精馏塔计算方法.doc

(完整word版)精馏塔计算方法
目录
1 设计任务书………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………1
1.1 设计题目………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
1.2 已知条件………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
1.3设计要求…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2 精馏设计方案选定………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………1
2.1 精馏方式选择…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.2 操作压力的选择…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.4 加料方式和加热状态的选择……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.3 塔板形式的选择…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.5 再沸器、冷凝器等附属设备的安排……………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.6 精馏流程示意图…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
3 精馏塔工艺计算……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………2
3.1 物料衡算…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
3.2 精馏工艺条件计算………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
3.3热量衡算…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4 塔板工艺尺寸设计…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………4
4.1 设计板参数………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4.2 塔径………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4.3溢流装置…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4.4 塔板布置及浮阀数目与排列……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
5 流体力学验算………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6
5.1 气相通过塔板的压降……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
5.2 淹塔………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
5.3 雾沫夹带…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6 塔板负荷性能图……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………7
6.1 雾沫夹带线………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6.2 液泛线…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6.3 液相负荷上限线…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6.4 漏液线…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6.5 液相负荷下限线…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
6.6 负荷性能图………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
7 塔的工艺尺寸设计…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………8
8釜温校核……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………9
9热量衡算………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………9
10接管尺寸设计………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………10
符号说明………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………10
参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………13
结束语……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………13

1． 设计任务
1．  1设计题目：年产8000吨乙醇板式精馏塔工艺设计
1．  2已知条件：1原料组成：含35%（w/w）乙醇的30度液体，其余为水。2产品要求：含量≥93.4%（w/w）乙醇。3残液≤0.1%（w/w）乙醇。4冷却水t入=32度，t出=45度
1．  3设计要求（1）物料流程图，塔版图，塔体工艺图（2）各接口尺寸（3）加热剂及冷却剂用量。
2． 设计方案选定
2．1精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。
2．2操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于乙醇和水这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。
2．3塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降教低，在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。
2．4加料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。由于原料温度稳定，为减少操作成本采用30度原料冷液进料。
2．  5由于蒸汽质量不易保证，采用间接，蒸汽加热。
2．6再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至65度回流入塔。冷凝冷却器安装在较低的框架上，通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，馏出产品进入储罐。塔釜产品接近纯水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备稀释其他工段污水排放。
2．7精馏流程简图

3． 精馏塔工艺计算
3．1物料衡算：年产量8000吨（每年连续生产300天），塔顶产品组成93.4%（w/w）乙醇。原料35%（w/w）乙醇水溶液，30度。釜残液含乙醇0.1%（w/w）的水溶液。分子量M水=18；M乙醇=46
物料衡算汇总

摩尔流量kmol/h
摩尔组成%
质量流量kg/h
质量组成%
平均分子量g/mol
原料
F
133

3042

22.87
乙醇
23.14
17.4
1065
35
水
109.86
82.6
1977
65
釜液
W
107.37

1934

18.01
乙醇
0.4204
0.03915
1.934
0.1
水
107.33
99.96
1932
99.9
馏出液
D
26.63

1111

4.172
乙醇
22.56
84.7
1038
93.4
水
4.074
15.3
73.33
6.6
将质量组成转换为摩尔组成:，，。计算平均分子量：，，。由方程组，因为解得
得物料衡算汇总表

3．2精馏工艺条件计算。
（1）确定回流比R
图解法确定Rmin由图知XD/（R+1）=0.93得Rmin=1.89
图解Nmin 在图上由点（XD，XD）在平衡线和对角线间向点（XW，XW）作梯级，由梯级个数确定最小理论板层数。Nmin=10（不包括再沸器）
N-R图，已知Rmin和Nmin，由吉利兰图可确定一系列N-R相关数据，绘出N-R关联图。
适宜回流比，取图上曲线由急剧下降向平缓过渡阶段所对应的R值作为操作回流比，得R=3.6
回流液热状况 由塔顶产品组成XD=0.8047查得塔顶温度[1]为Ts=78.23度 塔顶采用冷液回流，回流液温度为Ts`=65度 则T定=（Ts+Ts`）/2=71.62度 由参考资料[3]附录查得78.23度下r水=2400kJ/kg，r乙醇=826kJ/kg。71.62度条件下，Cp水=4.17kJ/（kg&S226;K）Cp乙醇=3.08kJ/（kg&S226;K） ，回流热状态参数参考下式计算，由塔内回流比R=3.6=R`&S226;ql ，塔外回流比R`=3.6/1.045=3.445
（2）确定理论板层数。
，结果见图，得理论板层数17（不包括再沸器），精馏段13，提馏段4（不包括再沸器）
（3）确定实际板层数。
假设塔釜温度=107度，则塔顶与塔底平均温度度 在96.62度下查得x=3.3%,y=26.2%把x,y代入公式 ，再92.62 度下查得。由精馏塔效率关联曲线查得全塔效率=0.343 其中精馏段有38，提馏段12。得精馏塔工艺参数汇总表

