乙醇-水精馏塔设计

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2011年12月 ~2011年1月化工原理课程设计筛板塔精馏分离乙醇-水溶液

设计题目板式精馏塔设计成绩化工原理课程设计是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。本次课程设计的主要思路及内容是：（1）确定流程方案：根据给定任务，选择操作条件、主体设备，确定精课程馏流程。（2）精馏塔工艺计算：确定回流比，对全塔进行物料衡算并计算混合气、设计液操作温度下的物性参数，计算出气、液体积流量。主（3）塔板的设计计算：确定塔板数，进行塔径初步计算，溢流装置的设要计计算，筛板布置、流体力学验算及塔板负荷性能图。内（4）塔附件及附属设备设计：通过计算确定接管、筒体、封头、除沫器、容裙座、吊柱、人孔等附件的尺寸及型号，计算出塔总体高度，并对预热器、冷凝器、再沸器等附属设备进行设计。（5）绘制精馏塔的主体设备装配图和带控制点的工艺流程图，编写设计说明书。建议：从学生的工作态度、工作量、设计（论文）的创造性、学术性、实用性及书面表达能力等方面给出评价。指导教师评语签名：年月日 1 / 47

2011年12月 ~2011年1月化工原理课程设计筛板塔精馏分离乙醇-水溶液

化工原理课程设计任务书

设计题目：板式精馏塔设计

设计时间：2011年12月~2012年1月指导老师：

设计任务：年处理 35000 吨乙醇-水溶液系统

1. 料液含乙醇 40% ，馏出液含乙醇不少于94 %，残液含乙醇不大于0.05 % 2. 操作条件

（1）泡点进料，回流比R= 1.5 Rmin；

（2）塔釜加热蒸汽压力：间接0.2 MPa（表压），直接0.1 MPa（绝压）；（3）塔顶全凝器冷却水进口温度20℃，出口温度50 ℃；（4）常压操作。年工作日300~320 天，每天工作24 h；（5）设备形式（筛板塔、浮阀塔、泡罩塔等）自选；（6）安装地点：合肥。

设计成果：

1. 设计说明书一份（word2003格式）;

2. 主体设备装配图一张（1#图纸），带控制点工艺流程图（3#图纸）一张

（AutoCAD2004格式）。

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中文摘要…………………………………………………………………………………5 英文摘要…………………………………………………………………………………6 1前言……………………………………………………………………………………7 2概述……………………………………………………………………………………7

2.1化工分离技术………………………………………………………………………7 2.2板式塔塔板设计与选型……………………………………………………………9

3设计方案的确定………………………………………………………………………13

3.1设计方案的选定……………………………………………………………………13 3.2设计方案确定的要求………………………………………………………………15 3.3设计方案确定及流程说明…………………………………………………………16 3.4精馏塔的设计步骤…………………………………………………………………16

4设计计算………………………………………………………………………………16

4.1精馏塔的工艺计算…………………………………………………………………17 4.2塔板数及塔径计算…………………………………………………………………24 4.3溢流装置……………………………………………………………………………26 4.4塔板布置……………………………………………………………………………27 4.5筛板的流体力学验算………………………………………………………………28 4.6塔板复合性能图……………………………………………………………………31 4.7塔附件设计…………………………………………………………………………36 4.8塔总体高度设计……………………………………………………………………38 4.9附属设备的设计……………………………………………………………………39

5总结……………………………………………………………………………………40

5.1筛板塔工艺设计计算结果汇总……………………………………………………40 5.2设计小结……………………………………………………………………………42

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5.3个人心得体会………………………………………………………………………42 参考文献……………………………………………………………………………………

附录1 相关物性数据……………………………………………………………………… 附录2 说明书中出现的各字母及其下标的含义………………………………………

板式精馏塔设计

摘要：鉴于筛板塔结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力

较大；气体分散均匀，传质效率较高等优点，本设计选用筛板式精馏塔精馏分离处理35000吨/年的乙醇-水溶液，首先利用AutoCAD做出相平衡

曲线，求出最小回流比为2.2，根据M?T图解法画出全塔所需的理论塔板数为26.2块（含再沸器），通过设计计算，得出实际塔板数为52块（含再沸器），然后对塔和塔板的工艺尺寸进行计算，计算圆整得塔径为1.2m，塔高为26.75m，物料为泡点进料。通过核算，此精馏塔能够达到要求的分离效果，满足设计任务书的要求。

