乙醇精馏塔设计说明书

系 （ 所 ） 过程装备与控制工程 系 (所) 主任 批 准 日 期 西 安 交 通 大 学

课程设计(论文)任务书

能动学院 过程装备与控制工程 系 81 班 学生 黄崇海、程猛、曹昆、赵敏 课程设计(论文)课题 乙醇精馏塔的设计 课程设计(论文)工作自 2011 年 11 月 12 日起至 2011 年 12 月 23 日止 课程设计(论文)进行地点： 东2-819

课题的背景、意义及培养目标

对给定的设计任务进行乙醇精馏塔的设计，意义是将所学知识运用于实际的工艺设计中，熟练精馏塔的设计过程及原理，为以后的毕业设计打下基础。

设计(论文)的原始数据与资料

（1）进料含乙醇38.2%，其余为水（均为质量分数）；（2）生产乙醇含量不低于93.1%；（3）釜残液中乙醇含量不高于1%；（4）生产能力5000T/Y乙醇产品，年开工7200小时；（5）操作条件：1、间接蒸汽加热；2、塔顶压力：1.03atm（绝对压强）；3、饱和进料；4、回流比：R=5；5、单板压降：75mm液柱。

课题的主要任务

（1）编制一份设计说明书 （2）绘制一个带控制点的工艺流程图 （3）绘制精馏塔的工艺条件图 课题的基本要求(工程设计类题应有技术经济分析要求)

1、前言； 2、设计方案的确定和流程的说明； 3、塔的工艺计算； 4、塔和塔板主要工艺尺寸的设计； 5、附属设备的选型和计算； 6、设计结果一览表； 7、注明参考和使用的设计资料； 8、对本设计的评述或有关问题的分析讨论。

完成任务后提交的书面材料要求(图纸规格、数量，论文字数，外文翻译字数等)

1.设计说明书×1 2. 一张带控制点的工艺流程图×1 3. 一张精馏塔的工艺条件图×1

主要参考文献

[1]姚玉英、陈常贵，化工原理（上册），第二版。 [2]蒋维钧、雷良恒、刘茂林、余立新，化工原理（下册），第二版，北京，清华大学出版社，2002。 [3]郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，北京，化学工业出版社，2001.7。 [4]蒋能照、徐宇清，制冷工质热物理性质表和图。 [5]李云、姜培正，过程流体机械，北京，化学工业出版社，2008.6。

指导教师 李云 接受设计(论文)任务日期 2011年11月12日

（注：由指导教师填写） 学生签名：

分离乙醇—水板式精馏塔设计

目录

摘要 ............................................................... 4 符号说明 .......................................................... 6 前言 ............................................................... 8 1、设计任务 ....................................................... 9 2、工艺流程图 ................................................... 10 3、设计方案 ...................................................... 11

3.1设计方案的确定 ................................................ 11

3.1.1塔型的选择 .................................................. 11 3.1.2操作压力 .................................................... 11 3.1.3进料方式 .................................................... 11 3.1.4加热方式 .................................................... 11 3.1.5热能的利用 .................................................. 11 3.1.6回流方式 .................................................... 12

3.2实验方案的说明 ................................................ 12

4、板式塔的工艺计算 ............................................ 13

4.1物料衡算 ...................................................... 13 4.2操作线的确定 .................................................. 14

4.2.1精馏段操作曲线方程 ........................................... 14 4.2.2提馏段操作曲线方程 ........................................... 14

4.3确定理论板层数NT.............................................. 14 4.4确定全塔效率ET和实际塔板层数NP............................... 16

4.4.1物系黏度 .................................................... 16 4.4.2全塔效率和实际塔板数 ......................................... 17

4.5操作压强的计算 ................................................ 18 4.6平均分子量的计算 .............................................. 18

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

4.7平均密度的计算 ................................................ 19 4.8表面张力的计算 ................................................ 20 4.9液体平均粘度的计算 ............................................ 21 4.10平均流量的计算 ............................................... 22

5、塔体和塔板的工艺尺寸计算 ................................... 23

5.1塔径 .......................................................... 23 5.2溢流装置 ...................................................... 25 5.3塔板布置及筛板塔的主要结构参数 ................................ 28 5.4塔板流体力学验算 .............................................. 29

5.4.1塔板阻力HP.................................................. 29 5.4.2降液管泡沫层高度 ............................................. 32 5.4.3液沫夹带 .................................... 错误！未定义书签。 5.4.4漏液点 ..................................................... 33

