12万吨年乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计毕业(论文)设计.doc

辽宁石油化工大学 毕业设计填 写 说 明1.本手册是学院对毕业设计（论文）工作进行质量监控的重要依据，必须认真如实填写，妥善保管。2.毕业答辩前，学生要将本手册送交指导教师，待指导教师和评阅教师审阅毕业设计（论文）填写评阅意见后，连同毕业设计（论文）一并交答辩委员会评阅。3.凡由指导教师组或外聘（反聘）教师指导学生，各分院要派负责教师协助做好毕业设计（论文）手册的填写工作。毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔 设计（论文）时间： 2012 年4 月 至 2012年6月 设计（论文）进行地点： 辽宁石油化工大学 1、 设计（论文）内容： 12.0万吨/年乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计 2、 设计（论文）的原始数据及条件:生产能力：年处理乙醇-水混合液12.0万吨（开工率300天/年）原 料：乙醇含量为20%（质量百分比）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%（质量分数） 塔顶乙醇含量不高于0.2%（质量分数）3、 塔操作条件平均操作压力：1atm进料热状况：饱和液体进料塔板类型：浮阀塔工作日：每年300天，每天24小时连续运行 毕业设计（论文）任务书4、应收集的资料及主要参考文献1 化工原理王志魁 编著 化学工业出版社（第二版） 2002年2月第9次印刷 2 化工原理（新版）上、下册 姚玉英主编 天津大学出版社1999年8月第1版 3 化工原理上、下册 蒋维钧主编 清华大学出版社 2003年2月第二版 5、进度安排及完成情况序号设计（论文）各阶段任务日 期完成情况1进行实地调查4月12日 5月 1日完成2查找资料5月 1日 5月25日完成3进行设计计算5月25日 6月 5日完成4审核6月5日 6月10日完成5进行排版6月10日 6 月 15日完成6 月 日 月 日学生签名： 文蒋权 指导教师签名： 刘冬梅 系主任签名： 邓书平 2012年 月 日 毕业设计（论文）评阅书指导教师评语： 评 分 表（导师建议成绩）项目创新摘要内容字迹表现合计权重105601015100分数指导教师签字： 2012 年 月 日 毕业设计（论文）评阅书评阅教师评语： 评 分 表（评阅教师建议成绩）项目创新摘要内容字迹合计权重1057510100分数评阅教师签字： 2012 年 月 日 毕业答辩情况表答辩时间：2012 年 月 日答辩组成员姓 名职 称工 作 单 位注 备副教授辽宁石油化工大学副教授辽宁石油化工大学教授辽宁石油化工大学副教授辽宁石油化工大学副教授辽宁石油化工大学讲师辽宁石油化工大学答辩评语： 建议答辩成绩：答辩组长：2012 年 月 日答辩委员会意见：答辩委员会主任：2012 年 月 日成 绩毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日12.0万吨/年乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计摘 要塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：生产能力大；分离效率高；操作弹性大；气体阻力小结构简单；设备取材面广等。 塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是乙醇-水连续精馏浮阀塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的乙醇和不易挥发的水，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。关键词：乙醇，水， 浮阀精馏塔AbstractThe tower equipment is widely used in the production of oil refining, chemical, petrochemical and other gas-liquid mass transfer equipment. According to the form of tower gas-liquid contact parts can be divided into the packed tower and tray columns. Plate tower belonging to one level contact with counter-current operation, packed tower belongs to the differential-contact operation. The main requirements of industrial equipment on the tower: ； capacity ； high separation efficiency, operating flexibility ；The simple structure of gas flow resistance equipment drawn a wide range. The tower type of rational choice is to do the primary link in the tower