水乙醇体系常压二元精馏筛板塔设计.docx
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水乙醇体系常压二元精馏筛板塔设计
南京工业大学
化工原理课程设计任务书
专业:
生物工程班级:
生99136姓名:
陈实
设计日期:
2002年6月17日至2002年6月26日
设计题目:
常压二元精馏筛板塔设计
设计条件:
水-乙醇体系
1.进料F=6kmol/hq=0Xf=0.45
2.压力：
p顶=4KPa单板压降≤0.7KPa
3.采用电加热，塔顶冷凝水采用12℃深井水
4.要求：
Xd=0.88Xw=0.01
5.选定R/Rmin=1.6
指导教师:
_居沈贵_
2002年6月26日
前言
在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。
塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。
塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。
前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。
筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。
五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。
筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：
生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。
本次设计就是针对水乙醇体系，而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。
由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望各位老师指出，以便订正。
一、总体设计计算------------------------------------------
1.1气液平衡数据----------------------------------------
1.2物料衡算--------------------------------------------
1.3操作线及塔板计算-----------------------------------
1.4全塔Et%和Np的计算-------------------------------
二、混合参数计算------------------------------------------
2.1混合参数计算----------------------------------------
2.2塔径计算--------------------------------------------
2.3塔板详细计算----------------------------------------
2.4校核-------------------------------------------------
2.5负荷性能图------------------------------------------
三、筛板塔数据汇总----------------------------------------
3.1全塔数据--------------------------------------------
3.2精馏段和提馏段的数据-------------------------------
四、讨论与优化--------------------------------------------
4.1讨论-------------------------------------------------
4.2优化-------------------------------------------------
五、辅助设备选型------------------------------------------
5.1全凝器----------------------------------------------
5.2泵---------------------------------------------------
一、总体设计计算
1.1汽液平衡数据（760mmHg）
乙醇%（mol）温度
液相X气相Y℃
0.000.00100
1.9017.0095.5
7.2138.9189.0
9.6643.7586.7
12.3847.0485.3
16.6150.8984.1
23.3754.4582.7
26.0855.8082.3
32.7358.2681.5
39.6561.2280.7
50.7965.6479.8
51.9865.9979.7
57.3268.4179.3
67.6373.8578.74
74.7278.1578.41
89.4389.4378.15
1.2物料衡算
1.1-1已知：
1.进料：
F=6kmol/hq=0Xf=0.45
2.压力：
p顶=4KPa单板压降≤0.7KPa
3.采用电加热，塔顶冷凝水采用12℃深井水
4.要求：
Xd=0.88Xw=0.01
5.选定：
R/Rmin=1.6
D=（Xf-Xw）/（Xd-Xw）×F
=（0.45-0.01）/（0.88-0.01）×6=3.03kmol/h
W=F-D=6-3.03=2.97kmol/h
