优秀毕设常压二元精馏筛板塔设计.docx

1、优秀毕设常压二元精馏筛板塔设计毕 业 设 计 任 务 书设计题目: 常压二元精馏筛板塔设计 设计条件: 水-乙醇体系1.进料 F=6kmol/h q=0 Xf=0.452.压力： p顶=4KPa 单板压降0.7KPa3.采用电加热，塔顶冷凝水采用12深井水4.要求：Xd=0.88 Xw=0.015.选定 R/Rmin=1.6 前 言在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。 塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔

2、型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量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，也便于清理检修。本次设计就是针对水乙醇体系，而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。 由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望各位老

3、师指出，以便订正。目 录一、总体设计计算- 1.1气液平衡数据- 1.2物料衡算- 1.3操作线及塔板计算- 1.4全塔Et%和Np的计算-二、混合参数计算- 2.1混合参数计算- 2.2塔径计算- 2.3塔板详细计算- 2.4校核- 2.5负荷性能图-三、筛板塔数据汇总- 3.1全塔数据- 3.2精馏段和提馏段的数据-四、讨论与优化- 4.1讨论- 4.2优化-五、辅助设备选型- 5.1全凝器- 5.2泵-一、总体设计计算1.1汽液平衡数据（760mm Hg）乙醇%（mol) 温度液相X 气相Y 0.00 0.00 1001.90 17.00 95.57.21 38.91 89.09.66

4、43.75 86.712.38 47.04 85.316.61 50.89 84.123.37 54.45 82.726.08 55.80 82.332.73 58.26 81.539.65 61.22 80.750.79 65.64 79.851.98 65.99 79.757.32 68.41 79.367.63 73.85 78.7474.72 78.15 78.4189.43 89.43 78.151.2 物料衡算1.1-1已知：1.进料：F=6 kmol/h q=0 Xf=0.452.压力：p顶=4KPa 单板压降0.7KPa 3.采用电加热，塔顶冷凝水采用12深井水4.要求：Xd=

5、0.88 Xw=0.015.选定：R/Rmin=1.6D=(Xf-Xw)/(Xd-Xw)F=(0.45-0.01)/(0.88-0.01)6=3.03 kmol/hW=F-D=6-3.03=2.97 kmol/h查y-x图得 Xd/(Rmin+1)=0.218Rmin=3.037 R=1.6Rmin=4.859饱和蒸汽进料 q=0L=RD=4.8593.03=14.723 kmol/hV=(R+1)D=(4.859+1)3.03=17.753 kmol/hL=L+qF=14.723+06=14.723 kmol/hV=V-(1-q)F=17.753-(1-0)6=11.753 kmol/h1.

6、3操作线及塔板计算1.精馏段操作线：Y=RX/(R+1)+Xd/(R+1) Y=0.829X+0.1502.提馏段操作线：Y=(L/V)X-(W/V)Xw Y=1.253X-0.000253.理论塔板的计算利用计算机制图取得理论板数Nt=29.33块, 其中精馏段塔板Nt1=26.85块,第27块为加料板,提馏段Nt2 =2.48块。1.4全塔Et%和Np的计算1.精馏段：t=(t顶+t进)=(79.25+87.32)/2=83.285Xa=0.34 Xb=1-Xa=0.66Ya=0.59 Yb=1-Ya=0.41查得液体粘度共线图 a=0.382 cp, b=0.592 cp L=YaXbL

7、/XaYb=1.454查得：Et1%=0.49(L) -0.245=0.5471Np1=Nt1/Et1=49.082. 提馏段：t=(t底+t进)/2=(99.9+87.32)/2=93.61Xa=0.045 Xb=1-Xa=0.955Ya=0.27 Yb=1-Ya=0.730查得液体粘度共线图 a=0.468cp, b=0.532 cp L=Xii=0.0450.468+0.9550.532=0.5291L=YaXbL/XaYb=4.15查得：Et2%=0.49(L) -0.245=0.346Np2=Nt2/Et2=7.17Np=Np1+Np2=49.08+7.17=56.25圆整为57块其