equipment, options, should consider the nature of the materials, operating conditions, the performance of the tower equipment and tower equipment manufacturing, installation, operation and maintenance and other factors. Plate tower of an early start with a simple structure, low cost, adaptable, easy to enlarge. Distillation is the separation of liquid mixtures (including liquefied gas mixture) the most commonly used as a unit operation, has been widely used in the chemical, oil refining, petrochemical and other industries. Distillation process in the energy agent-driven (sometimes plus a quality agent), so that the gas-liquid two-phase many times in direct contact and separation, the volatility of each component in the liquid mixture of different volatile components from the liquid to the gas transfer, difficult to volatiles from vapor to liquid phase transfer and separation of each component in the raw material mixture. According to different requirements on the production, distillation can be continuous or intermittent, some special material system can be applied to value-for-boiling distillation or extractive distillation, and other special methods for separation. The subject of this design is ethanol - water continuous distillation of the valve tower design, the need to design a distillation column used to separate ethanol volatile and less volatile water, using a continuous mode of operation, the need to design a plate tower separation .Key words: ethanol, water, float valve distillation column目 录前言1第一章 综述21.1 乙醇的性质21.1.1 物理性质21.1.2 化学性质21.2 乙醇的用途21.2.1 药理作用21.2.2饮料312.3 基本有机化工原料31.2.4汽车燃料31.3 乙醇的发展4第二章 工艺计算62.1塔板的工艺设计62.1.1精馏塔全塔物料衡算62.1.2理论塔板的计算122.1.3塔经的初步计算132.1.4溢流装置152.1.5塔板布置及浮阀数目与排列162.2塔板的流体力学计算172.2.1淹塔182.2.2、液沫夹带192.2.3塔板负荷性能202.3 附件设计222.3.1接管22进料管22回流管23塔釜出料管23塔顶蒸汽出料管232.3.2法兰232.3.3简体与封头242.3.4除沫器242.3.5裙座242.3.6 吊柱252.3.7人孔252.4塔总体高度的设计252.5塔附属设备设计262.5.1冷凝器的选择262.5.2再沸器的选择26第三章 总结28谢辞29参考文献3033前言本次课程设计的任务是设计分离乙醇-水的精馏塔，塔型选为浮阀塔，因为筛板塔与浮阀塔相比，浮阀塔有降液槽和溢流堰，气体顶开浮阀上升与塔盘上液体接触，传质在塔盘上进行，液体通过降液槽下降，其操作弹性较大。本设计任务为分离乙醇-水混合物，进料为饱和液体进料，操作压力是一个大气压。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。第一章 文献综述1.1 乙醇的性质 1.1.1 物理性质乙醇俗称酒精，室温下，乙醇是无色易燃，且有特殊香味的挥发性液体。乙醇是一种很好的溶剂，既能溶解许多无机物，又能溶解许多有机物，所以常用乙醇来溶解植物色素或其中的药用成分，也常用乙醇作为反应的溶剂，使参加反应的有机物和无机物均能溶解，增大接触面积，提高反应速率。例如，在油脂的皂化反应中，加入乙醇既能溶解NaOH，又能溶解油脂，让它们在均相（同一溶剂的溶液）中充分接触，加快反应速率，提高反应限度。 