5.5操作负荷性能图 ................................................ 34

6、辅助设备的计算与选型 ........................................ 37

6.1料液储罐的选型 ................................................ 37 6.2各接管尺寸的确定 .............................................. 37

6.2.1进料管 ..................................................... 37 6.2.2 釜残液出料管 ................................................ 38 6.2.3回流液管 .................................................... 38 6.2.4 塔顶上升蒸汽管 .............................................. 38 6.2.5 水蒸汽进口管 ................................................ 39

6.3换热器的选型 .................................................. 39

6.3.1冷凝器 ..................................................... 39 6.3.2预热器 ..................................................... 39 6.3.3再沸器 ..................................... 错误！未定义书签。

6.4塔高 .......................................................... 42 6.5法兰 .......................................................... 43 6.6塔顶吊柱 ...................................................... 43 6.7人孔 .......................................................... 44 6.8泵的计算及选型 ................................................ 44

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

设计结果一览表 .................................................. 45 7、塔的机械设计 ................................................. 47

7.1选择材料 ...................................................... 47 7.2塔的载荷计算 .................................................. 47 7.3塔的自振周期计算 .............................................. 48 7.4地震载荷及地震弯矩计算 ........................................ 48 7.5风载荷和风弯矩计算 ............................................ 49 7.6筒体和裙座危险截面的强度性校核 ................................ 52 7.7筒体和裙座水压实验应力校核 .................................... 53 7.8基础环设计 .................................................... 56 7.9地脚螺栓计算 .................................................. 57

8、经济衡算 ...................................... 错误！未定义书签。

8.1成产成本 ...................................... 错误！未定义书签。 8.2水蒸汽费用CS.................................. 错误！未定义书签。 8.3冷却水费用CW.................................. 错误！未定义书签。 8.4设备投资费CD.................................. 错误！未定义书签。 8.5总费用 ........................................ 错误！未定义书签。 8.6利润 .......................................... 错误！未定义书签。

9、采用热泵精馏及经济衡算 ..................................... 59 10、心得体会 .................................................... 62

参考文献.......................................................... 63

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

摘 要

本设计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10块，回流比为5,算出塔效率为0.4854，实际板数为19块，进料位置为第8块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1米，塔高10.775米，筛孔数为2507个。

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：精馏塔，筛板塔，塔效率，塔径

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

ABSTRACT

This design uses a sieve-plate tower for the distillation equipment to separate ethanol and water. Sieve-plate tower is the main chemical production of gas to liquid mass transfer equipment. In this design, ethanol-water distillation problems are analyzed, and the design consist of the selection, calculation, accounting, and drawing , it is a complete distillation design process.

Through calculated by plate theory, the theory plate number is 10, reflux ratio is 5, tower efficiency is 0.4854, the actual number of board is 19, and the feeding position is the eighth piece board. In the main technology dimension of the plate column design calculation, the diameter of the tower is 1 meter, the height of the tower is 10.775 meters, and sieve pore number is 2507.

Through the fluid mechanics analysis of a sieve-plate tower, proving that of each data are up to the standard. The design process is normal, and the operation is right.

KEYWORDS: Rectification column; Sieve-plate tower; Tower efficiency; The diameter of the

tower

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

符号说明

英文字母

Aa---- 塔板的开孔区面积，m2 Af---- 降液管的截面积，m2 Ao---- 筛孔区面积，m2 AT----塔的截面积 ，m2 △PP----气体通过每层筛板的压降，kPa C----负荷因子，无因次 t----筛孔的中心距，mm

C20----表面张力为20mN/m的负荷因子，无因次 do----筛孔直径，mm u’o----液体通过降液管底隙的速度，m/s D----塔径 ，m Wc----边缘无效区宽度，m Wd----弓形降液管的宽度，m Ws----破沫区宽度，m

ev----液沫夹带量，kg液/kg气 ET----总板效率，无因次 R----回流比，无因次

M----平均摩尔质量，kg/kmol tm----平均温度，℃

g----重力加速度，9.8m/s2 Z----板式塔的有效高度，m

Fo----筛孔气相动能因子，kg1/2/(s.m1/2) hl----进口堰与降液管间的水平距离，m θ----液体在降液管内停留时间，s hc----与干板压降相当的液柱高度，m υ----粘度，mPa.s

hd----与液体流过降液管的压降相当的液注高度，m ρ----密度，kg/m3

hf----塔板上鼓层高度,m σ----表面张力,mN/m

hL----板上清液层高度，m h1----与板上液层阻力相当的液注高度，m ho----降液管的底隙高度，m how----堰上液层高度，m hW----出口堰高度，m h’W----进口堰高度，m hσ----与克服表面张力的压降相当的液注高度，m H----板式塔高度，m HW----塔底空间高度，m