8、中精馏段49块，提馏段8块。二 混合参数计算2.1混合参数计算溶质 C2H5OH 分子量 ： Ma=46.07 kg/kmol 溶剂 H2O 分子量：Mb=18.016 kg/kmola=0.789 g/ml b=1.000 g/ml(1)精馏段：进料板液体温度 ：t进=87.32 塔顶温度：t顶=79.25 tm=(87.32+79.25)/2=83.285Xm=0.34 Ym=0.59a=0.382cp b=0.592cp Ml=XmMa+(1-Xm)Mb=0.3446.07+(1-0.34)18.016=27.55 kg/kmolMg=YmMa+(1-Ym)Mb=0.5946.07+(1

9、-0.59)18.016=34.56 kg/kmol质量分率: Wa=XmMa/Ml=0.3446.07/27.55=0.6855 Wb=1-Wa=1-0.6855=0.31451/l= Wa/a+Wb/b=0.6855/0.789+0.3145/1.00l=845.1 kg/m3P=105325Pav=PMg/RT=10532534.56/(8314 (273.15+79.25)v=1.2424 kg/m3 (2)提馏段：t进=87.32 t底=99.9 tm=93.61Xm=0.045 Ym=0.27Ml=XmMa+(1-Xm)Mb=0.04546.07+(1-0.045)18.016=1

10、9.278 kg/kmolMg=YmMa+(1-Ym)Mb=0.2746.07+(1-0.27)18.016=25.59 kg/kmol质量分率: Wa=XmMa/Ml=0.04546.07/19.278=0.1275 Wb=1-Wa=1-0.1275=0.87251/l= Wa/a+Wb/b=0.1275/0.789+0.8725/1l=1.0341 kg/m3P=105325Pav=PMg/RT=10532525.59/(8314 (273.15+93.16)v=0.8839 kg/m3 a=58.46 dyn/cm , b=18.4 dyn/cm=X=0.68858.46+(1-0.68

11、8)18.4=45.96 dyn/cm2.2塔径计算(1)精馏段：Ls=LMl/(3600l)=442.0327.55/(3600845.1)=0.004 m/sVs=VMv(3600v)=543.3934.56/(36001.1952)=4.365m/stm=83.285此温度下液体的表面张力a=18.2 dyn/cm b=67.3 dyn/cm=Xma+(1-Xm)b=0.3418.2+0.6667.3=50.606两相流动参数：Flv=Ls/Vs(l/v) 0.5=0.00013/0.137(845.1/1.2424) 0.5=0.0247初设 板间距HT=0.5 m 清液层高度HL=0

12、.06mHT-HL=0.44 m查得： Cf,20 = 0.093 液气气相负荷因子：Cf = (/20)0.20 Cf,20 =0.112气体气速： un,f = Cf (l-v)/v 0.5=0.112(845.1-1.2424) / 1.24240.5 = 2.919 m/s空速： un=0.7un,f=0.72.919=2.0433 m/s初估塔径：D=(Vs/(0.785un) 0.5=(0.137/(0.7852.0433) 0.5=0.292 m圆整为 D=0.3 muf=vs/(0.785D2)=0.137/（0.7850.32）=1.939 m/s实际泛点百分率： uf/un

13、,f=1.939/2.919=0. 6643(2)提馏段：Ls=LMl/(3600l)=14.72319.278/(36001034.1)=0.000076 m/sVs=VMv(3600v)=11.75325.59/(36000.8839)=0.0945 m/stm=93.61此温度下液体的表面张力a=18.2 dyn/cm b=67.3 dyn/cm=Xma+(1-Xm)b=0.04518.2+0.95567.3=65.091两相流动参数：Flv=Ls/Vs(l/v) 0.5=0.000076/0.0945(1034.1/0.8839) 0.5=0.0275初设 板间距HT=0.5 m 清液

14、层高度HL=0.06mHT-HL=0.44 m查得： Cf,20=0.0947 液气气相负荷因子：Cf=(/20) 0.20Cf,20=0.1199气体气速： un,f=Cf(l-v)/v 0.5=0.1199(1034.1-0.8839)/0.8839 0.5=4.099 m/s空速： un=0.7un,f=0.74.099=2.869 m/s初估塔径：D=(Vs/(0.785un) 0.5=(0.0945/(0.7852.869) 0.5=0.205 m圆整为 D=0.25 muf=vs/(0.785D2)=0.0945/（0.7850.252）=1.926 m/s实际泛点百分率： uf/

15、un,f=1.926/4.099=0.4702.3塔板的详细设计 1.流动型式: 选取单溢流型2.堰的计算:（1）精馏段：堰长取 lw=0.6D=0.60.3=0.18 m堰高 hw=0.04 mlh/lw2.5=0.000133600/0.18 2.5=34.046又 lw/D= 0.6 查得： E=1.03堰上清液高 how=0.00284E(Lh/lw) 2/3=0.00553 m清液层高度 hl=hw+how=0.04+0.00553=0.04553 m降液管底隙高 ho=hw-0.008=0.032 m（2）提馏段：堰长取 lw=0.6D=0.60.25=0.15 m堰高 hw=0.

