学位论文-—乙醇水精馏塔设计计算书.doc

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前言
精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出
精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。
化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。
本次设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。
目录
目录 3
绪论 5
1.1 项目设计的目的 5
1.2 设计根据 5
1.3 设计内容及任务 7
1.3.1 设计题目 7
1.3.2 设计任务及条件 7
1.4 设计内容： 7
1.5 设计成果： 7
第2章 塔的工艺计算 8
2.1 工艺过程 8
2.1.1 物料衡算 8
2.1.2 理论及实际塔板数的确定 9
2.2 塔的结构设计 11
2.2.1 精馏塔塔径的计算 11
2.2.2 塔的实际高度和实际进料高度的计算 18
第3章 换热器设备计算 19
3.1 全凝器负荷计算 19
3.2 塔釜饱和蒸汽直接加热流量计算 20
3.3 冷凝器二负荷计算 20
3.4 冷凝器三负荷计算 21
3.5 换热器负荷计算 22
第4章 管材的计算 24
4.1 进料管直径的计算 24
4.2 溜出夜管道直径的计算 24
4.3 全凝器冷凝水管材直径的计算 25
4.4 冷凝器冷却水管材直径的计算 26
4.4.1 冷凝器二的计算： 26
4.4.2 冷凝器三的实际流速计算 27
4.5 换热器沸腾水进水管道直径 27
第5章 离心泵的选型与计算 28
5.1 进料离心泵的计算选型 28
5.2 循环泵一的计算及选型 29
5.3 循环泵二的计算和选型 30
5.4 沸腾水进塔离心泵 31

表索引
表 21物料衡算数据记录 8
表 22平均摩尔质量 13
表 23液相平均密度 14
表 24液体平均张力 16
表 25汽液相体积流量计算 17

绪论
1.1 项目设计的目的
培养学生综合运用所学知识，特别是本课程的有关知识解决化工实际问题的工作能力，使学生得到一次学习化工设计能力的初步训练，为今后从事化工设计工作打下基础。
1) 通过设计学生还应特别注意如下几个“能力”的训练和培养，即搜集资料和正确选用公式、数据的能力。
2) 从技术上的可行性、先进性与经济上的合理性等方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力。
3) 精馏塔正常生产和开停车操作程序；迅速正确地进行计算的能力以及以简洁的文字、图表表达自己设计思想的能力。
1.2 设计根据
课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力、进料状况、加热方式及其热能的利用。
1) 操作压力
精馏常在常压，加压或减压下进行，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来考虑的。一般来说，常压精馏最为简单经济，若无聊无特殊要求，应尽量在常压下操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当提操作压力还可以提高塔德处理能力。所以我们采用塔顶压力为常压（101.33kPa）进行操作。
2) 进料状况
进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料温度不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较好控制。此外，泡点进料时，精馏段和提馏的塔径相同，设计制造比较方便。

3) 加热方式
精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量，若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，但在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需塔板数略有增加。
4) 热能的利用
精馏过程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%左右被利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的。但其位能较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后在用于加热釜液。
1.3 设计内容及任务
1.3.1 设计题目
乙醇精馏塔
1.3.2 设计任务及条件
1. 原料中含乙醇40%，其余均为水（均为质量分数，下同）。
2. 塔顶溜出液中含乙醇91%。
3. 、生产能力120t/day。
4. 操作条件：
a、直接蒸汽加热法；b、塔顶压力： 100kPa；c、进料热状态：泡点进料；d、回流比R=2.2
1.4 设计内容：
（1）、流程的设计与说明。
（2）、塔板和塔径的计算。
（3）、其它：a、加热蒸汽消耗量； b、冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量。
1.5 设计成果：
（1）、设计书一份。
（2）、PPT一份。
（3）、流程图、设备图各一份。
第2章 塔的工艺计算
2.1 工艺过程
2.1.1 物料衡算
120 0.4 流出液乙醇组分0.91 0.98 5000 46 18
(40/46)/(40/46+60/18)=0.21
(91/46)/(91/46+9/18)=0.798
0.21*46+0.79*18=23.88
5000/23.88=209.4
=209.4
0.98