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

Hd----降液管内清液层高度，m HD----塔顶空间高度，m HF----进料板处塔板间距，m HP----人孔处塔板间距，m HT----塔板间距，m H1----封头高度，m H2----裙座高度，m K----稳定系数，无因次 lW----堰长，m

Lh----液体体积流量，m3/h Ls----液体体积流量，m3/s n----筛孔数目，无因次 P----操作压力，KPa △P---压力降，KPa

△Pp---气体通过每层筛的压降，KPa T----理论板层数，无因次 u----空塔气速，m/s

u0,min----漏夜点气速，m/s

uo’ ----液体通过降液管底隙的速度，m/s Vh----气体体积流量，m3/h Vs----气体体积流量，m3/s Wc----边缘无效区宽度，m Wd----弓形降液管宽度，m Ws ----破沫区宽度，m

Z ---- 板式塔的有效高度，m

希腊字母

δ----筛板的厚度，m

θ----液体在降液管内停留的时间，s υ----粘度，mPa.s ρ----密度，kg/m3 σ----表面张力，N/m φ----开孔率，无因次 α----质量分率，无因次

下标

Max---- 最大的 Min ---- 最小的 L---- 液相的

V---- 气相的

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

前言

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。 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。

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

1、设计任务

1.1题目：

乙醇精馏塔的设计 1.2设计任务及条件：

1）原料：乙醇—水混合物，含乙醇38.2%（质量分数，下同）； 2）产品：馏出液含乙醇93.1%； 3）釜残液中乙醇含量≤1%；

4）生产能力：5000t／年乙醇产品，年开工7200小时； 5）操作条件：

1间接蒸汽加热； ○

2塔顶压力：1.03atm（绝对压强）； ○

3进料热状态：泡点进料； ○

4回流比：R=5； ○

5单板压降：75mm液柱。 ○

1.3设计要求

1）设计方案的选定，包括塔型的选择及操作条件确定等；

2）确定该精馏的流程，绘出带控制点的生产工艺流程图，标明所需的设备、管线及其有关观测或控制所必需的仪表和装置； 3）精馏塔的有关工艺计算

? 计算产品量、釜残液量及其组成； ? 计算所需理论塔板层数及实际板层数； ? 确定进料板位置。 1.4塔主体尺寸的计算（塔径） 1.5塔板结构尺寸的设计 1.6流体力学验算 1.7画出负荷性能图 1.8辅助设备的选型

1）确定各接管尺寸的大小；

2）热量衡算，计算全塔装置所用蒸汽量和冷却水用量，确定每个换热器的传热面积并进行选型；

3）根据伯努利方程，计算扬程，确定泵的规格类型； 4）壁厚，法兰，封头，吊柱等的选定。 1.9编写设计说明书

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

2、工艺流程图

附图1为带控制点的工艺流程图。 流程概要；

乙醇－水混合原料经预热器加热到泡点后，从A点处送进精馏塔，塔顶上升的蒸汽从B点处出来后进入全凝器冷凝，冷凝后一部分从C点处回流，其余为塔顶产物，塔釜采用间接蒸汽加热供热，塔底产物从D点处流出，并经过冷却后送人贮槽。

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

3、设计方案

3.1设计方案的确定 3.1.1塔型的选择

筛板塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3~8mm，筛孔在塔板上作正三角形排布。筛板塔的优点是：结构简单，造价低廉，气压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率较高，气流分布均匀，传质系数高；缺点：操作弹性小，筛孔小易发生堵塞，不利于黏度较大的体系分离。

本设计中，根据生产任务，若按年工作7200小时计算，乙醇产品流量为5000t／年，由于产品粘度较小，流量较大，因此即使筛孔小也不易堵塞，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率。

因此，本设计最终选用筛板塔。

3.1.2操作压力

精馏可在常压、加压和减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性考虑的。

一般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于乙醇－水体系，在常压下已经是液态，且乙醇－水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。

因此，本设计选择常压操作条件。

3.1.3进料方式

进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中。这样一来，进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，设计制造均比较方便。

因此，本设计选择泡点进料。

3.1.4加热方式

精馏段通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量。若待分离的物系为某种组分和水的混合物，往往可以采用直接蒸汽加热的方式。但当在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，可使得釜残液中的轻组分浓度降低，所需的理论塔板数略有增加，且物系在操作温度下黏度不大有利于间接蒸汽加热。

