46000吨年乙醇水蒸馏装置课程设计.doc
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《化工原理课程设计》报告
46000吨/年乙醇~水
精馏装置设计
年级
专业
设计者姓名
设计单位
完成日期
2013年1月1日
目录
一、概述 1
1.1设计依据 1
1.2技术来源 1
1.3设计任务及要求 2
二：
计算过程 3
1.塔型选择 3
2.操作条件的确定 3
2.1操作压力 3
2.2进料状态 3
2.3加热方式 3
2.4热能利用 4
3.有关的工艺计算 4
3.1最小回流比及操作回流比的确定 5
3.2塔顶产品产量、釜残液量的计算 5
3.3全凝器冷凝介质的消耗量 6
3.4热能利用 6
3.5理论塔板层数的确定 7
3.6全塔效率的估算 8
3.7实际塔板数 9
4.精馏塔主题尺寸的计算 9
4.1精馏段与提馏段的体积流量 9
4.1.1精馏段 9
4.1.2提馏段 11
4.2塔径的计算 12
4.3塔高的计算 14
5.塔板结构尺寸的确定 15
5.1塔板尺寸 15
5.2弓形降液管 16
5.2.1堰高 16
5.2.2降液管底隙高度h0 16
5.2.3进口堰高和受液盘 16
5.3浮阀数目及排列 16
5.3.1浮阀数目 16
5.3.2排列 17
5.3.3校核 17
6.流体力学验算 18
6.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降） 18
6.1.1干板阻力 18
6.1.2板上充气液层阻力 18
6.1.3由表面张力引起的阻力 18
6.2漏液验算 18
6.3液泛验算 19
6.4雾沫夹带验算 19
7.操作性能负荷图 19
7.1雾沫夹带上限线 19
7.2液泛线 20
7.3液体负荷上限线 20
7.4漏液线 20
7.5液相负荷下限线 20
7.6操作性能负荷图 21
8.各接管尺寸的确定 23
8.1进料管 23
8.2釜残液出料管 23
8.3回流液管 23
8.4塔顶上升蒸汽管 24
8.5水蒸汽进口管……………………………………………24
III
一、概述
乙醇~水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。
因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。
近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。
山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。
长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇~水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。
但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇`水体系的精馏设备是非常重要的。
塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。
塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。
塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。
在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。
1.1设计依据
本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。
1.2技术来源
目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。
1
1.3设计任务及要求
原料：
乙醇~水溶液，年产量46000吨
乙醇含量：
38%（质量分数），原料液温度：
45℃
设计要求：
塔顶的乙醇含量不小于92%（质量分数）
塔底的乙醇含量不大于0.8%（质量分数）
表1乙醇~水溶液体系的平衡数据
液相中乙醇的含量
（摩尔分数）
汽相中乙醇的含量
（摩尔分数）
液相中乙醇的含量
（摩尔分数）
汽相中乙醇的含量
（摩尔分数）
0.0
0.0
0.40
0.614
0.004
0.053
0.45
0.635
0.01
0.11
0.50
0.657
0.02
0.175
0.55
0.678
0.04
0.273
0.60
0.698
0.06
0.34
0.65
0.725
0.08
0.392
0.70
0.755
0.10
0.43
0.75
0.785
0.14
0.482
0.80
0.82
0.18
0.513
0.85
0.855
0.20
0.525
0.894
0.894
0.25
0.551
0.90
0.898
0.30
0.575
0.95
0.942
0.35
0.595
1.0
1.0
二：
计算过程
1.塔型选择
根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为6389kg/h，由于产品粘度较小，流量较大，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，选用浮阀塔。
2.操作条件的确定
2.1操作压力
由于乙醇~水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压。
其中塔顶压力为
塔底压力
2.2进料状态
虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料。
2.3加热方式
精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇~水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。
2.4热能利用
精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。
因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。
虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。
为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。
3.有关的工艺计算
由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。
