 J -)nol Ks 7-712 几曲 na. = 6.565 xlO3 J 用引八 *正丙諄：6 =310 乂 10 y丿帀引r=-8.341 WJmoLK*j = 3.216 z L0： J nol K J故乙諄的比热容为：c汗75-07 J - mol - K丙醇的比热容为：C.49 J

18、- 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 = 0 4- 450768 .7606 + 20231 .358 解得： ov = 123971 .0278 kJ h2热量损失为：0. = Q.Q5Qy =6198 .551 肿-力4525加热蒸汽的用量设加热蒸汽的用量为，则：已知蒸气的

19、压力为5kgcW （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 .02782113q“ =r5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：/, = 1.598m5.1.2溢流堰高度/心堰上液层高度：扎=0-015取上层清夜层高度 蚣=0.06 mhv = 0.06 -0.015 = 0.045 w5.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af查表，得：Ay/Af =10故 Af=0.37994m2Wd 二0.344m依下式验算液体在降液管中停留时间，即36

20、00 A 兀 3600 x 0.37994 x 0.45e = :_- = = 7.29 5 53600 厶 0.007821 x3600故降液管的设计合理5.1.4降液管底隙髙度ho血=久 _ 0.006 = 0.0395.2塔板布置521塔板的分块因D800mm ,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. 0523开孔区面积的计算开孔区面积Aa按下式计算-0. 051. 05(5?)0. 6565)2.2=2； 0 . 656 x V17oo： 0. 656 + x 1. 05： x sin ：fI 180 I 1- 05=2. 564 (a25.3.4阀孔

21、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 ooiioooooiQ 000008000000000 00000000000000000 一 只iiiioio000008000000000 Rooooooooooooooo- -000008000000000 Hoooooo300Q -000008000000000 boooooboiooo00000000100000 oo

22、oooco 冒 ocoaoR OOOOOOOO&OOQOOOO 0000080000000 00000000000000 000008000000 G8o8GOD6booogo000000000000000 OQ000CW0 导 0cw_R 00000000 忘 oiQ 000800000作图得到排列阀孑威:n = 420阀孑L总面积:血0 03萨/ 4.人 +.1S82Z. = = ； ； ? = 8.7967 m s真实阀孔气速：凡420 X k X 0.03S 5)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=

23、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5311干板阻力加计算阀全幵前：九19.9 0.03W3 tnPl阀全开疳：九.5.34- 0.04910m2仇式中he 干板压降，m液柱;uo 筛孔气速，m/s ;53丄2板上液层的有效阻力曾对于浮阀塔板，取0.545hw 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

24、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 + 0.07213 0.06 - 0.13528 rn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=014595

25、 m乙醇与正丙醇属于不易发泡物质，其泡沫层的相对密度取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)- 0.297 z H,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+ 1.3 6Z 工中较大值:x 100 %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 900 mm : Fi 80 % 82%;塔径小于 900 mm : Fi 65 % 75 %;减压塔:Fiuc? sxsK =稳定系数：= 2.3070uCl 3.813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