精馏塔工艺参数汇总
Np
N1
N2
ET
NT
R
Rmin
50
38
12
0.343
17
3.6
1.89

4． 塔板工艺尺寸设计
选择精馏段第一块塔板为设计板。
4．1设计板参数在78.23度下由参考资料[3]查得

表面张力计算，由参考资料[4] 由y=0.8470查平衡数据x=0.8371，换算为质量浓度0.9292。0.9292的乙醇在25度时表面张力为 .解得
4．2塔径
取塔板间距HT=0.5m取板上液层高度hL=0.06m HT-hL=0.5-0.06=0.44m。查筛板塔泛点关联图
因。需校正，

。取安全系数为0.7，则空塔气速为u=0.7 umax=1.264m/s. ，圆整为1000mm.塔截面积，空塔气速
4．3溢流装置
选用单液流弓形降液管，不设进口堰
（1）堰长lw，取lw=0.55D=0.55m
（2）出口堰高hw，采用平直堰，堰上液层高度，由和lw/D=0.55在液流收缩系数图上查得E=1.05.,圆整为0.047m, =0.0605m.
（3）弓形降液管宽度Wd和面积Af。lw/D=0.55查参考资料[2]图得=0.085m, =0.0314m
（4）验算液体在降液管中滞留时间停留时间＞5s故降液管尺寸可用
（5）降液管底隙高度h0，取降液管处液体流速u0`=0.07m/s.圆整为h0=0.038m,为便于加工，选用平型受液盘。
4．4塔板布置
（1）破沫区宽度Ws，因D＜1.5m，取Ws=0.07m
（2）边缘区宽度Wc=0.05m
（3）筛孔直径 物料无腐蚀性，故可选厚度为3mm的钢板。取筛孔直径d=4mm。
（4）孔中心距 筛孔按三角形排列。取孔中心距t=3.0d=3.0x4=12mm
（5）开孔总数n
鼓泡区面积，则个，开孔率即在5-15%范围内，塔板开孔面积
（6）气体通过筛孔气速
5． 流体力学验算
5．1气象通过塔板的压降ht，
(1)干板压降hd ，查干筛板流量系数图得C0=0.77，液柱。
(2)气体通过液层的阻力hl，由，查充气系数关联图得=0.58， hl=0.58（0.047+0.0135）=0.03509m液柱
(3)克服液体表面张力而引起的流动阻力值很小，可忽略不计
(4)单板压降 ht=0.04910+0.03509=0.08419m液柱，则层塔板数，本设计为常压操作，对板压降无特殊要求。
5．2液泛
为防止塔内发生液泛，应使降液管内清液层高度Hd≤Ф（HT+hw）因物系不起泡，取系数Ф=0.6，Ф（HT+hw）=0.6（0.5+0.047）=0.3282m， Hd=ht+hl+hd
液体通过降液管压降hd，，。因为所以不会发生液泛。
5．3雾沫夹带量
板上鼓泡层高度。。。 在允许范围内。
5．4漏液
漏液点气速筛板稳定系数＞1.5 不会发生漏液。
5．5液面落差，因板上没有气液接触元件，流动阻力较小，故忽略液面落差影响。
6． 负荷性能图
6．1雾沫夹带线 取。 。板上鼓泡层高度，，则整理得，绘入图中得雾沫夹带线。
6．2液泛线，，
（1）关系，，，
（2）关系，，
（3）关系，
（4）关系，，取则，整理得，绘入图中得液泛线
6．3液相负荷上限线取极限值5s，得
6．4漏液线，因所以，，即
6．5液相负荷下限线，
取hw极限值0.006m，则整理得LS=0.000436m3/s
6．6操作线 ,根据操作时气液负荷Vs和Ls确定操作点P，该点与原点相连即得操作线，P点坐标为VS=0.9811m/s，LS=1.475x10 –3m3/s
6．7操作弹性
（1）P在操作区内适中位置
（2）上限由雾沫夹带线控制，下限由漏液线控制
（3）查出上限下限弹性
7． 塔的工艺尺寸设计
塔顶空间取为1m，顶部设置除沫器，全塔共50块塔板（不包括再沸器），其中精溜段38，提馏段12（不包括再沸器）进料口放在从顶数第39块塔板，全塔共设置人孔5个，分别在1，19，40层板上方，塔釜内和裙座上。板间距设计为0,5m，进料口和人孔处塔版间距调整为0.6m板间距为0.6m的塔段分别在第19，39，40板上方塔有效段高度3 0.6+（50-1-3）0.5=24.8m塔釜空间高度3m，裙座高度2m，全塔总高31m其中进料口第39板，高度10.8m回流液加到第1块板上，高度30m
8． 釜温校核
气体通过单板压降622.3Pa塔釜压力为由于其中基本是水，查得塔釜压力下水的沸点tw=107.5度误差，所以塔釜温度107度合理
9． 热量衡算
（1）原料液温度30度到基准温度的比热平均比热，原料液带入热量为
（2）塔顶冷凝冷却量
塔顶蒸汽冷凝后再冷却至65度回流，塔顶温度78.23度，与回流液平均温度71.62度，塔顶温度下气化潜热平均温度71.62度下的比热，平均比热，塔外蒸汽量，，采用32度的水作为冷却剂，冷却水出口温度升至45度，平均温度，冷却水循环量，塔顶产品温度为65度，到基准温度的比热平均比热，塔顶产品带出热量为
（3）再沸器 再沸器加入热量按全塔热量衡算计算，加入热量有再沸器加热量QB，料液带入热量。移出热量有冷凝冷却热量QC，产品带出热量，塔釜塔体热损失QL，釜残液温度107度到基准温度比热， ，平均比热釜液带出热量,依热量平衡关系，解得QB=6.156×106
（4）热量衡算结果 加入热量和移出热量平衡。