乙醇的摩尔质量=46
水的摩尔质量=18
原料液的摩尔组成：
同理可求得：
=0.8182=0.0031
原料液的平均摩尔质量：
同理，=40.190;=18.087
45℃下，原料液中
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2。
表2原料液、馏出液与釜残液的流量与温度
名称
原料液
馏出液
釜残液
38
92
0.8
（摩尔分数）
0.1934
0.8182
0.0031
摩尔质量
23.415
40.190
18.087
沸点温度/℃
83.83
78.62
99.38
3.1最小回流比及操作回流比的确定
由于是泡点进料，==0.1934，过点做直线x=0.1934交平衡线于点，由点可读得=0.520，因此：
可取操作回流比R=1.378Rmin=1.378×0.907=1.250
3.2塔顶产品产量、釜残液量的计算
以年工作日为300天，每天开动设备24小时计，进料量为：
由全塔的物料衡算方程可写出：
（蒸汽）
（泡点）
3.3全凝器冷凝介质的消耗量
塔顶全凝器的热负荷：
可以查得，所以
取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃。
则：
平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：
3.4热能利用
以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量可记为：
其中
在进出预热器的平均温度以及的情况下可以查得比热，所以，
釜残液放出的热量
若将釜残液温度降至
那么平均温度
其比热为，因此，
可知，，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点。
3.5理论塔板层数的确定
精馏段操作线方程：
提馏段操作线方程：
线方程：
在相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出
块（含塔釜）
其中，精馏段5块，提馏段8块。
3.6全塔效率的估算
用奥康奈尔法（）对全塔效率进行估算：
由相平衡方程式可得
根据乙醇~水体系的相平衡数据可以查得：
（塔顶第一块板）
（加料板）
（塔釜）
因此可以求得：
全塔的相对平均挥发度：
全塔的平均温度：
在温度下查得
因为
所以，
全塔液体的平均粘度：
全塔效率
3.7实际塔板数
块（含塔釜）
其中，精馏段的塔板数为：
块
4.精馏塔主题尺寸的计算
4.1精馏段与提馏段的体积流量
4.1.1精馏段
整理精馏段的已知数据列于表3（见下页），由表中数据可知：
液相平均摩尔质量：
液相平均温度：
表3精馏段的已知数据
位置
进料板
塔顶（第一块板）
质量分数
摩尔分数
摩尔质量/
温度/℃
83.83
78.62
在平均温度下查得
液相平均密度为：
其中，平均质量分数
所以，
精馏段的液相负荷
同理可计算出精馏段的汽相负荷。
精馏段的负荷列于表4。
表4精馏段的汽液相负荷
名称
汽相
液相
平均摩尔质量/
31.25
36.13
平均密度/
814
1.251
体积流量/
2.43（0.000625）
3804（1.056）
4.1.2提馏段
整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表6。
表5提馏段的已知数据
位置
塔釜
进料板
质量分数
摩尔分数
摩尔质量/
温度/℃
99.38
83.83
表6提馏段的汽液相负荷
名称
液相
汽相
平均摩尔质量/
20.2
25.6
平均密度/
911
0.816
体积流量/
8.09（0.00225）
4132（1.15）
4.2塔径的计算
由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。
有以上的计算结果可以知道：
汽塔的平均蒸汽流量：
汽塔的平均液相流量：
汽塔的汽相平均密度：
汽塔的液相平均密度：
塔径可以由下面的公式给出：
由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。
取塔板间距，板上液层高度，那么：
分离空间：
功能参数：
从史密斯关联图查得：
，由于，需先求平均表面张力：
全塔平均温度，
在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为，
所以，液体的临界温度：
设计要求条件下乙醇~水溶液的表面张力
平均塔温下乙醇~水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：
，
所以：
根据塔径系列尺寸圆整为
此时，精馏段的上升蒸汽速度为：
提馏段的上升蒸汽速度为：
4.3塔高的计算
塔的高度可以由下式计算：
已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为：
个
取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高度：
5.塔板结构尺寸的确定
5.1塔板尺寸
由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。
取无效边缘区宽度，破沫区宽度，
查得
弓形溢流管宽度
弓形降液管面积
验算：
液体在精馏段降液管内的停留时间
液体在精馏段降液管内的停留时间
5.2弓形降液管
5.2.1堰高
采用平直堰，堰高
取，则
5.2.2降液管底隙高度h0
若取精馏段取，提馏段取为，那么液体通过降液管底隙时的流速为
精馏段：
提馏段：
的一般经验数值为
5.2.3进口堰高和受液盘
本设计不设置进口堰高和受液盘
5.3浮阀数目及排列
采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。
5.3.1浮阀数目
浮阀数目
气体通过阀孔时的速度
取动能因数，那么，因此
个
5.3.2排列
由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排。
若同一横排的阀孔中心距，那么相邻两排间的阀孔中心距为：
取时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取，其中
因此，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为个
5.3.3校核
气体通过阀孔时的实际速度：
实际动能因数：
（在9~12之间）
开孔率：
开孔率在10%~14之间，满足要求。
6.流体力学验算
6.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）