1.1.2 化学性质 乙醇分子中含有极化的氧氢键，电离时生成烷氧基负离子和质子。乙醇具有还原性，可以被氧化成为乙醛。酒精中毒的罪魁祸首通常被认为是有一定毒性的乙醛，而并非喝下去的乙醇。乙醇可以与乙酸在浓硫酸的催化并加热的情况下发生酯化作用，生成乙酸乙酯。乙醇燃烧发出淡蓝色火焰，生成二氧化碳和水（蒸气），并放出大量的热，不完全燃烧时还生成一氧化碳，有黄色火焰，放出热量 。1.2 乙醇的用途 1.2.1 药理作用广泛用于医用消毒75%（体积分数）的乙醇溶液常用于医疗消毒 一般使用 95%的酒精用于器械消毒；7075%的酒精用于杀菌，例如 75%的酒精在常温（25C）下一分内可以杀死 大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、白色念球菌、铜绿假单胞菌等；更低浓度的酒精用于降低体温，促进局部血液循环等。但是研究表明，乙醇不能杀死细菌芽孢，也不能杀死肝炎病毒（如：乙肝病毒）。故乙醇只能用于一般消毒，达不到灭菌标准。 1.2.2 饮料乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为56度的酒。注意：我们喝的酒内的乙醇不是把乙醇加进去，而是发酵出来的乙醇，当然根据使用的发酵酶不同还会有乙酸或糖等有关物质。 白酒的度数表示酒中含乙醇的体积百分比（西方国家常用proof表示酒精含量），通常是以20时的体积比表示的，如50度的酒，表示在100毫升的酒中，含有乙醇50毫升(20)。另外对于啤酒是表示啤酒生产原料麦芽汁的浓度，以12度的啤酒为例，是麦芽汁发酵前浸出物的浓度为12%(重量比)。麦芽汁中的浸出物是多种成分的混合物，以麦芽糖为主。啤酒中乙醇浓度一般低于10%。 12.3 基本有机化工原料乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料 1.2.4 汽车燃料乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，我国雅津甜高粱乙醇在汽油中占10%。美国销售乙醇汽油已有20年历史。 乙醇汽油也被称为（E型汽油），我国使用乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。 车用乙醇汽油是指在不含甲基叔丁基醚（MTBE）、含氧添加剂的专用汽油组分油中，按体积比加入一定比例（我国目前暂定为10%）的变性燃料乙醇，由车用乙醇汽油定点调配中心按国标GB183512001的质量要求，通过特定工艺混配而成的新一代清洁环保型车用燃料。 车用乙醇汽油按研究法辛烷值分为90号、93号、95号三个牌号。 标志方法是在汽油标号前加注字母E，做为车用乙醇汽油的统一标示，三种牌号的汽油标志分别为“E90乙醇汽油90号”、“E90乙醇汽油93号”、“E90乙醇汽油95号”。车用乙醇汽油适用于装配点燃式发动机的各类车辆、无论是化油器或电喷供油方式的大、中、小型车辆。 它不影响汽车的 行驶性能，还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，技术上成熟安全可靠，在我国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益。 1.3 乙醇的发展早在20世纪20年代，巴西就开始了乙醇汽油的使用。由于巴西石油资源缺乏，但盛产甘蔗，于是形成了用甘蔗生产蔗糖、醇的成套技术。目前，巴西是世界上乙醇汽油中乙醇含量最早达到20%的国家。 美国是世界上另一个燃料乙醇的消费大国。20世纪30年代在内布拉斯加州地区乙醇汽油就首次面市。1978年含10%乙醇汽油（E10汽油）在内布拉斯加州大规模使用，此后，美国联邦政府对E10汽油实行减免税，燃料乙醇产量从1979年的3万吨迅速增加到1990年的269万吨。2000年美国燃料乙醇产量达到500万吨。随着MTBE在美国使用量的减少和最终的禁用，燃料乙醇将成为MTBE最佳含氧化合物的替代产品。预计，到2004年全美国燃料乙醇需求将达到1000万吨。 我国在抗战时，就使用酒精作汽车燃料，在解放战争的时候，解放军为了军用，建立了南阳酒精厂，现在这个厂还是现在生产乙醇汽油用酒精的主要工厂。解放之初，还有用酒精开汽车的，而且还不是现在的科学的乙醇汽油。 国内乙醇汽油产量占世界第三位，今年国家发展与改革委员会上呈全国两会的报告统计，全国目前已有每年混配一千万吨乙醇汽油的能力，乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20%，在全世界上继巴西、美国之后成为生产乙醇汽油的第三大国。如全国都使用含10%的乙醇汽油，则每年可节省450万吨汽油。乙醇汽油是十五计划的重点工作之一。 国内从2003年起陆续宣称黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽等省及河北、山东、江苏、湖北等27个城市全面停用普通无铅汽油，改用添加10%酒精的乙醇汽油。 目前中国大多数推广省市中乙醇汽油占汽油的销售使用量比例都较高，且还在进一步提高，可是因为原料、成本和技术问题，中国在乙醇汽油的推广中也遇到一些阻碍，后因政策支持，技术进步等原因，使得乙醇汽油的推广得以顺利进行。 总体看来，乙醇汽油的使用及推广是中国大势所趋，2006至2010年期间，车用乙醇汽油将在国内更多地区推广。 乙醇汽油的环保性令人称道，在9个城市调查报告中，使用乙醇汽油期间，城市空气中的二氧化氮、一氧化碳季均值与使用普通汽油比较，二氧化氮下降了8%与一氧化碳下降5%。 