查y-x图得Xd/（Rmin+1）=0.218
∴Rmin=3.037∴R=1.6Rmin=4.859
∵饱和蒸汽进料∴q=0
L=RD=4.859×3.03=14.723kmol/h
V=（R+1）D=（4.859+1）×3.03=17.753kmol/h
L'=L+qF=14.723+0×6=14.723kmol/h
V'=V-（1-q）F=17.753-（1-0）×6=11.753kmol/h
1.3操作线及塔板计算
1.精馏段操作线：
Y=R×X/（R+1）+Xd/（R+1）
∴Y=0.829X+0.150
2.提馏段操作线：
Y=（L'/V'）×X-（W/V'）×Xw
∴Y=1.253X-0.00025
3.理论塔板的计算
利用计算机制图取得理论板数
Nt=29.33块,其中精馏段塔板Nt1=26.85块,第27块为加料板,提馏段Nt2=2.48块。
1.4全塔Et%和Np的计算
1.精馏段：
t=（t顶+t进）=（79.25+87.32）/2=83.285℃
Xa=0.34Xb=1-Xa=0.66
Ya=0.59Yb=1-Ya=0.41
查得液体粘度共线图μa=0.382cp,μb=0.592cp
αμL=YaXbμL/XaYb=1.454
查得：
Et1%=0.49（αμL）-0.245=0.5471
Np1=Nt1/Et1=49.08
2.提馏段：
t=（t底+t进）/2=（99.9+87.32）/2=93.61
Xa=0.045Xb=1-Xa=0.955
Ya=0.27Yb=1-Ya=0.730
查得液体粘度共线图μa=0.468cp,μb=0.532cp
μL=ΣXiμi=0.045×0.468+0.955×0.532=0.5291
αμL=YaXbμL/XaYb=4.15
查得：
Et2%=0.49（αμL）-0.245=0.346
Np2=Nt2/Et2=7.17
∴Np=Np1+Np2=49.08+7.17=56.25
圆整为57块
其中精馏段49块，提馏段8块。
二混合参数计算
2.1混合参数计算
溶质C2H5OH分子量：
Ma=46.07kg/kmol
溶剂H2O分子量：
Mb=18.016kg/kmol
ρa=0.789g/mlρb=1.000g/ml
（1）精馏段：
进料板液体温度：
t进=87.32℃
塔顶温度：
t顶=79.25℃
tm=（87.32+79.25）/2=83.285℃
Xm=0.34Ym=0.59
μa=0.382cpμb=0.592cp
Ml=Xm×Ma+（1-Xm）Mb=0.34×46.07+（1-0.34）×18.016
=27.55kg/kmol
Mg=Ym×Ma+（1-Ym）Mb=0.59×46.07+（1-0.59）×18.016
=34.56kg/kmol
质量分率:
Wa=XmMa/Ml=0.34×46.07/27.55=0.6855
Wb=1-Wa=1-0.6855=0.3145
1/ρl=Wa/ρa+Wb/ρb=0.6855/0.789+0.3145/1.00
ρl=845.1kg/m3
P=105325Pa
ρv=PMg/RT=105325×34.56/（8314×（273.15+79.25））
∴ρv=1.2424kg/m3
（2）提馏段：
t进=87.32℃t底=99.9℃tm=93.61℃
Xm=0.045Ym=0.27
Ml=Xm×Ma+（1-Xm）Mb=0.045×46.07+（1-0.045）×18.016
=19.278kg/kmol
Mg=Ym×Ma+（1-Ym）Mb=0.27×46.07+（1-0.27）×18.016
=25.59kg/kmol
质量分率:
Wa=XmMa/Ml=0.045×46.07/19.278=0.1275
Wb=1-Wa=1-0.1275=0.8725
1/ρl=Wa/ρa+Wb/ρb=0.1275/0.789+0.8725/1
ρl=1.0341kg/m3
P=105325Pa
ρv=PMg/RT=105325×25.59/（8314×（273.15+93.16））
∴ρv=0.8839kg/m3
σa=58.46dyn/cm,σb=18.4dyn/cm
σ=ΣXσ=0.688×58.46+（1-0.688）×18.4=45.96dyn/cm
2.2塔径计算
（1）精馏段：
Ls=L×Ml/（3600ρl）=442.03×27.55/（3600×845.1）
=0.004m/s
Vs=V×Mv（3600ρv）=543.39×34.56/（3600×1.1952）
=4.365m/s
tm=83.285℃
此温度下液体的表面张力
σa=18.2dyn/cmσb=67.3dyn/cm
σ=Xmσa+（1-Xm）σb=0.34×18.2+0.66×67.3=50.606
两相流动参数：
Flv=Ls/Vs×（ρl/ρv）0.5
=0.00013/0.137×（845.1/1.2424）0.5=0.0247
初设板间距HT=0.5m清液层高度HL=0.06m
∴HT-HL=0.44m
查得：
Cf,20=0.093
液气气相负荷因子：
Cf=[（σ/20）0.20]×Cf,20=0.112
气体气速：
un,f=Cf[（ρl-ρv）/ρv]0.5
=0.112×[（845.1-1.2424）/1.2424]0.5=2.919m/s
空速：
un=0.7un,f=0.7×2.919=2.0433m/s
初估塔径：
D=（Vs/（0.785un））0.5
=（0.137/（0.785×2.0433））0.5=0.292m
圆整为D=0.3m
uf=vs/（0.785×D2）=0.137/（0.785×0.32）=1.939m/s
实际泛点百分率：
