化工原理课程设计--精馏塔工艺设计

化工原理

课程设计（2013-2014学年第一学期）

题目名称：精馏塔工艺设计

化工原理课程设计任务书

专业：生物工程

同组成员：

一．题目：精馏塔工艺设计

二．设计条件：

2．操作条件：（加压/ 常压/ 减压）

3．进料热状态：（冷液进料/ 饱和液体进料/ 饱和蒸汽进料）

三．设计和计算内容

全塔物料平衡计算（列出物料恒算表），塔内各点温度的确定，塔板数及进料位置的确定、塔径、塔高的计算及塔板结构尺寸的确定（含塔板布置图），塔板水力计算，塔板操作负荷性能校核，各主要接管的尺寸的选择计算、位置的确定，附属设备的选用计算和加热蒸汽及冷却用水消耗量的计算。

四．设计要求

1．写出设计计算说明书一份，包括：

目录、任务书、前言、工艺流程图及流程说明，工艺设计计算结果汇总表，工艺管线接管尺寸汇总表，对设计结果的评价及问题的讨论，设计所用的参考书目（书名，著作，出版社，出版年月日）

计算包括：主要设备的工艺计算（物料恒算，热量恒算，操作条件的确定，塔板数及进料位置的确定，必要的草图，选用的公式，经验公式要注明来源）。主要设备的结构尺寸的确定步骤，附属设备的选用计算。

2．附图：

精馏塔的装配图（正视图，俯视图（管口位置），局部放大图），塔板布置图，酒精生产工艺流程图，操作负荷性能图，常压下乙醇—水溶液的y-x 图（阶梯图，局部放大图）。图纸尺寸：A3 。

发出任务书时间：年月日

完成设计时间：年月日

指导教师：

目录

任务书—————————————————————————————2目录——————————————————————————————3 前言——————————————————————————————4 关键字—————————————————————————————4 第一部分设计方案的确定

一、设计方案的内容———————————————————————5

二、确定设计方案的原则—————————————————————5 第二部分板式精馏塔的工艺计算

一、回流比的确定————————————————————————5

二、实际塔板数的确定——————————————————————6

三、物料衡算——————————————————————————8

四、热量衡算——————————————————————————10 第三部分塔板和塔主要工艺尺寸设计

一、初选塔板间距————————————————————————10

二、塔径计算——————————————————————————11

三、塔板布置及板上液体流程———————————————————12

四、溢流装置——————————————————————————12

五、鼓泡区阀孔分布———————————————————————14 第四部分塔板的流体力学计算

一、气相通过塔板的压降—————————————————————15

二、降液管内液面高度——————————————————————16

三、雾沫夹带——————————————————————————16

四、负荷性能图—————————————————————————17 第五部分板式塔的结构设计

一、塔板结构——————————————————————————19

二、接管结构——————————————————————————19

三、塔体、封头及入口——————————————————————20

四、支座————————————————————————————21

五、补强圈———————————————————————————22 第六部分塔式精馏塔的辅助设备设计

一、冷凝器———————————————————————————22

二、加热蒸汽鼓泡管———————————————————————23

三、除沫器———————————————————————————23 第七部分设计结果汇总

一、工艺设计参数表———————————————————————24

二、塔和塔板的主要尺寸表————————————————————25

三、板式塔结构参数表——————————————————————26第八部分参考文献及设计论述——————————————————27

前言

化工、石油、轻工业生产过程中，常要将均相液体混合物分离，以达到分离或回收有用组分的目的，分离均相液体混合物的方法中，常用蒸馏分离法，其在工业中应用范围十分广泛，是分离液体混合物的重要单元操作之一。

各种混合物分离的方法，都是造成一个离相物系，利用均相混合物中各组分的某种物性的差异使其中某个组分或某些组分从一相向另一相传递，以达到分离的目的。蒸馏就是利用均相混合物中各组分挥发性的差异进行分离的一种单元操作。在一定的总压下，将均相混合物直接加热，使其部分汽化，使他们达到一定程度的分离，将液体部分汽化或部分冷凝后，最终得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较难挥发的组分。

精馏塔是进行精馏的一种塔式气液接触装置，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。

蒸汽由塔底进入，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）组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，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。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，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用。塔底流出的液体，其余的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，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、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。

要想把低浓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，塔内装有若干塔板或填充一定高度的填料。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，才能实施整个操作。

本设计是针对工业生产中常用的精馏操作而作的，对精馏操作的设备和工艺计算进行了初步的设计，设计的具体内容见以下章节。

关键字：精馏塔课程设计化工原理

第一部分设计方案的确定

一、设计方案的内容：

（一）操作压力.