气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）
6.1.1干板阻力
浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：
因为
所以
6.1.2板上充气液层阻力
取板上液层充气程度因数，那么：
6.1.3由表面张力引起的阻力
由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以：
6.2漏液验算
动能因数，相应的气相最小负荷为：
其中
所以
可见不会产生过量漏液。
6.3液泛验算
溢流管内的清液层高度
其中，
所以，
为防止液泛，通常，取校正系数，则有：
可见，，即不会产生液泛。
6.4雾沫夹带验算
泛点率=
查得物性系数，泛点负荷系数
所以，泛点率=
可见，雾沫夹带在允许的范围之内。
7.操作性能负荷图
7.1雾沫夹带上限线
取泛点率为80%代入泛点率计算式，有：
整理可得雾沫夹带上限方程为：
7.2液泛线
液泛线方程为
其中，
代入上式化简后可得：
7.3液体负荷上限线
取，那么
7.4漏液线
取动能因数，以限定气体的最小负荷：
7.5液相负荷下限线
取代入的计算式：
整理可得：
7.6操作性能负荷图
由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。
图中线a为最小液体负荷线。
线b为漏液线。
线c为最大液体负荷线。
线d按液体在降液管中允许停留时间计算。
线e为降液管液泛线。
线f为雾沫夹带线。
此图的阴影部分，为塔板的稳定操作区（当c线在d线右方时，稳定操作区应位于d线的左方）。
根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点P（0.00146，1.103）在正常的操作范围内。
连接OP作出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。
由图可读得：
所以，塔的操作弹性为
有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7
表7浮阀塔工艺设计计算结果
项目
数值与说明
备注
塔径
1.0
板间距
0.4
塔板型式
单溢流弓形降液管
分块式塔板
空塔气速
1.476
溢流堰长度
0.705
溢流堰高度
0.05
板上液层高度
0.01
降液管底隙高度
0.025
浮阀数个
89
等腰三角形叉排
阀孔气速
10.38
阀孔动能因数
5
临界阀孔气速
10.32
孔心距
0.075
同一横排的孔心距
排间距
0.065
相临二横排的中心线距离
单板压降
564.7
液体在降液管内的停留时间
41.8
精馏段
12.6
提馏段
降液管内的清液高度
0.1297
泛点率，%
63.4
气相负荷上限
1.65
雾沫夹带控制
气相负荷下限
0.57
漏夜控制
开孔率，%
13.5
操作弹性
2.89
8.各接管尺寸的确定
8.1进料管
进料体积流量
取适宜的输送速度，故
经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64），规格：
实际管内流速：
8.2釜残液出料管
釜残液的体积流量：
取适宜的输送速度，则
经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64），规格：
实际管内流速：
8.3回流液管
回流液体积流量
利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么
经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64），规格：
实际管内流速：
8.4塔顶上升蒸汽管
塔顶上升蒸汽的体积流量：
取适宜速度，那么
经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64），规格：
实际管内流速：
8.5水蒸汽进口管
通入塔的水蒸气体积流量：
取适宜速度，那么
经圆整选取热轧无缝钢管（YB231-64），规格：
实际管内流速：
3.结论
3.1评述及感想
本次化工原理课程设计历时一周，是上大学以来第一次独立的工业化设计。
从老师那了解到化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。
通过本次课程设计的训练，让我对化工原理这门课有了更加感性和理性的认识，使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。
我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。
课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，给了我许多道理，给了我很多思考，给了我莫大的空间。
同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升。
同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。
最后对在我们设计过程中一直给予帮助与指导的王新运老师表示感谢！
3.2参考文献
[1].陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理（上册），第三版，北京化学工业出版社，2006年
[2].陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理（下册），第三版，北京化学工业出版社，2006年
[3].匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计，第二版，北京，化学工业出版社，2007年
[4].陈常贯，柴诚敬，姚玉英，化工原理（下册），天津，天津大学出版社，2002年
[5].唐伦成，化工原理课程设计简明教程，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2005年
[6].图伟萍，陈佩珍，程达芳，化工过程及设备设计，北京，化学工业出版社，2003年
[7].化工工艺设计手册
[8].刘光启，马连湘，刘杰主编，化学化工物性数据手册（无机卷），北京，化学工业出版社，2002年
[9].华东理工大学化工原理教研室编.化工过程设备及设计.广州：
华南理工大学出版社.1996.02
[10].天津大学化工原理教研室编.化工原理（下）.天津：
天津大学出版社.1999.04
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