uf/un,f=1.939/2.919=0.6643
（2）提馏段：
Ls=L’×Ml/（3600ρl）
=14.723×19.278/（3600×1034.1）=0.000076m/s
Vs=V’×Mv（3600ρv）
=11.753×25.59/（3600×0.8839）=0.0945m/s
tm=93.61℃
此温度下液体的表面张力
σa=18.2dyn/cmσb=67.3dyn/cm
σ=Xmσa+（1-Xm）σb=0.045×18.2+0.955×67.3=65.091
两相流动参数：
Flv=Ls/Vs×（ρl/ρv）0.5
=0.000076/0.0945×（1034.1/0.8839）0.5=0.0275
初设板间距HT=0.5m清液层高度HL=0.06m
∴HT-HL=0.44m
查得：
Cf,20=0.0947
液气气相负荷因子：
Cf=[（σ/20）0.20]×Cf,20=0.1199
气体气速：
un,f=Cf[（ρl-ρv）/ρv]0.5
=0.1199×[（1034.1-0.8839）/0.8839]0.5=4.099m/s
空速：
un=0.7un,f=0.7×4.099=2.869m/s
初估塔径：
D=（Vs/（0.785un））0.5
=（0.0945/（0.785×2.869））0.5=0.205m
圆整为D=0.25m
uf=vs/（0.785×D2）=0.0945/（0.785×0.252）=1.926m/s
实际泛点百分率：
uf/un,f=1.926/4.099=0.470
2.3塔板的详细设计
1.流动型式:
选取单溢流型
2.堰的计算:
（1）精馏段：
堰长取lw=0.6D=0.6×0.3=0.18m
堰高hw=0.04m
lh/lw2.5=0.00013×3600/0.182.5=34.046
又lw/D=0.6查得：
E=1.03
堰上清液高how=0.00284E（Lh/lw）2/3=0.00553m
清液层高度hl=hw+how=0.04+0.00553=0.04553m
降液管底隙高ho=hw-0.008=0.032m
（2）提馏段：
堰长取lw=0.6D=0.6×0.25=0.15m
堰高hw=0.04m
lh/lw2.5=0.00013×3600/0.152.5=53.705
又lw/D=0.6查得：
E=1.03
堰上清液高how=0.00284E（Lh/lw）2/3=0.00137m
清液层高度hl=hw+how=0.04+0.00137=0.04137m
降液管底隙高ho=hw-0.012=0.028
3.塔板的布置
（1）精馏段：
选取碳钢为筛板的材料，板厚δ=4mm，孔径do=6mm
取孔中心距t=18mm，t/do=3
开孔率φ=Ao/Aa=0.907/（t/do）2=0.1008
Ao—开孔面积，Aa—开孔区面积
Af—降液管截面积，At—空塔截面积
取外堰前的安定区：
Ws1=0.02m
取内堰前的安定区：
Ws2=0.02m
边缘区：
Wc=20mm（D≤2.5m）
lw/D=0.6
r=D/2-Wc=0.3/2-0.02=0.13m
Wd=0.1×0.3=0.03
x=D/2-（Wd+Ws）=0.1
An=2[x×（r2-x2）0.5+r2arcsin（x/r）]=0.0463
开孔区面积/塔板面积=0.0463/（0.785×0.32）=0.6553m2
筛孔总面积A0=An×φ=0.0463×0.1008=0.004667m2
孔数：
N=A0/u=0.004667/（0.785×0.0062）=165.15
取整：
N=166孔
（2）提馏段：
选取碳钢为筛板的材料，板厚δ=4mm，孔径do=6mm
取孔中心距t=18mm，t/do=3
开孔率φ=Ao/Aa=0.907/（t/do）2=0.1008
Ao—开孔面积，Aa—开孔区面积
Af—降液管截面积，At—空塔截面积
取外堰前的安定区：
Ws1=20mm
取内堰前的安定区：
Ws2=20mm
边缘区：
Wc=20mm（D≤2.5m）
lw/D=0.6
r=D/2-Wc=0.25/2-0.02=0.105m
Wd=0.1×0.25=0.025
x=D/2-（Wd+Ws）=0.08
An=2[x×（r2-x2）0.5+r2arcsin（x/r）]=0.030
开孔区面积/塔板面积=0.030/（0.785×0.252）=0.7856m2
筛孔总面积A0=An×φ=0.030×0.1008=0.003024m2
孔数：
N=A0/u=0.003024/（0.785×0.0062）=107.006
取整：
N=108孔
2.4校核
（1）精馏段
1.压降校核
δ=4mm，do/δ=1.5，查图得Co=0.78
Hc—干板压降，Co—孔流系数
下板阻力Hc=0.051（ρv/ρl）×（Uo/Co）2
Uo筛孔汽速，Uo=Vs/Ao=0.137/0.004667=29.355
∴Hc=01062（m液柱）
Hl—液层有效阻力，Fo—气相动能因子
Ua=Vs/（At-2Af）=0.137/0.063162=2.169
Fa=Ua（pv）0.5=2.4176
查表得β=0.6
Hl=β（hw+how）=0.6×0.04553=0.02732m（液柱）
总压降--Hp=Hl+Hc=0.1335（m液柱）≤0.6kg液/kg气
∴合格
2.液沫夹带的校核
Ug--气体通过有效截面的面积的速率
Ug=Vs/（At-Af）=2.0477m/s
hf板上鼓泡层高度Φ物系的起泡系数
hf=hl/Φ=0.07167m,Φ=0.6
∴Ev=（5.7E10-3/σ）（Ug/（Ht-hf））3.2
=0.01392kg（液）/kg（汽）≤0.1kg（液）/kg（汽）
∴不产生过量液沫夹带，合格.