确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。

减压蒸馏应用于热敏性物料，减压操作组分之间相对挥发度较大有利于分离；加压蒸馏应用于沸点低，常压下呈气态的物料；本次设计用的料液为乙醇—水溶液，无特殊要求，可选用常压蒸馏。

（二）进料状态

本次设计采用泡点进料，泡点进料塔的操作比较容易控制，不致受季节气温影响。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计上和制造上比较方便。

（三）加热方式

本次设计进料为乙醇—水溶液，塔底产物基本上是水，且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大，所以采用直接蒸汽加热。节省设备费，且可用较低温度的蒸汽加热。

（四）热能利用

蒸馏过程中的特性是重复的进行汽化和冷凝，因此热效低，塔顶蒸汽和塔底残液都有余热可以利用，但在利用这些热量时需分别考虑这些热量的特点。

二、确定设计方案的原则

总原则是在可能的条件下，采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进经济上最合理的要求。符合优质、高产、安全、低消耗的原则。

（一）满足工艺和操作的要求

流程和设备首先必须保证产品达到要求，质量要稳定，其次，设计方案要有一定的操作弹性，流量应能在一定范围内进行调节，再次要考虑必须装置的仪表及其装置位置。（二）满足经济上的要求

（三）保证安全生产

第二部分板式精馏塔的工艺计算

一、回流比的确定

（一）绘制相平衡曲线（见附图）

（二）各种组成的确定

M A=46g/mol, M B=18g/mol

X F=

αF/M A

αF/M A+(1-αF)/M B

=

35/46

35/46+65/18=17.4%

X D=

αD/M A

αD/M A+(1-αD)/M B

=

90/46

90/46+10/18=77.885%

X W=0.009%÷2.5≈0.0035% （三）温度的确定

进料温度75.83=F t ℃

塔顶温度t D =78.354℃

（四） 确定最小回流比R min

在附图中，过（X 0,Y 0）点作相平衡曲线的切线，得截距B=40.66 ∵B=

X D

R min +1

∴Rmin=

X D

B

-1=0.9155 （五） 确定最小理论塔板数N min 全回流情况下作图得N min =8 （六） 确定回流比R

吉利兰图：

=+-1min

N N N 0.75-0.75*5668.0)1

(+-R R R m

N=

x

N x m -+1

根据R-N 关系示意图，R=28875.20986.1? 取R=1.6

二、 实际塔板数的确定 （一） 理论塔板数N T

D`=

h kg /78.277724

*30010*10*23

4= mol g

x M x M M D B D A D 8078.39)77885.01(1877885.046)1(2=-?+?=-+=

h kmol M D D D

78.69`

2

==

∴ L=RD=1.6×69.78=111.648h kmol V=(R+1)D=2.6?67.68=181.428h kmol V`=V 0=V=181.428h kmol L`=W=L+F

W F W x Dx x F D +=?F*x F h kmol x x Lx Dx F W F W D 05.3210035

.0174.00035

.0648.11177885.078.69=-?+?=-+=

L`=W=L+F=111.648+321.05=432.698h kmol 精馏段操作线方程

++=

+n n x R R y 111

+R x D =95576.2962.06.277885

.062.0+=+n n x x 提馏段操作线方程

=

+1m y %00835.0385.20035.0428

.181698.432428.181698.432```-=?-=-m m W m x x x V W x V L 在图1中，过（D D x x ,）点和（0，29.9558）作精馏线