热量衡算汇总 单位：kJ/h
加热量
移出热量
6.4718
6.4718
原料
再沸器
冷凝冷却器
产品热量
热损耗
釜液热量
0.3158
6.156
4.082
0.235
0.6156
0.864

10．             管路计算
各管在进出口时管内流体流量必须满足要求：
原料液
釜液
回流
馏出
其中流速u液体选2m/s，气体6m/s
所以m，m，m，
英文字母
Ap ——塔板鼓泡区面积，m2；
Af ——降液管截面积，m2；
A0——筛孔面积，m2；
AT ——塔截面积，m2；
C ——负荷系数，无因次；
C20 ——20dyn/cm时的负荷系数，无因次
Cf ——泛点负荷系数，无因次；
Cp——比热，kJ/kg&S226;K；
d0 ——筛孔直径，m；
D ——塔径，m；
D ——塔顶产品流量，kmol/h或kg/h；
eV ——雾沫夹带量，kg(液)/kg(气) ；
E ——液流收缩系数，无因次；
ET ——总板效率或全塔效率，无因次；
F ——原料流量，kmol/h或kg/h；
g ——重力加速度，m/s2；
hd ——干板压降，m；
hd ——液体通过降液管的压降，m；
ht ——气相通过塔板的压降，m；
hf ——板上鼓泡层高度，m；
hl ——板上液层的有效阻力，m；
hL ——板上液层高度，m；
h0 ——降液管底隙高度，m；
h0w ——堰上液层高度，m；
hp ——与单板压降相当的液柱高度，m；
hW ——溢流堰高度，m；
hσ ——与克服表面张力的压强降相当的液柱高度，m；
Hd ——降液管内清液层高度，m；
HT ——塔板间距，m；
I ——物质的焓，kJ/kg；
K ——稳定系数，无因次；
lW ——堰长，m；
LS ——塔内液体流量，m3/s；
M ——分子量；
n ——筛孔总数；
NT ——理论板数；
N ——实际板数；
P ——操作压强，Pa；
ΔP ——单板压强，Pa；
ΔPp ——通过一层塔板的压强降，Pa/层；
q ——进料热状况参数，无因次；
Q ——热负荷，kJ/h；
QB ——再沸器热负荷，kJ/h；
QC ——全凝器热负荷，kJ/h；
QL ——热负荷损失，kJ/h；
r ——汽化潜热，kJ/kg；
R ——气体常数，8314J/kmol&S226;K；
R ——回流比，无因次；
t ——温度，℃或K；
t ——孔心距，m；
T ——温度，℃或K；
TS ——塔顶温度，℃或K；
T`S ——回流液温度，℃或K；
u ——空塔气速，m/s；
Ua ——按板上层液上方有效流通面积计的气速，m/s；
Umax ——极限空塔气速，m/s；
u0 ——筛孔气速，m/s；
u0M ——漏液点气速，m/s；
u’o ——降液管底隙处液体流速，m/s；
V ——精馏段上升蒸气量，kmol/h；
Vh ——塔内气相流量，m3/h；
Vs ——塔内气相流量，m3/s；
V’ ——提馏段上升蒸气量，kmol/h；
W ——釜残液流量，kmol/h或kg/h；
——冷却水量，kg/h
Wh ——加热蒸气量，kg/h；
Wc ——边缘区宽度，m；
Wd ——弓形降液管的宽度，m；
WS ——破沫区宽度，m；
x ——液相组成，摩尔分率；
y ——气相组成，摩尔分率；
Z ——塔的有效高度，m。

希腊字母
α ——相对挥发度，无因次；
ε’o ——板上液层充气系数，无因次；
τ ——液体在降液管内停留时间，无因次；
μ ——粘度，mPa&S226;s；
ρ ——密度，kg/m3；
φ ——液体的表面张力，N/m；
Φ ——校正系数，无因次。

参考文献
[1]《化工过程及设备设计》，华南化工学院化工原理教研组，华南化工学院出版社，1986
[2]《化工原理》，上册。陈敏恒，从德兹，方图南，齐鸣斋 编，化学工业出版社，北京2000
[3]《化工原理》，下册。陈敏恒，从德兹，方图南，齐鸣斋 编，化学工业出版社，北京2000
[4]《华工原理实验》，尤小祥，于奕峰，袁中凯 编，天津科学技术出版