(0.98*209.4*0.21)/0.798=54
209.4-54=155.4
（209.4*0.21-54*0.798）/155.4=0.00568
表 21物料衡算数据记录
F
209.4

0.21
D
54

0.798
W
155.4

0.00568
2.1.2 理论及实际塔板数的确定

取X=，连接到对角线，交于a点，做曲线的切点，切点与a点连接得到截距，根据（0.798-0.49）/(0,798-0.21)得1.1 R=1.1*2=2.2

根据作图法求理论板数得11，第8块理论进料板，精馏段理论板层数为7块。提馏段理论板层数为4块。
根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得
塔顶：0.798 0.8 78℃
塔底：0.00568 0.03100℃
进料板 0.21 0.53
塔顶和塔釜的算数平均温度：（78+100）/2=89℃
在78℃下0.38 0.31 《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中附录十四液体的粘度和密度

根据公式 《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中组分互溶的混合液体的粘度计算式
解得0.323917637
又根据计算和验证计算得出数据与数据相差很小。
综上所述取0.323917637。
根据 Drickaner-Bradford公式，解得0.47
23，实际的精馏段板层数为15。
所以进料板层为第16块。
根据实际经验总结塔顶和塔釜再各加3块板。
综上所述实际板层数为29块，进料板为第19块，精馏段板层数为18块，提馏段为11块。
22 塔的结构设计
2.2.1 精馏塔塔径的计算
A. 根据安托因方程
乙醇的常数：A=8.04494 B=1554.3 C=222.65
水的常数：A=7.96681 B=1668.21 C=228.0 一些常见物质的安托因常数-百度文库

乙醇
水

将 代入以上式子，进行试差，求得塔顶、进料板、塔釜的压力及温度。
（1） 塔顶：100 试差得81.1℃
（2） 进料板理论位置是第8块，实际位置为第19块。精馏板实际板层数为18块。
根据经验选取每层塔板压降0.5
进料板压力：100+0.5*18=109
进料板：109，0.21试差得95.5℃
提馏段实际板层数：11块
塔釜压力：109+0.5*11=114.5
塔釜：0.00568, 114.5,试差得103℃
（3） 求得精馏段和提馏段的平均压力和温度
（81.1+95.5）/2=88.3℃
精馏段
（100+109）/2=104.5
（95.5+103）/2=99.3℃
提馏段
（109+114.5）/2=111.8
B. 平均摩尔质量计算：
0.8*46+（1-0.8）*18=40.4
塔顶：
0.798*46+（1-0.798）*18=40.344

0.53*46+（1-0.53）*18=32.84
进料板：
0.21*46+（1-0.21）*18=23.88

0.03*46+（1-0.03）*18=18.84
塔釜：
0.00568*46+(1-0.00568)*18=18.15904

提馏段平均摩尔质量：

=（40.4+32.84）/2=36.62

=(40.344+23.88)/2=32.112

提馏段平均摩尔质量：

=(32.84+18.84)/2=25.84

=(23.88+18.15904)/2=21.01952
表 22平均摩尔质量

塔顶

40.4

精馏段平均摩尔质量

36.62

40.344

32.112

进料板

32.84
提馏段平均摩尔质量

25.84

23.88

21.01952
塔釜

18.84

18.15904

C. 平均密度的计算
1) 气相平均密度的计算：
精馏段气相平均密度计算：
104.5*36.62/(8.314*(88.3+273))=1.27
提馏段气相平均密度计算：
111.8*25.84/(8.314*(99.3+273))=0.93
2) 液相平均密度的计算：