）为提馏线，和（点，连结交精馏线于）作过（W W F x x x x q d d 4.170,,1== ，过

(D D x x ,)做提级，到x

在附图1中作图得14块塔板,包括塔釜。即N t =14。

（二） 实际塔板数N P 1、 确定全塔效率E T 平均温度t m =

t D +t W 2 =78.354+99.992

2

=89.173。 4.17=F x 885.77=D x W x =0.0035

在t=89.173下求的99.35,045.6==m m y x 所以()

74.8)

1(1=--=

m m m m m y x x y α

由课本附录十二中

查乙醇（x=10.5,y=13.8）和水（x=10.2,y=13.0）对应的粘度系数，查得32.0,38.0==B A μμ

)1(m B m A L x x -+=μμμ=0.38×0.06045+0.32×（1-0.06045）

=0.38

E T =456.0`2.1=T E

2实际塔板数N P

245.0)(49.0`-=L m T E μα

51.28456

.01

14=-==

T T P E N N 取N P =29 即N=29 精馏板8个 即N T `=8 此外实际加料板块191`

=+=

T

T m E N N N P1=18块 即进料加在第19块实际塔板上 三、 物料衡算 （一） 平均分子量

1、 液相：8078.39)1(=-?+?=D B D A L

D x M x M M mol g x M x M M F B F A L F 872.22)1(=-+=

mol g x M x M M W B F A L W 18)1(=-+=

液相平均分子量—馏分、进料、釜液中—L

W L F L D M M M ,, 2、 汽相：

mol

g y M y M M

mol

g y M y M M W B W A L

W

D B D A V D 01.18)1(08.41)1(=-+==-+=

（二） 密度计算

由附录六查得水在各温度下的ρ，进量温度F t

1、 进料：3k 064.73575.83847.0-806847.0806m g t F =?=-=乙醇ρ 在t F =83.75下，3

/4.969m kg =水ρ ,

3-10147.11

?=+=水

水乙醇ραραρF F kg 3m

3

/84.871m kg F =∴ρ 2、 塔顶：

()

3/425.1354.78273314.808

.41325.101m kg RT PM D V

D V

D

=+??==ρ

在t D =78.354下，

3

3/63.739354.78847.0806847.0806/98.972m

kg t m kg D =?-=-==乙醇水，

ρρ

kg m D L D

/1032.198

.9721

.063.7399.01

33-?=+=+=

水水乙醇ραραρ 3

/804.757m kg L

D =∴ρ

3、 塔底

()

3/5885.0992.99273314.801

.18325.101m kg RT PM w V W V

W

=+??==ρ

在t W =99.992下，

3

3/41.958/31.721992.99847.0806t 847.0806m

kg m kg W ==?-=-=水乙醇ρρ

kg m W L W

/10043423.141

.95899991

.031.72100009.01

33-?=+=+=

∴

水水乙醇ραραρ 3/382.958m kg L

W =∴ρ

（三） 物料计算

物质的量流量

h k m o l F 05.321= h k m o l D 78.69= W=432.698h kmol

V`=V 0=V=181.428h kmol L =111.648h kmol L`=W=L+F=111.648+321.05=432.698h kmol ∴换算为体积流量为：

精馏段：

s m LM L s m VM V L

D

L

D

S L

D

V

D s /10629.1804.75736008078.39648.1113600/428.1425.1360008.41428.1813600333

?=??==

=??==ρρ

提馏段：

s m M L L s m M V V L

W

L

W

S V

W

V

W S

/10257.2382.958360018698.4323600/542.15885.0360001.18428.18136003

33?=??='='=??='='

ρρ

塔底：s

m M V V s m WM W s

m FM F OS L

W L W S F L F S /52.1579

.0360018

428.1813600/1028.2382

.958360018698.4323600/1034.284.8713600872.2205.3213600303

333=??=

=

?=??==?=??==--蒸汽

水ρρρ

四、 热量衡算

由表查得，在t D =78.354下，塔顶馏分汽化潜热g 969.28kJ/k r D =，在t W =99.992下，釜底汽化潜热kg kJ r W /18.2258=，kg kJ r B /02.2258=。 1、 加热蒸汽用量

h

kJ r V Q kmol

kJ r M r v B W V

W V /1038.782.40669428.181/82.4066918.225801.186?=?='