3.液泛校核
Hd降液管液面高度，hd液相流经降液管的阻力
hd=0.153（Ls/（lw×ho））2=0.0000779ｍ
Hd=hw+how+hd+Hp=0.179m,Φ=0.6
Hd/φ=0.2984m≤0.44m
∴合格，不会产生液泛
4.停留时间的校核
Af=0.003744m2
τ=Af×Ht/Ls=0.003744×0.5/0.004=27.91≥（3∽5s）
∴合格
5.漏液校核
hσ-表面张力压头,Uom-漏点气速,Co-孔流系数
hσ=4σ/9810ρl×do=0.00407（m液柱）
do/δ=1.5查图得Co=0.78
Uom=4.4Co×（（0.0056+0.13hl-hσ）×ρl/ρv）0.5＝6.381m/s
K=Uo/Uom=4.6≥1.5
∴操作弹性大，不会发生严重漏液，合格。
（2）提馏段：
1.压降校核
δ=4mm，do/δ=1.5，查图得Co=0.78
Hc-干板压降，Co-孔流系数
下板阻力Hc=0.051（ρv/ρl）×（Uo/Co）2
Uo筛孔汽速，Uo=Vs/Ao=0.0945/0.003024=31.25
∴Hc=0.0700（m液柱）
Hl—液层有效阻力，Fo气相动能因子
Ua=Vs/（At-2Af）=2.153
Fa=Ua（pv）0.5=2.0239
查表得β=0.6
Hl=β（hw+how）=0.02482m（液柱）
总压降--Hp=Hl+Hc=0.09482（m液柱）≤0.6kg液/kg气
∴合格
2.液沫夹带的校核
Ug--气体通过有效截面的面积的速率
Ug=Vs/（At-Af）=2.032m/s
hf板上鼓泡层高度Φ物系的起泡系数
hf=hl/Φ=0.04137m,Φ=0.6
∴Ev=（5.7E10-3/σ）（Ug/（Ht-hf））3.2
=0.01453kg（液）/kg（汽）≤0.1kg（液）/kg（汽）
∴不产生过量液沫夹带，合格.
3.液泛校核
Hd降液管液面高度，hd液相流经降液管的阻力
hd=0.153（Ls/（lw×ho））2=0.0000501ｍ
Hd=hw+how+hd+Hp=0.1362m,Φ=0.6
Hd/φ=0.2270m≤0.44m
∴合格，不会产生液泛
4.停留时间的校核
Af=0.0026m2
τ=Af×Ht/Ls=0.0026×0.5/0.000076=17.105≥（3∽5s）
∴合格
5.漏液校核
hσ-表面张力压头,Uom-漏点气速,Co-孔流系数
hσ=4σ/（9810ρl×do）=0.00428（m液柱）
do/δ=1.5查图得Co=0.78
Uom=4.4Co×（（0.0056+0.13hl-hσ）×ρl/ρv）0.5＝7.915m/s
K=Uo/Uom=3.948≥1.5
∴操作弹性大，不会发生严重漏液，合格。
2.5负荷性能图
（1）精馏段：
1.液相下限线
取how=0.006mE=1.04
how=0.00284E（3600ls/lw）2/3
∴ls=0.000145m3/s
2.液相上限线
取τ=5s
τ=Af×HT/Ls
Ls=Af×HT/τ=（0.5×0.003744）/5=0.0003744
3.漏液线
hl=hw+how=0.04+2.155ls2/3m
Uom=Vsmin/A0=Vsmin/0.2028
Uom=4.4C0[（0.0056+0.13hl-hσ）×（ρl/ρv）]0.5
Vsmin=0.016[4.578+190.56ls2/3]0.5
4.过量液沫夹带线：
取ev=0.1,E=1.04
hf=2.5hl=0.1+5.388Ls2/3
Ug=Vs/（AT-Af）=Vs/0.0669
ev=（0.0057/σ）[Ug/（HT-hf）]3.2
Vs=0.459-6.176Ls2/3
5.液泛线：
取φ=0.6
HT+hw≥Hdφ,Hd≤（0.4+0.04）/0.6=0.7333
hd=0.153（Ls/（lw×h0）2=4611.55Ls2
hc=0.051（Vs/A0C0）2×（ρv/ρl）=5.658Vs2
hl'=0.024+1.293Ls2/3
hp=hc+hl'=0.024+1.293Ls2/3+5.658Vs2
Hd=0.7333=hl+hd+hp
=0.1+5.388Ls2/3+4611.55Ls2+5.658Vs2
∴Vs2=0.112-0.952Ls2/3-815.05Ls2
（2）提馏段：
1.液相下限线
取how=0.006mE=1.04
how=0.00284E（3600ls/lw）2/3
∴ls=0.000121m3/s
2.液相上限线
取τ=5s
τ=Af×HT/Ls,Ls=Af×HT/τ=（0.5×0.000076）/5=0.0000076
3.漏液线
hl=hw+how=0.04+2.434ls2/3m
Uom=Vsmin/A0=Vsmin/0.003024
Uom=4.4C0[（0.0056+0.13hl-hσ）×（ρl/ρv）]0.5
Vsmin=0.0104
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