789 998
塔顶：

进料板：

塔釜：

精馏段液相平均密度：

提馏段液相平均密度：

表 23液相平均密度

塔顶

0.91

进料板

0.405

塔釜

0.014

精馏段平均密度

提馏段平均密度

D. 液体平均表面张力计算：
液体平均表面张力计算根据以下公式

塔顶: 81.1℃ 《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中附录十九液体的表面张力

进料板：95.5℃

塔釜：103℃

精馏段液体平均张力：

提馏段液体平均张力：

表 24液体平均张力
塔顶

81.℃

塔釜

103℃

17.0

14.8

62.6

58.2

26.2112

50.218
进料板

95.5℃
精馏段液体表面平均张力

38.2146

15.3

59.5
提馏段液体表面平均张力

54.084
E. 气液相体积流量计算：

精馏段：

气相体积流量：

液相体积流量
提馏段：
气相体积流量：

液相体积里流量：
表 25汽液相体积流量计算

1.38

F. 塔径的计算：
，C由下式计算：,由smith图查取。
取塔板间距为，板上液层高度，
（1）精馏段塔径的确定，

查smith图得：= 0.059 =0.081555，
取安全系数0.7，则空塔气数为
则精馏塔塔径
提馏段塔径的确定：

查smith图得：=0.062，

取安全系数为0.7，则空塔气速为
则精馏塔塔径为
按标准塔径圆整后
2.2.2 塔的实际高度和实际进料高度的计算
塔的实际高度：Z=29*0.35=10.5m
实际进料高度：z=11*0.35=3.85m

第3章 换热器设备计算
3.1 全凝器负荷计算
按泡点回流设计，即饱和蒸汽冷凝回流，分凝器采用25℃下的冷却水作为冷却剂，逆流操作进行，则
,根据液体气化潜热图，在塔顶为81.8℃下，
乙醇的气化潜热：600 《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中附录十八汽化热散图

水的气化潜热： 2258

《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中P177管壳式换热器中的K的经验值

，

水的用量：

3.2 塔釜饱和蒸汽直接加热流量计算
，
根据塔釜实际温度为：103℃，塔釜实际压力为：114.5
根据饱和水蒸气表 《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中P270饱和水蒸汽表
再根据内插法计算并选取温度为104℃，
绝对压力为116.946的饱和水蒸气，
实际流量为
3.3 冷凝器二负荷计算
为达到节能的效果，利用循环冷却水冷却冷凝器二装置，现以25℃的冷却水冷却并逆流操作。

《化工原理》（第三版，天津大学出版社，姚玉英等）书中P285附录十六液体的比热容散图
（因为塔顶溜出夜以乙醇为主所以选取乙醇的比热容）

假设将物料冷却到51.8℃

根据
解得

3.4 冷凝器三负荷计算
为进一步达到冷却物料的效果，故再次用循环水冷却水冷却物料，以25℃为冷却水进口温度，以45℃为冷却水出口温度，冷却并进行逆流操作。

假设物料冷却到26.8℃

解得

3.5 换热器负荷计算

假设饱和水冷却到26℃，则

论证：

3110.4+2821.9>4763.5
所以可以使用上述换热器的流量。
第4章 管材的计算
说明：水及低黏度液体（）流体在管道中的常用流速范围为，且换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度乙醇的安全允许速度为<
4.1 进料管直径的计算
进料板：

设

故选取型号为热轧无缝钢管

4.2 溜出夜管道直径的计算

塔顶：
0.798*46+（1-0.798）*18=40.344
(0.98*209.4*0.21)/0.798=54

设

故选取型号为热轧无缝钢管。

4.3 全凝器冷凝水管材直径的计算
水的用量：

设

故选取型号为热轧无缝钢管。

4.4 冷凝器冷却水管材直径的计算
4.4.1 冷凝器二的计算：
冷凝器二，冷凝器三
取来计算

设

故选取型号为热轧无缝钢管。

4.4.2 冷凝器三的实际流速计算

4.5 换热器沸腾水进水管道直径

设

故选取型号为热轧无缝钢管。

第5章 离心泵的选型与计算
5.1 进料离心泵的计算选型
以原料槽液面为截面，进料管内侧为截面。列伯努利方程
；

查表得出
根据

又由于

所以选择型号为

5.2 循环泵一的计算及选型
以进水管内侧为截面，以分凝器外进水管内侧为截面。列伯努利方程

查表得出

所以选择型号为

5.3 循环泵二的计算和选型
以进水管内侧为截面，以最高的冷凝器外进水管内侧为截面。列伯努利方程。

查表得出

所以选择型号为

5.4 沸腾水进塔离心泵
以进水管内侧为截面，以换热器外进水管内侧为截面。列伯努利方程。

查表得出

所以选择型号为