关键词：筛板塔精馏乙醇设计

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Abstract：Considering the advantages of the sieve plate tower, such as the high efficiency,

the large production capacity and so on, this design chooses the sieve plate tower to distill and separate the ethanol-water solution, whose feeding quantity is 35000 tons per year. Firstly, the software of AutoCAD is used to make the phase equilibrium curve. We find out the smallest reflux ratio is 2.2 . We learn that the theoretical tower plate is 26.2 pieces（including the transformation reboiler）, according to the M - T graphic . Through the design and calculation, we can get that 52 pieces（including the transformation reboiler）of tower plates are needed virtually. Secondly, we calculate the craft size of tower and the tower board. The tower’s diameter is 1.2 meters and the height of the tower is 26.75 meters. The materials are fed at its bubble point. Finally, through the accounting，the rectifying tower which we design can meet the requirements of the separation effect and the design specification.

Keywords: sieve plate tower

distillation ethanol design

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2??wB?lg????o???lg5.899?0.77 ?????oVo????q22323???wVw?,q?2

??q Q?0.441???T?16.05?63.692323? ?0.441????60.41?18.67???0.72

273.15?91.515?2? A?B?Q?0.77?0.72?0.05

2??swA?lg??? 联立方程组 ?so???0.05?? 解得

?sw?0.638?so?0.362

?sw??so?1

?m1??sw?w??so?o?0.638?60.41?m1?39.26?10o?3141414?0.362?16.0514?2.50Nm2

100 15.2 温度/C 乙醇表面张力/10?370 18 80 17.15 90 16.2 Nm2 水表面张力/10?3Nm2 64.3 62.6 60.7 58.8 表4.3 不同温度下的乙醇表面张力和水表面张力表

4.1.5 混合物黏度的计算对乙醇，有黏度公式： lg??精馏段：t1?80.64℃

80?900.335?0.315?80.64?90??水1?0.334mPas??乙1?0.4557mPasAT?AB,其中A?686,B?300.88

?水1-0.315- lg?乙1?686.64273.15?80.64686.64-90300.88

?1??乙1x1??水1?1-x1??0.4557?0.4117?0.334??1?0.4117??0.3841mPas提馏段：t1?91.515℃

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90?1000.315?0.283?91.515?100?水2-0.315-??水2?0.310mPas??乙1?0.3987mPas lg?乙2?686.64273.15?91.515686.64300.88

?2??乙2x2??水2?1-x2??0.3987?0.0415?0.310??1?0.0415??0.3137mPas4.1.6 相对挥发对的计算相对挥发对 ??y?1?x?x?1?y?

精馏段： x1?0.4117 y1?0.6167 ?0.6167??1?0.4117?1?0.4117??1?0.6167??2.299 提馏段： x2?0.0415 y2?0.2928 ?2?0.2928??1?0.0415?0.0415??1?0.2928??9.562 4.1.7 气液相体积流量计算精馏段： R?3.3