因此，本设计选用间接蒸汽加热的方式提供热量。

3.1.5热能的利用

精馏的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此，热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%被有效的利用。塔顶蒸汽冷凝放出大量的热量，但其位能低，

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不可能直接用来作塔釜的热源。但可作低温热源，或通入废热锅炉产生低压蒸汽，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度再用于加热釜液。

采用釜液产品去预热原料，可以充分利用釜液产品的余热，节约能源。因此本设计利用釜残液的余热预热原料液至泡点。

3.1.6回流方式

泡点回流易于控制，设计和控制时比较方便，而且可以节约能源。但由于实验中的设计需要，所需的全凝器容积较大须安装在地面，因此回流至塔顶的回流液温度稍有降低，在本设计中为设计和计算方便，暂时忽略其温度的波动。

因此，本设计选用泡点回流。

3.2实验方案的说明

1) 本精馏装置利用高温的釜液与进料液作热交换，同时完成进料液的预热

和釜液的冷却，经过热量与物料衡算，设想合理。釜液完全可以把进料液加热到泡点，且低温的釜液直接排放也不会造成热污染。

2) 原料液经预热器加热后先通过离心泵送往高位槽，再通过阀门和转子流

量计控制流量使其满足工艺要求。

3) 本流程采用间接蒸汽加热，使用20℃水作为冷却剂，通入全凝器对塔顶

蒸汽进行冷凝。从预热器、全凝器出来的液体温度分别在50-60℃、30℃左右，之后还可对生产出来的产品利用冷却器进行冷却，这些冷却剂可以用于民用热澡水系统或输往锅炉制备热蒸汽的重复利用。

4) 本设计的多数接管管径取大，为了能使塔有一定操作弹性，允许气体液

体流量增大，所以采取大于工艺尺寸所需的管径。

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

4、板式塔的工艺计算

4.1物料衡算

通过全塔物料横算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。

1、 将各个质量分数转化为摩尔分数

x38.2/46F?38.2/46?61.8/18?0.1948

x93.1/46D?93.1/46?6.9/18?0.8408

x1/46W?1/46?99/18?0.003937

2、 各个相对摩尔质量

MF?46?38.2%?18?61.8%?28.696kg/kmol MD?46?93.1%?18?6.9%?44.068kg/kmol MW?46?1%?18?99%?18.28kg/kmol

3、 各个摩尔流量

由年产量5000t，有效工作时间为7200小时，可得产品流量D为

D?5000?10007200?44.068?15.76kmol/h

由物料衡算式可算出进料液流量F和釜残液流量W

??D?W?F?Dx D?WxW?FxF代入得

F?15.76?W0.8408?15.76?0.003937W?0.1948F

解得：

F=69.1kmol/h W=53.34kmol/h

由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表4-1

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4-1）

（

分离乙醇—水板式精馏塔设计

图5-1 史密斯关联图

(4)求空塔气速

适宜的空塔速度通常取最大允许空塔速度的0.6-0.8倍，即u?(0.6~0.8)uF 其中 u?Lm??VmF?C?

Vm本设计中安全系数暂取0.7，则由公式（5-3）计算得

精馏段：u811.115?1.34F?0.06?1.34?1.47m/s，则 u=0.7 ?1.47=1.029m/s

提馏段：uF?0.065?911.79?0.970.97?1.992m/s，则

u=0.7 ?1.992=1.3944m/s （4） 求估算塔径D

由公式（5-1）计算塔径得 精馏段：

D'?Vs0.730.785u?0.785?1.029?0.95m

提馏段：

D'?Vs0.70.785u?0.785?1.3944?0.8m

取较大者为精馏塔塔径，即D=0.95m，圆整得到D=1m 塔的截面积：

A?T?4D2??4?12?0.785m2

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5-3）

（

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实际空塔气速： 精馏段：

u?Vs0.73??0.93m/s AT0.785实际安全系数：

u0.93??0.63 uF1.47提馏段：

u?Vs0.7??0.89m/s AT0.785实际安全系数：

u0.89??0.45 uF1.9925.2溢流装置

板式塔的溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分，其结构和尺寸对塔的性能有很重要的影响。

降液管的类型：降液管是塔板间流体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。降液管有圆形和弓形两类。通常，圆形降液管用于小直径塔，而大直径塔一般用弓形降液管。