16、04 mlh/lw2.5=0.000133600/0.15 2.5=53.705又 lw/D= 0.6 查得： E=1.03堰上清液高 how=0.00284E(Lh/lw) 2/3=0.00137 m 清液层高度 hl=hw+how=0.04+0.00137=0.04137 m 降液管底隙高 ho=hw-0.012=0.0283.塔板的布置 (1)精馏段：选取碳钢为筛板的材料，板厚=4 mm，孔径do=6 mm取孔中心距t=18 mm，t/do=3开孔率=Ao/Aa=0.907/(t/do) 2=0.1008Ao开孔面积， Aa开孔区面积Af降液管截面积，At空塔截面积取外堰前的安定区：Ws

17、1=0.02 m取内堰前的安定区：Ws2=0.02 m边缘区：Wc=20mm （D2.5m）lw/D=0.6r = D/2-Wc=0.3/2-0.02=0.13 mWd=0.10.3=0.03x=D/2-(Wd+Ws)=0.1An=2x(r2-x2) 0.5+r2arcsin(x/r)=0.0463开孔区面积/塔板面积=0.0463/(0.7850.32)=0.6553 m2筛孔总面积 A0=An=0.04630.1008=0.004667 m2孔数：N=A0/u=0.004667/(0.7850.0062)=165.15取整：N=166 孔(2)提馏段：选取碳钢为筛板的材料，板厚=4 mm，

18、孔径do=6 mm取孔中心距t=18 mm，t/do=3开孔率=Ao/Aa=0.907/(t/do)2=0.1008Ao开孔面积， Aa开孔区面积Af降液管截面积，At空塔截面积取外堰前的安定区：Ws1=20mm取内堰前的安定区：Ws2=20mm边缘区：Wc=20mm （D2.5m）lw/D=0.6r = D/2-Wc=0.25/2-0.02=0.105 mWd=0.10.25=0.025x=D/2-(Wd+Ws)=0.08An=2x(r2-x2) 0.5+r2arcsin(x/r)=0.030开孔区面积/塔板面积=0.030/(0.7850.252)=0.7856 m2筛孔总面积 A0=An

19、=0.0300.1008=0.003024 m2孔数：N=A0/u=0.003024/(0.7850.0062)=107.006取整：N=108 孔2.4校核(1)精馏段1.压降校核=4mm，do/=1.5， 查图得Co=0.78Hc干板压降，Co孔流系数下板阻力 Hc=0.051（v/l）（Uo/Co）2Uo筛孔汽速，Uo=Vs/Ao=0.137/0.004667=29.355 Hc=01062（m液柱）Hl液层有效阻力，Fo气相动能因子Ua=Vs/(At-2Af)=0.137/0.063162=2.169Fa=Ua(pv)0.5=2.4176查表得=0.6Hl=(hw+how)=0.60.

20、04553=0.02732m（液柱）总压降-Hp=Hl+Hc=0.1335（m液柱）0.6 kg液/kg气 合格2.液沫夹带的校核Ug-气体通过有效截面的面积的速率Ug=Vs/(At-Af)=2.0477 m/shf 板上鼓泡层高度 物系的起泡系数 hf=hl/=0.07167 m , =0.6 Ev=(5.7E10-3/)(Ug/(Ht-hf) 3.2=0.01392 kg(液)/kg（汽） 0.1 kg(液)/kg(汽)不产生过量液沫夹带，合格.3.液泛校核Hd降液管液面高度，hd液相流经降液管的阻力hd=0.153(Ls/(lwho) 2=0.0000779 Hd=hw+how+hd+H