L?RD?3.3?49.1?162.03kmolhV??R?1?D??3.3?1??49.1?211.13kmolh

LML1L29.53?162.03S1?.651?10?3m3s 体积流量

??L1804.87?1

VMV1V35.27?211.13S1??1.216?1.701?10?33?msV1提馏段：

L??L?F?162.03?204.2?366.23kmolhV??V?211.13kmolh

LL2L??366.23S2?M?19.16 体积流量

?L2933.20?2.089?10?3m3sVMV2V?26.20?211.13

S1??0.876?1.754?10?3m3?sV2

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4.2 塔板数及塔径计算

4.2.1 塔板数的计算

4.2.1.1 理论塔板数的计算（图解法） A由精馏段操作线方程

y?RR?1x?1R?1xD，当R?3.3时，代入得精

馏操作线与轴的交点为?0,20?。连接点?0,20?、

?xD,xD?得精馏操作线。

图4.2 理论塔板数解析图 B在轴上定出x?xD、xF、xW三点，依次通

过这三点做垂线，连接精馏操作线与x?xF的交点与点?xW,xW? ，得

提馏操作线。

C折线?xW,xW??精馏操作线与提馏操作线交点??xD,xD?得即为精馏塔操作线。

D从精馏操作线与提留操作线交点开始在平衡线和精馏操作线之间画阶梯，当梯级跨过线x?xD时，就改在平衡线和提留操作线之间画阶梯，直至梯级跨过线x?xW为止。

E观察上图，得精馏段理论塔板数为22.2，提馏段理论塔板数为4.0。 4.2.1.2 塔板效率及实际塔板数

?1?2.299?1?0.3841mpa?s精馏段： N?22.2ET?0.49??1?1?-0.245?0.505

故精馏段实际塔板数为41，加料板位置在第42块板。

?2?9.562?2?0.3137mpa?sN'?4.0ET'?0.49?2?2??0.245Ne?N?ET?22.2?0.505?40.36

提馏段：

?0.374Ne'?N'?ET'?4.0?0.374?10.70

故提馏段实际塔板数为11（含塔釜）。

实际塔板数：41?11?52块（含塔釜）

4.2.2塔径的初步设计

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取板间距HT?0.45m，板上液层高度hL?0.075m，安全系数ko?0.78。

HT?hL?0.375m

精馏段：

流动参数

LS1VS1?L1?V1?0.0016511.701804.871.216?0.0250

查史密斯关联图C20????0.08,C?C20?1??20?0.2?21.00??0.08???20??0.2?0.0808

则 umax?C?L1??V1?V1?0.0808?804.87?1.2161.216?2.077ms

u?k0umax?0.78?2.077?1.620ms

塔径D1?4VS?u?4?1.7013.14?1.620D?2?1.16m，圆整D1?1.2m

22塔截面积 A1?实际空塔气速提馏段：

流动参数

LS2VS2?43.144V1.701??S1?u1?1.504ms

A1.131?1.2?1.131m

?L2?V2?0.0020891.754933.200.876?0.0389

0.20.2查史密斯关联图C20????0.081,C?C20?2??20??39.26??0.0808???20???0.0927

则 umax?C?L2??V2?V2?0.0927?933.20?0.8760.876?3.024ms

u?k0umax?0.78?3.024?2.36ms

塔径D2?4VS2?u??4?1.7543.14?2.362?0.97m，圆整D2?1.0m

22塔截面积 A2?4D?VS2A3.144??1.0?0.785m

??实际空塔气速 u21.7540.785?2.234ms 24 / 47

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4.3 溢流装置

采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。 4.3.1 堰长及堰高的计算取lW?0.7D?0.7?1.2?0.84

采用弗兰西斯溢流堰经验公式求堰上液层高度hOW?LS1?0.668??l?W????2323?L?0.668??l?W????

精馏段： hOW1?0.001651??0.668????0.84?23?0.0105m

堰高 hW1?hL?hOW1?0.075?0.0105?0.064m 提馏段： hOW2?LS2?0.668??l?W????23?0.002089??0.668????0.84?23?0.0123m