降液管溢流方式：一般常用的有如下图5-2所示的几种类型，即（a）U形流、（b）单溢流（c）双溢流等。

图5-2 塔板溢流类型

（a）U形流、（b）单溢流（c）双溢流

其中，单溢流又称直径流，液体自受液盘流向溢流堰。液体流径长，塔板效率高，塔板结构简单，广泛应用于直径2.2m以下的塔中。

选择何种降液方式要根据液体流量、塔径大小等条件综合考虑。表5-1列出了溢流类型与液体负荷及塔径的经验关系，可供设计参考。

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

表5-1 液相负荷、塔径与液流型式的关系

塔径D，mm 1000 1400 2000 3000 4000 5000 Lh=3.16m3/h

U形流 7以下 9以下 11以下 11以下 11以下 11以下 液体流量Lh，m3/h 单溢流 45以下 70以下 90以下 110以下 110以下 110以下 双溢流 90～160 110～200 110～230 110～250 所以选择单溢流。

受液盘上一般不设置进口堰，进口堰既占面积，又易使沉淀物淤积此处造成阻塞。

溢流堰的形式有平直形和齿形两种。设计时，堰上液层高度应大于6mm，如果小于此值须采用齿形堰；堰上液层高度太大，会增大塔板压降及雾沫夹带量。

综上所述，堰流装置设计可选用单溢流，弓形降液管，不设进口堰，平形受液盘以及平形溢流堰。其塔板示意图5-3如下

图5-3 塔板示意图

各项计算如下： 1.堰长lW；

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分离乙醇—水板式精馏塔设计

堰长lw=(0.6-0.8)D，取堰长lw=0.7D?0.7?1?0.7m 2.出口堰高hw

hw?hL?how （5-4） how?2.841000?LhE??l?w?? ? （5-5）?23取板上清液高度hL?0.05m

(1)液流收缩系数E

可近似取E=1，所引起的计算误差对结果影响不大。 (2)堰上液层高度：

则由公式（5-5）和公式（5-4）计算得 精馏段：

how?2.841000?Lh?2.84?3.16??E???1????0.0078m?l?1000?0.7??w?2323

hw?hL?how?0.05?0.0078?0.0422m 提馏段：

2323how'2.84?1000?Lh?2.84?3.37??E???1????0.0081m ?l?10000.7???w?'hw?hL?how?0.05?0.0081?0.042m

3.弓形降液管高度Wd及降液管面积Af用图5-4求取Wd及Af

'图5-4弓形的宽度与面积

因为

AflwWd?0.095 ,由该图查得：，?0.7?0.15ATDD27

分离乙醇—水板式精馏塔设计

?Af?0.095AT?0.095?10785?0.12m2

?Wd?0.15D?0.15?1?0.15m

4.验算液体在降液管中停留时间 停留时间计算公式为：

??AfHTLsAfHTLs （5-6）

则精馏段：

?1??0.12?0.30?41.05s>5s ?48.77?10提馏段：

?2?AfHTLs?0.12?0.30?38.5s>5s ?49.36?10保留时间θ>(3-5)s，故降液管适用。 5.降液管底隙高度ho

降液管底隙高度ho可用下式计算

Lsho?'lWu0则精馏段：

（5-7）

液体通过降液管底隙的流速一般可取0.07~0.25m/s，本设计取u'0=0.08m/s。

Ls8.77?10?4ho???0.0157m '0.7?0.08lWu0hw?h0?0.0422?0.0157?0.0265m>0.006m

提馏段：

Ls9.36?10?4ho???0.0167m '0.7?0.08lWu0'hw?h0?0.042?0.0167?0.0253m>0.006m

''计算结果符合要求。

5.3塔板布置及筛板塔的主要结构参数

1.因D>800mm,故塔板采用分块式，查得塔板分为3块。

2.边缘区宽度确定

取边缘区宽度：Wc=0.035m；溢流堰前的安定区宽度： Ws=0.07m

28

分离乙醇—水板式精馏塔设计

3.开孔区面积计算

?2?1?Aa?2?xr2?x2?rsin180?其中

x?r?? （5-8）

D1??Wd?Ws????0.15?0.07??0.28m22 D1r??Wc??0.035?0.465m22 x?故Aa?0.487m2 4.筛板的筛孔和开孔率

