板式精馏塔设计方案

分离乙醇—水板式精馏塔设计-1-板式精馏塔设计方案分离乙醇—水板式精馏塔设计-2-目录1.设计任务..........................................................52.工艺流程图........................................................73.设计方案..........................................................73.2实验方案的说明..................................................94、板式塔的工艺计算................................................105、塔体和塔板的工艺尺寸计算........................................216、辅助设备的计算与选型............................................447、经济横算........................................................578心得体会.........................................................59分离乙醇—水板式精馏塔设计-3-符号说明：英文字母Aa----塔板的开孔区面积，m2Af----降液管的截面积,m2Ao----筛孔区面积,m2AT----塔的截面积m2△PP----气体通过每层筛板的压降C----负荷因子无因次t----筛孔的中心距C20----表面张力为20mN/m的负荷因子do----筛孔直径u’o----液体通过降液管底隙的速度D----塔径mWc----边缘无效区宽度ev----液沫夹带量kg液/kg气Wd----弓形降液管的宽度ET----总板效率Ws----破沫区宽度R----回流比Rmin----最小回流比M----平均摩尔质量kg/kmoltm----平均温度℃g----重力加速度9.81m/s2Z----板式塔的有效高度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mθ----液体在降液管内停留时间hc----与干板压降相当的液柱高度mυ----粘度hd----与液体流过降液管的压降相当的液注高度mρ----密度hf----塔板上鼓层高度mσ----表面张力hL----板上清液层高度mΨ----液体密度校正系数h1----与板上液层阻力相当的液注高度m下标ho----降液管的义底隙高度mmax----最大的how----堰上液层高度mmin----最小的hW----出口堰高度mL----液相的h’W----进口堰高度mV----气相的hσ----与克服表面张力的压降相当的液注高度mH----板式塔高度mHB----塔底空间高度mHd----降液管内清液层高度mHD----塔顶空间高度mHF----进料板处塔板间距mHP----人孔处塔板间距mHT----塔板间距mH1----封头高度mH2----裙座高度mK----稳定系数分离乙醇—水板式精馏塔设计-4-lW----堰长mLh----液体体积流量m3/hLs----液体体积流量m3/sn----筛孔数目P----操作压力KPa△P---压力降KPa△Pp---气体通过每层筛的压降KPaT----理论板层数u----空塔气速m/su0,min----漏夜点气速m/suo’----液体通过降液管底隙的速度m/sVh----气体体积流量m3/hVs----气体体积流量m3/sWc----边缘无效区宽度mWd----弓形降液管宽度mWs----破沫区宽度mZ----板式塔的有效高度m希腊字母δ----筛板的厚度mθ----液体在降液管内停留的时间sυ----粘度mPa.sρ----密度kg/m3σ----表面张力N/mφ----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----气相的分离乙醇—水板式精馏塔设计-5-1.设计任务1.1题目：分离乙醇—水板式塔精馏塔设计1.2生产原始数据：1）原料：乙醇—水混合物，含乙醇35%（质量分数），温度35℃；2）产品：馏出液含乙醇93%（质量分数），温度38℃，残液中含酒精浓度≤0.5%；3）生产能力：原料液处理量55000t／年，每年实际生产天数330t，一年中有一个月检修；4）热源条件：加热蒸汽为饱和蒸汽，其表压为2.5Kgf/cm2；5）当地冷却水水温25℃；6）操作压力：常压101.325kpa；1.3设计任务及要求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；最小回流比及操作回流比的确定；计算所需理论塔板层数及实际板层数；分离乙醇—水板式精馏塔设计-6-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）计算储罐容积，确定储罐规格；3）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；4）根据伯努利方程，计算扬程，确定泵的规格类型；5）壁厚，法兰，封头，吊柱等的选定。1.9设计结果汇总分离乙醇—水板式精馏塔设计-7-2.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，送进精馏塔，塔顶上升的蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分采用回流，其余为塔顶产物，塔釜采用间接蒸汽加热供热，塔底产物冷却后送人贮槽。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，若按年工作日330天，每天开动设备24小时计算，原料液流量为55000t／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。《化工原理》修订版下册，夏清编分离乙醇—水板式精馏塔设计-8-一般来说，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。塔顶蒸气冷凝放出《常用化工单元设备设计》第二版，李功样编分离乙醇—水板式精馏塔设计-9-大量的热量，但其位能低，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气，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25℃水作为冷却剂，通入全凝器和冷却器对塔顶蒸汽进行冷凝和冷却。从预热器、全凝器、冷却器出来的液体温度分别在50-60℃、40℃和35℃左右，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。《常用化工单元设备设计》第二版，李功样编，P85分离乙醇—水板式精馏塔设计-10-4、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2、各个相对摩尔质量KmolKgMF/84.27%6518%3546KmolKgMD/534.41%718%9346KmolKgMW/08.18%5.9918%5.0463、各个摩尔流量由年处理量55000t，330天有效工作日，可得进料液流量F为hKmolF/44.24984.272433010550003由物料衡算式可算出产品流量D和釜残液流量WFWDFxWxDxFWD代入得)44.249(001962.08386.0174.044.24944.249DDDW解得：hKmolWhKmolD/15.198/29.518386.018746934693Dx001962.0185.99465.0465.0Wx1740.0186546354635Fx分离乙醇—水板式精馏塔设计-11-由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表表1原料液、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液(F)馏出液(D)釜残液(W)%/G35930.5x(摩尔分数)0.17400.83860.001962摩尔质量/kgkmol27.8441.53418.08沸点温度t/℃8478.399.94.2最小回流比Rmin和操作回流比R的确定回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件之一，且回流比是影响精馏操作费用和投资费用的重要因素。对于一定的分离任务而言，应选择适宜的回流比。适宜的回流比应该通过经济核算来确定，即操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比为最适宜的回流比。mR适宜RR图2理论板和回流比关系图确定回流比的方法为：先求出最小回流比Rmin，根据经验取操作回流比为最小回流比的1.1－2.0倍，为了节能,回流比倾向于取较小的值，有人建议取Rmin的1.1~1.5倍。考虑到原始数据和设计任《化工原理》修订版下册，夏清编N分离乙醇—水板式精馏塔设计-12-务，本方案取1.4，即：R＝1.4Rmin；求最小回流比的方法有作图法和解析法，本设计使用作图法。根据附录表2乙醇~水溶