堰高 hW2?hL?hOW2?0.075?0.0123?0.063m

图4.3 史密斯关联图

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直管进料管。管径计算如下：

D?4VsπuF3 计算得ρLF?856.384kgm

Vs?D?3.5?104?0.001587300?24?3600?854.384?0.00158m3s

??1.6?0.03546m?35.46mm,圆整D?36mm查标准，选取热轨无缝钢管（GB8163-87）规格：选取?45?4.5mm

4.7.1.2 回流管

采用直管回流，取uR?1.6ms，计算得ρLD?747.592kgm3

Vs?D?3.3?49.1?42.13600?747.5924?0.00253π?1.6?0.00253m3s

?0.04487m?44.87mm,圆整D?45mm查标准，选取热轨无缝钢管（GB8163-87）?54?4.5mm 4.7.1.3 塔顶蒸汽管

采用直管出气，取出口气速为u?25ms，计算塔顶气相密度为ρVD?1.4641kgm3

Vs?D??3.3?1??49.1?42.13600?1.46414?1.6864π?25?1.6864m3s

?0.29306m?293.06mm,圆整D?294mm查标准，热轨无缝钢管（GB8163-87）?3084.7.1.4塔釜出料管

?7mm

采用直管出气，取uW?1.6ms，计算得ρLW?716.0831kgm3

Vs?D??3.3?49.1?42.1???204.2?23.8?3600?716.08314?0.00453π?1.6?0.00453m3s

?0.06005m?60.05mm,圆整D?61mm查标准，热轨无缝钢管（GB8163-87）?70?4.5mm 4.7.1.5塔底进气管

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采用直管进气，取u?25ms，计算得ρVW?0.6125kgm3

Vs?D??3.3?1??49.1?42.13600?0.61254?4.031π?25?4.031m3s

?0.45310m?453.10mm,圆整D?454mm查标准，热轨无缝钢管（GB8163-87）?530?9 4.7.1.6 法兰

① 进料管接管法兰：PN6DN50HGT20592?2009 ② 回流管接管法兰：PN6DN60HGT20592?2009 ③ 塔顶蒸汽管法兰：PN6DN300HGT20592?2009 ④ 塔釜出料管法兰：PN6DN70HGT20592?2009 ⑤ 塔釜蒸汽进气法兰：PN6DN500HGT20592?2009

4.7.2 筒体与封头 4.7.2.1筒体 ??1.05?6?12002?1250?0.9?0.2?3.56

因此筒体的壁厚取4mm，材质为A3.

4.7.2.2封头

封头分为椭圆形封头、蝶形封头等几种，本设计采用椭圆形封头，由公称直径

Dg?1200mmF封?1.6552m,查得曲面高度h1?300mm，直边高度h0?25mm,内表面积

2,容积V封?0.2545m3。选用封头Dg1200?4,JBT 4746?2002

4.7.3 除沫器

本设计采用丝网除沫器，其具有表面积较大、重量轻、空隙大及使用方便等优点。

设计气速选取 u?K??L??V?V，系数K??0.107

u?0.107?747.592?1.46411.4641?2.415

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除沫器直径：D?4VS?u?4?1.6864??2.415?0.943m

选取不锈钢除沫器，类型：标准型，规格：40-100，材料：不锈钢丝网丝网尺寸：圆丝?0.3。

4.7.4 裙座

塔底采用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm。

基础环内径：Dbi??1200?2?16???0.2~0.4??103,取0.3，则Dbi?932mm 基础环外径：Dbv??1200?2?16???0.2~0.4??103,取0.3，则Dbi?1532mm 圆整：Dbi?1000mm,Dbv?1600。考虑到腐蚀余量，基础环厚度取18mm；考虑到再沸器，裙座高度取3m。

4.7.5 吊柱

对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，既经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因塔径D?1200mm，可选用吊柱500kg,L?3250mm,材料为A3。

4.7.6 人孔

人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备的内部装置。本设计中共51块板，每隔10层塔板设一个人孔，需设置5个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为600mm。裙座上开2个人孔，直径为450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材与塔的接管法兰相同。

4.8 塔总体高度设计

塔高 H?HD??N?2?S?HT?SHT?HF?HB

塔顶空间HD，取1.2m;塔板间距HT?0.45m；进料段高度HF,取0.5m；塔底空间HB，

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取3.0m；实际塔板数N??52?1??51块；人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）S?5。

代入计算：H?1.2??51?2?5??0.45?5?0.45?0.5?3.0?26.75m

4.9 附属设备的设计

4.9.1 预热器的选择

以釜残液对预热原料液。本设计取k?800kcal?m2?h?℃?3344kJ??m2?h?℃?

被加热物料温度：45℃—83.08℃ 釜残夜温度：99.95℃—55℃ 逆流操作：

?tm??t1??t2ln?t1?t2?16.87?10ln16.8710?13.14℃