因乙醇—水组分无腐蚀性，可选用??3mm的碳钢板，取筛孔直径

d0?5mm， 筛孔按正三角排列，孔中心距t?3d0?3?5?15mm

筛孔数目：

1158?1031158?103n?Aa??0.487?2506.4?2507 22t15

A00.9070.907???0.1008?10.08% （在5%~15%范围内 ）Aa(td0)232Vs （5-9） ?AaVs0.73??14.87m/s ?Aa0.1008?0.487开孔率：

??气体通过筛孔的气速公式为

u0?则精馏段：

u01?提馏段：

u02?0.7?14.26m/s

0.1008?0.4875.4塔板流体力学验算

塔的操作能否正常进行，与塔内气，液两相的流体力学状况有关。板式塔的流体力学性能包括：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液及液面落差等。

5.4.1塔板阻力hp

气体通过塔板的压降hp包括：干板压降hc，板上充气液层阻力hl以及克服液体表面张力的阻力h?，可表示为

hp?hc?hl?h? （5-10）

1.干板阻力hc

29

分离乙醇—水板式精馏塔设计

?u0hC?0.051?????2??V???? ? （5-11）?C0???L?式中：

u0—筛孔气速，m/s；

C0—流量系数；

?V、?L—分别为气相和液相的密度，Kg/m3。

因

d0??1.67，查附图5-5得C0?0.78

图5-5 C0与d0/?的关系

故精馏段：

hc?0.051(u0C)2(?v)?0.051?(14.87)2???1.34???0.031m 液柱 0?L0.78?811.115?精馏段：

h'u02?vc?0.051(C)()?0.051?(14.26)2???0.97???0.018m 液柱 0?L0.78?911.79?2.板上充气液层阻力hl 计算公式为：

hl??0hL??0(hw?h0w) 式中：

hl—板上清液层高度；

?0—充气系数。

30

5-12）

（分离乙醇—水板式精馏塔设计

（1） 精馏段：

uVsa?A?A?0.73785?0.12?1.1

Tf0.动能因子Fa?u0?V?1.1?1.34?1.27

图5-6 有效液层阻力hl

查得?0=0.63，则hl??0hL?0.63?0.05?0.0315m

（2） 提馏段：

u'sa?VAA?0.7?0.12?1.05

T?f0.785动能因子F'?u'a0?V?1.05?0.97?1.03

查得?''0=0.65，则hl??0hL?0.65?0.05?0.0325m

3.有表面张力引起的阻力h?

计算公式为：

h??4?? Lgd0精馏段：h?=0.00392m 提馏段：h?'=0.00502m故(1)精馏段

hp=0.031+0.0315+0.00392=0.06642m液柱

压降?P??ghp=811.115 ?9.8 ?0.06642=0.528kPa

31

5-13） （ 分离乙醇—水板式精馏塔设计

(2)提馏段

hp'=0.018+0.0325+0.00502=0.05552m液柱

压降?P??ghp'=911.79? 9.8? 0.05552=0.496kPa

5.4.2降液管泡沫层高度

为了防止降液管液泛，应保证降液管内泡沫液层总高度不超过上层塔板的溢流堰顶，通常可通过求出的降液管内清液层高度Hd 是否满足Hd? ?(HT?hW)来进行验算，即

Hd?hp?hW?how?hc??(HT?hW) （5-14）

Ф为降液管中泡沫层的相对密度。对于一般物系，Ф=0.5；对于发泡严重的物系，Ф=0.3~0.4；对于不易发泡的物系，Ф=0.6~0.7。本设计方案中取Ф=0.5。 其中液体在降液管出口阻力：

?Lshd?0.153??Lh?wo?Lshd?0.153??Lh?wo2??? （5-15）?

2（1）液体通过降压管损失因不设进口堰。

?'2??0.153u?0.153?0.072?7.497?10?4m 0??（2）气体通过塔板间的压强降所相当的液柱高度 精馏段hp=0.06642m

提留段hp'=0.05552m （3）板上液层高度，前已选定hL=0.05m

（4）前面已定HT?0.30m，精馏段：hw=0.0422m

提留段：hw'=0.042m。

则精馏段：

?(HT?hW)?0.5?(0.30?0.0422)?0.1711m

Hd?hp?hW?how?hc=0.06642+0.0422+0.0078+0.031=0.14742m<0.1711m提留段：

?(HT?hW')?0.5?(0.30?0.042)?0.171m

Hd?hp'?hW'?how'?hc'=0.05552+0.042+0.0081+0.018=0.12362m<0.1711m符合防止降液管液泛要求。

32

分离乙醇—水板式精馏塔设计

5.4.3液沫夹带

由公式（5-16）计算液沫夹带

eV?5.7?10?6?L?ua??H?hf?T???? （5-16）

3.2其中hf=2.5hL=0.125 （1） 精馏段：

5.7?10??uaeV??H?h?Lf?T（2）提馏段：

?63.2????5.7?10?61.1??????38.9168?10?3?0.3?0.125?3.2?0.0525kg液/kg气

eV?5.7?10?6?L?ua??H?hf?T????3.25.7?10?6?1.05??????356.0335?10?0.3?0.125?3.2?0.0314kg液/kg气