21、p=0.179 m , =0.6Hd/=0.2984 m0.44 m合格，不会产生液泛4.停留时间的校核 Af=0.003744 m2=AfHt/Ls=0.0037440.5/0.004=27.91 (35s) 合格5.漏液校核h-表面张力压头, Uom-漏点气速, Co-孔流系数h=4/9810ldo=0.00407 (m液柱)do/=1.5 查图得Co=0.78Uom=4.4Co(0.0056+0.13hl-h)l/v)0.56.381 m/sK=Uo/Uom=4.61.5 操作弹性大，不会发生严重漏液，合格。(2)提馏段：1.压降校核=4mm，do/=1.5， 查图得Co=0.78Hc-

22、干板压降，Co-孔流系数下板阻力 Hc=0.051（v/l）（Uo/Co）2Uo筛孔汽速，Uo=Vs/Ao=0.0945/0.003024=31.25 Hc=0.0700（m液柱）Hl液层有效阻力，Fo气相动能因子Ua=Vs/(At-2Af)=2.153Fa=Ua(pv)0.5=2.0239查表得=0.6Hl=(hw+how)=0.02482m（液柱）总压降-Hp=Hl+Hc=0.09482（m液柱）0.6 kg液/kg气 合格2.液沫夹带的校核Ug-气体通过有效截面的面积的速率Ug=Vs/(At-Af)=2.032 m/shf 板上鼓泡层高度 物系的起泡系数 hf=hl/=0.04137 m

23、 , =0.6 Ev=(5.7E10-3/)(Ug/(Ht-hf) 3.2=0.01453 kg(液)/kg（汽） 0.1 kg(液)/kg(汽) 不产生过量液沫夹带，合格.3.液泛校核Hd降液管液面高度，hd液相流经降液管的阻力hd=0.153(Ls/(lwho) 2=0.0000501 Hd=hw+how+hd+Hp=0.1362 m , =0.6Hd/=0.2270 m0.44 m 合格，不会产生液泛4.停留时间的校核 Af=0.0026 m2=AfHt/Ls=0.00260.5/0.000076=17.105 (35s) 合格5.漏液校核h-表面张力压头, Uom-漏点气速, Co-孔

24、流系数h=4/(9810ldo)=0.00428 (m液柱)do/=1.5 查图得Co=0.78Uom=4.4Co(0.0056+0.13hl-h)l/v)0.57.915 m/sK=Uo/Uom=3.9481.5 操作弹性大，不会发生严重漏液，合格。2.5负荷性能图(1)精馏段：1.液相下限线取how=0.006 m E=1.04how=0.00284E(3600ls/lw) 2/3 ls=0.000145 m3/s2.液相上限线取=5 s=AfHT/LsLs=AfHT/=(0.50.003744)/5=0.00037443.漏液线hl=hw+how=0.04+2.155ls2/3 mUom

25、=Vsmin/A0=Vsmin/0.2028Uom =4.4C0(0.0056+0.13hl-h)(l/v) 0.5Vsmin=0.0164.578+190.56ls2/3 0.54.过量液沫夹带线：取ev=0.1 , E=1.04hf=2.5hl=0.1+5.388Ls2/3Ug=Vs/(AT-Af)=Vs/0.0669ev=(0.0057/)Ug/(HT-hf) 3.2Vs=0.459-6.176Ls2/35.液泛线：取 =0.6HT+hwHd ,Hd(0.4+0.04)/0.6=0.7333hd=0.153(Ls/(lwh0) 2=4611.55Ls2hc=0.051(Vs/A0C0)

26、2(v/l)=5.658Vs2hl=0.024+1.293Ls2/3hp=hc+hl=0.024+1.293Ls2/3+5.658Vs2Hd=0.7333=hl+hd+hp=0.1+5.388Ls2/3+4611.55Ls2+5.658Vs2 Vs2=0.112-0.952Ls2/3-815.05Ls2(2)提馏段：1.液相下限线取how=0.006 m E=1.04how=0.00284E(3600ls/lw) 2/3ls=0.000121 m3/s2.液相上限线取=5 s=AfHT/Ls, Ls=AfHT/=(0.50.000076)/5=0.00000763.漏液线hl=hw+how=0.04+2.434ls2/3 mUom=Vsmin/A0=Vsmin/0.003024Uom =4.4C0(0.0056+0.13hl-h)(l/v)0.5Vsmin=0.01047.628+370.19ls2/3 0.54.过量液沫夹带线：取ev=0.1 , E=1.04hf=2.5hl=0.1+6.085Ls2/3Ug=Vs/(AT-Af)=Vs/0.0465ev=(0.00