第二章 工艺计算2.1 塔板的工艺设计2.1.1 精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量(kmol/s) xF：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量(kmol/s) xD：塔顶组成W：塔底残液流量(kmol/s) xW：塔底组成原料乙醇组成： 塔顶组成： 塔底组成：进料平均分子量：=46.07×0.174+18.02×0.826=22.9kg/kmol进料量： kmol/h=0.2259 kmol/s物料衡算式为： （2-1） 联立代入求解：D=0.0227 kmol/s W=0.2032 kmol/表2-1 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系温度/液相气相温度/液相气相温度/液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99温度tF：，tF=87.41tD：，tD=78.17tW：，tW=99.82精馏段平均温度：提馏段平均温度：密度已知：混合液密度 （2-2） 混合气密度（a为质量分率，为平均分子量） 精馏段：液相组成x1：，x1=22.94%气相组成y1：，y1=54.22%所以 kg/kmol kg/kmol提馏段：液相组成x2：，x2=3.44%气相组成y2：，y2=23.37%所以 kg/kmol kg/kmol表2-2 不同温度下乙醇和水的密度温度/乙水温度/乙水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下乙醇和水的密度， kg/m³ ， kg/m³同理：， kg/m³， kg/m³在精馏段液相密度： kg/m³气相密度： kg/m³在精馏段液相密度： kg/m³气相密度： kg/m³混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式： （2-3） 注： 式中下角标w、o、s分别代表水、有机物及表面部分，Xw、Xo指主体部分的分子数，、指主体部分的分子体积，、为水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。 精馏段：表2-3 不同温度下乙醇和水的表面张力温度/708090100乙醇表面张力/10-2N/m21817.1516.215.2水表面张力/10-2N/m264.362.660.758.8 cm3/mol cm3/mol乙醇表面张力：，水表面张力：， （2-4）因为 ， 所以 （2-5）联立方程组 代入解得： ， 提馏段： cm3/mol cm3/mol乙醇表面张力：， 水表面张力：， ，因为 ， 所以 联立方程组 代入解得： 混合物的粘度，查表得： mPa·s， mPa·s，查表得： mPa·s， mPa·s精馏段粘度 mPa·s提馏段粘度 mPa·s相对挥发度精馏段挥发度：由，得，所以 提馏段挥发度：由，得，所以 （2-6） 气液相体积流量计算根据x-y图得： 取（1）精馏段： kmol/s kmol/s 已知： kg/kmol， kg/kmol kg/ kmol， kg/ kmol质量流量： kg/s （2-7） m³/s 体积流量： m³/s （2-8） m³/s （2）提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1 kmol/s （2-9） kmol/s 已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m³， kg/m³质量流量： kg/s （2-10） kg/s 体积流量： m³/s （2-11） m³/s 2.1.2 理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法、图解法，本次实验采用图解法。根据1.01325×105Pa下，乙醇-水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线即x-y曲线图，泡点进料，所以q=1，即q为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切。，操作回流比已知：精馏段操作线方程：精馏段操作线方程：在图上作操作线，由点（0.8814，0.8814）起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交点小于0.00078为止，由此得到理论板NT=26块（包括再沸器），加料板为第24块理论板。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算。 注：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液体粘度mPa·s精馏段已知：，mPa·s所以： 故块提馏段已知：， mPa·s所以： 故块（2-12）全塔所需实际塔板数：块全塔效率加料板位置在第53块板。2.1.3 塔经的初步计算精馏段由=（安全系数）×，安全系数=0.6-0.8，式中C可由史密斯关联图查出： 横坐标数值：取板间距： m， m，则 m查图可知： m/s（2-13） m/s m 横截面积： m2空塔气速： m/s提馏段横坐标数值：取板间距： m， m，则 m查图可知： m/s m/s m 圆整： m横截面积： m2