可见eV<0.1kg液/kg气，故在本设计中液沫夹带常量eV在允许范围内，不会发生过量液沫夹带。

5.4.4漏液点

uom?4.4C20?0.0056?0.13hL?V?h???L （5-17）

F?式中:

u?1.5~2.0uom （5-18）

uo--孔气速,m/s；

uom--漏液点筛孔气速，m/s。

漏液验算用公式（5-17）和公式（5-18），则有

（1） 精馏段：

uom?4.4?0.78?0.0056?0.13?0.05?0.00392??811.1151.34?7.64m/s

F?u0114.87??1.95?1.5uom7.64

（2） 提馏段：

uom?4.4?0.78'?0.0056?0.13?0.05?0.00502??911.790.97?8.85m/s

F?u0214.26??1.61?1.5'8.85uom

33

分离乙醇—水板式精馏塔设计

故在本设计中无明显漏液。

5.5操作负荷性能图

1.漏液线

（1）精馏段：

4（2） 提馏段：

Vs,min?'Vs,min??d0nu0m??4 ?0.0052?2507?7.64?0.376m3/s （5-19）

?44由公式（5-19）和公式（5-20）可以分别做出精馏段与提馏段的与流体流量无关的水平漏液线。 2.液沫夹带线

d0nu0m?'? ?0.0052?2507?8.85?0.436m3/s （5-20）

以eV?0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下：

eV?ua?5.7?10?6?L?ua??H?hf?T????3.2

VsVsVs ??AT?Af0.785?0.120.665（1） 精馏段：

hf=2.5hL=(hw+how) hw=0.0422m，

how2.84?10002?Lh?2.84?3600Ls?E??l???1000?1??0.7??0.846Ls3 ???w?2323则hf?2.5?(0.0422?0.846L)?0.1055?2.115L

23s23sHT?hf?0.3?0.1055?2.115L?0.1945?2.115L

由

5.7?10?6eV?38.9168?10?3????Vs??2??0.665?(0.1945?2.115L3)?s??23s3.223s23s?0.1

解得

Vs?0.994?10.81L （5-21）（2） 提馏段：

hf=2.5hL=(hw'+how')

hw'=0.042m，

34

分离乙醇—水板式精馏塔设计

how'2.84?1000?LhE??l?w2?2.84?3600Ls????1000?1??0.7??0.846Ls3 ???2323则hf?2.5?(0.042?0.846L)?0.105?2.115L

HT?hf?0.3?0.105?2.115L?0.195?2.115L

23s23s23s23s由

eV?5.7?10?656.0335?10?3????Vs??2??0.665?(0.195?2.115L3)?s??23s3.2?0.1

解得

Vs?1.117?12.1L （5-22）

由上述公式（5-21）和公式（5-22）可分别作出精馏段和提馏段的液沫夹带线。

3.液相负荷下限线

对于平直堰，通常按堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷的下限考虑，故液相负荷下限线方程为：

how?VL?2.84?10?3E??l?w32/3?????0.006 （5-23）

其中E为流量收缩系数，一般可取E=1计算，则有

Ls,min0.0060.7?()2??0.00061m3/s （5-24） 0.00284?13600由公式（5-24）可以做出精馏段和提馏段的与流体流量无关的垂直液相负荷下限

线。

4. 液相负荷下上线

（Af×HT）/Ls=5以θ=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，由公式θ=计算得

Ls =（Af×HT）/5=（0. 12×0.30）/5=0.0072m3/s （5-25）由公式（5-25）可作出精馏段和提馏段的与气体流量无关的垂直液相负荷上限线