'==?=='

∴加热蒸汽的质量流率h kg r Q G B B B /1072.302

.22581038.736?=?==

2、 冷却水用量

h

kg t t C Q G K

kg C C C

t t t t h kJ r V Q kmol

kJ r M r P C C m V C V

D V /1027.3)

2275(174.410224.7)(/kJ 174.45.48t 5.482

752222t

/10224.702.39818428.181/02.3981828.96908.4156

12p o o 216?=-??=-=∴?===+=+=+='?=?=?==?==冷却水的质量流率时，查表：在水出进

第三部分 塔板和塔主要工艺尺寸设计

一、 初选塔板间距

初定适宜的空塔气速u=1m/s

m D m

u V D S 4.135.11

785.0428

.1785.0==?==

取 由浮阀塔板间距参考数值表

取H T =400mm ， 塔径的计算需求max u =，C 由下式计算：0.2120()20

C C σ=,20C

由smith 图查取，取板间距H T =0.4m ，取板上液层高度h L =70mm ，则H L -h L =400-70=330mm=0.33m

史密斯关联图

图中 HT ——塔板间距，m ； hL ——板上液层高度，m ；V ,L ——分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s ； ρV ，ρL ——分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 。

二、塔径的计算 1、 精馏段塔径计算

026.0425.1804.757428.110629.1))((321

=??? ?

????? ???=-V D L D S S V L ρρ 查上表 C 20=0.065

表面张力计算

混合物的临界温度计算

查表得，T c 乙醇=243K ，T c 水=374K

()m

N cm dyn t T t T cm

dyn t K T X T C D C ic i mc 017175.0175.17232597.271354.7897.271)(/232597.27197.544)374273)(77885.01(24327377885.02

.112.11211==???

? ??--=--=====+-++?==∑σσσ水溶液表面张力得

—℃时，查乙醇℃气体负荷参数：063.002.0017175.0065.002.02

.02

.0220=?

?

? ??=?

?

?

??=σC C

U 允许=s m C V

D

V D L D 45.1425.1425

.1804.757063.0=-=-ρρρ 空塔速度

s

U U s U U 7m 8.06.0m 16.18.0====允许允许

初步估算塔径为：m V D 25.116

.1785.0428.1785.0s `=?==

μ

由表，圆整取mm 1400`=D 2、 提馏段计算

059.05885.0382.958542.110257.2``2

13

2

1=??? ?

?????

???=???

? ????? ??-V W

L

W Vs Ls ρ

ρ

查C 20图：取C 20=0.07 表面张力计算：查图 混合物的临界温度

℃02.37402.647)374273(999965.0)243273(000035.0==+++?==∑k T X T ic i m c

25℃时，乙醇水溶液表面张力cm yn d 641=σ

m N cm yn T T T T c c 04788.0d 88.472502.374992.9902.37412

.112

.1122==???? ??--=???

?

??--=σσσ 气体负荷参数0834.002.004788.007.0)02

.0(

2

.02

.02

20=?

?

?

???==σC C

s m C

U V W

V W

L W 365.35885.05885.0382.9680834.02

1

=??

?

??-?=-=ρρ

ρ允许

空塔速度:

s

U U s m U U m 692.28.002.26.0====允许允许

初步估计：mm m V D s 986986.002

.2785.0542

.1785.0``==?==

μ

由表 圆整D=1000mm

最后取塔径D=1400mm H T =400mm

三、塔板布置及板上液体流程 D=1400mm

查表得 判断?????3600`3600Ls Ls 125

.8360010257.28644

.5360010629.13-3-=??=?? 液流程数为单流塔板，塔盘结构形式为分块塔板 四、 溢流装置 （一） 降液管

1、 降液管面积2

79.1609%46.1015390%46.10cm A A T f =?=?= 查表

2、液体线速度：合适

∴<=??=--s

m s m A L f s 1.001.01079.160910629.14

3

3、液体在降液管中的停留时间 （1）精馏段

s s L H A t s T

f 5~353.39109957.39528210

629.14.01079.160943

4>=?=???=?=

--- （2）提馏段

s s L H A t s T

f 5~353.2810257.24.01079.1609`

3

4>=???=?=

--

（二） 溢流堰 1. 堰长：

参照表 取mm l w 1029= mm W d 225=

735.01400

1029==D

l w

在0.6~0.8之间

2. 堰高

平堰上液流高度1,=E h ow 取 E ——液流收缩系数，一般取1 h ow ——堰上液流高度 L h ——液流量 L w ——堰长 （1） 精馏段

选用平堰60606.900906.0029.110

629.136********.2100084.23

23

3

2<<∴==???

? ?????=???

? ????=

-ow w h ow h m m m L L E h （2） 提馏段

选用平堰

60626.11029.110257.23600100084.2100084

.2`3

23

3

2<<=???

? ?????=???

?

????=-ow

w h ow h mm l L E h 堰高hw

（1） 精馏段mm h h h ow L w 94.6006.970=-=-= （2） 提馏段mm h h h ow L w 74.5826.1170`=-=-=

mm 60选为w h

降液管底部与下一塔板的间隙h

50

12~600=∴=-h m h h w 取

(三)受液盘及入口堰

8001400>=D ∴采用凹形受液盘 深度为50mm

由于受液盘对改变液体流向具有缓冲作用，所以不用设置入口堰 （四）安定区与边缘区的安排 1、 安定区

安定区宽度Ws 取90mm 2、 边缘区

边缘区宽度Wc 取60mm 五、鼓泡区阀孔分布 1．阀孔孔径d 0

按JB118-68选取孔径为39mm 2.塔板上浮阀数与开孔率 取（F 0）c =12 (1) 精馏段

()()()%

14%54.11%10005

.1016.1119039.0405.10428.14:05.10425

.11202

2

000000<=?===??

=??

=

∴===

=

U U d U V n U U s

m F U s c

v D

c

c

φπ

π

ρ

块常压下

在10%~14%内

（2）提馏段

()()()%

14%92.12%10064

.1502.283039.0464.15542.14`:64.155885

.01202

2

000000<=?===??

=

??

=

∴===

=

U U d U V n U U s

m F U s c v W

c

c

φπ

π

ρ

块常压下

经计算，精馏段和提馏段的开口率均在10%~14%之间

∴查表得n=168块，t 1=65mm ，()%14%,10%04.134.1039.0168)(2

20∈=??

?

???==D d n φ。

3、 阀孔的排列

按等腰三角形排列，采用叉排

三角形底边t`固定为75mm 查表，取高度h=t 1=65mm

第四部分 塔板的流体力学计算

一、 气相通过塔板的压降 1. 干板压降hc

???

?

?????=??=?=阀全开后

阀全开前L D V

D c L L c g U h U U h ρρρρ234.534.59.19g 29.1920825

.1075

.00 （1） 精馏段

液柱

取阀全开后的

m g U hc s

m U s m U s

m U L D V

D 052.0804

.757425

.181.9205.1034.5234.565.8`05.1065.8425

.134.59

.1981.9222000825

.110=???=??=∴=>==???=ρρ

（2） 提馏段

液柱

取全开后

m g U h h s

m U s m U s

m U L W V

W c c 041.0382

.9585885

.081.9264.1534.5234.505.14`64.1505.145885

.034.59

.1981.9222000825

.110=???=??=∴=>==???=ρρ

2、 塔板上液层有效阻力h l

5

.000=+===εε当液体为水时，ow

w L L

f l h h h h h h

（1） 精馏段有效阻力m h h L l 035.007.05.00=?==ε液柱 （2） 提馏段有效阻力m h h L l 035.007.05.00=?==ε液柱 3、塔底压力

液柱

提馏段：液柱精馏段：m h h h m h h h h h h f c t f c t f

c t 076.0035.0041.0087.0035.0052.0=+=+==+=+=+= 精馏段压降：Pa gh P t L

D tD 76.646087.081.9804.757=??==

?ρ