5.液泛线

令Hd? ?(HT?hW)，再由Hd=hp+hL+hd，hP=hc+hl+hσ，hl=βhL，hL= h w +hOW

联立得 ?HT＋(?-β-1)hw=(β+1) hOW+ hc + hd + hσ，整理得

aV2=b-cL2-dL2/3 （5-26）（1）精馏段：

a?0.051(?A0C0?2?V0.0511.34)???0.057

??L811.115(?0.0052?2507?0.78)2435

分离乙醇—水板式精馏塔设计

b??HT??????1?hw?0.5?0.3?(0.5?0.63?1)?0.0422?0.1023

c?0.1530.153??1266.76 22(lwh0)(0.7?0.0157)22?33600336003d?2.84?10E(1??)()?2.84?10?3?1?(1?0.63)?()?1.379

lw0.7故有

0.057Vs?0.1023?1266.76Ls?1.379Ls （5-27）（2）提馏段：

a?0.0512223?A0C0?2(?V0.0510.97)???0.037

??L911.79(?0.0052?2507?0.78)24b??HT??????1?hw?0.5?0.3?(0.5?0.65?1)?0.042?0.1017

c?0.1530.153??1119.6 22(lwh0)(0.7?0.0167)22?33600336003d?2.84?10E(1??)()?2.84?10?3?1?(1?0.65)?()?1.4

lw0.7故有

0.037Vs?0.1017?1119.6Ls?1.4Ls （5-28）根据以上各线方程，可作出图5-7筛板塔的精馏段和图5-8提馏段负荷性能图

2223

图5-7 精馏段的负荷性能图 图5-8 提馏段的负荷性能图

从图中可读出 （1） 精馏段

Vs,min=0.508m3/s，Vs,max?0.91564m3/s 故操作弹性Vs,max?0.91564?1.8

Vs,min0.508（2）提馏段

Vs,min=0.456m3/s，Vs,max?0.972m3/s

故操作弹性Vs,max?0.972?2.13

Vs,min0.45636

分离乙醇—水板式精馏塔设计

6、辅助设备的计算与选型

6.1料液储罐的选型

⒈ 原料贮罐

设计原料的储存利用时间为10天

QF=69.1 ?28.696? 24 ?10=475894.5kg

则可知：

V= QF /进料密度=475894.5/867.53=548.56m3

设其安全系数为：1.1，则有

VF ?548.56?1.1?603.416m3

2．产品贮罐

设计产品的储存时间为10天，则

QD?15.76?44.068?24?10?166682.8kg

则可知：

VD?QD/??166682.8/754.7?220.86m3

设其安全系数为：1.1，则有

VD ?1.1VD?220.86?1.1?242.95m3

选择设备：采用立式圆筒形固定顶储罐系列（HG-21502.1-92）

表6-1 原料储罐的选择规格为 名公称计算内径总高材料 总重/kg 称 体积体积/mm /mm /m3 /m3 规格 名称 600 660 9500 10338 Q235-A.F 21840 表6-2 产品储罐的选择规格为 公称计算内径总高材料 体积体积/mm /mm /m3 /m3 300 330 7500 8305 总重/kg 规格 Q235-A.F 12760 6.2各接管尺寸的确定 6.2.1进料管

因tF=83.4 ?C,有?F=867.53kg/m3

37

分离乙醇—水板式精馏塔设计

故进料体积流量

VLF?FMLF?F?69.1?23.45?1.868m3/h?0.00052m3/s

867.53取适宜的输送速度uF?0.8m/s，故

DLF ?4VLF??uF4?0.00052?0.0288m?28.8mm??0.8

经圆整选取冷拔无缝钢管（摘自GB8163-87）规格：?30?2mm

6.2.2 釜残液出料管

因tW=98.74 ?C,有?W=956.05kg/m3 故釜液体积流量

VW?WMLW53.34?18.1?1.01m3/h?2.8?10?4m3/s

956.05?W?取适宜的输送速度uW?1.0m/s，故

DW ?4VW??uW4?2.8?10?4?0.0189m?18.9mm

??1.0经圆整选取冷拔无缝钢管（摘自GB8163-87）规格：?20?1mm

6.2.3回流液管

因tD=78.2630C,有?D=754.7kg/m3 故回流液体积流量

VD?LMLD78.8?41.54?4.34m3/h?0.0012m3/s

754.7?D?取适宜的输送速度uD?1.5m/s，故

DD ?4VD??uD4?0.0012?0.032m?32mm

??1.5经圆整选取冷拔无缝钢管（摘自GB8163-87）规格：?32?2mm

6.2.4 塔顶上升蒸汽管

?DV?PM103?41.817?=1.474kg/m3 RT8.314?(78.263?273.15)?94.56?41.817?2682.6m3/h?0.745m3/s

1.474故塔顶上升气的体积流量

VDV?VMD?DV取适宜的输送速度u?15m/s，故

38

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