分离乙醇-水精馏塔设计.doc

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1、2014届化工原理课程设计分离乙醇水精馏塔设计说明书学生姓名 阿迪力 学 号 所属学院 生命科学学院 专 业 应用化学 班 级 16-1班 指导教师 张雷 塔里木大学教务处制化工原理课程设计任务书专业 班级 学生姓名 发题时间： 2011 年 11 月 28 日一、设计题目：分离乙醇-水混合液的板式精馏塔工艺设计原始数据及条件：生产能力：年处理乙醇-水混合液37万吨原料：乙醇含量为25%（质量百分比，下同）的常温液体 分离要求：塔顶乙醇含量不低于90%塔底乙醇含量不高于1%建厂地址：阿克苏地区库车县二、设计参数（1）设计规模：乙醇-水混合液处理量_51388kg/h（2）生产制度：年开工300

2、天，每天三班8小时连续生产（3）原料组成：乙醇含量为25（质量百分率，下同）（4）进料状况：含乙醇25%（质量百分比，下同）乙醇-水的混合溶液（泡点进料）（5）分离要求：塔顶乙醇含量不低于_90_%，塔底乙醇含量不大于_1_，塔顶压力: 0.MPa (绝压），塔釜采用0.5 Mpa饱和蒸汽间接加热（表压）（6）建厂地区：大气压为760mmHg、自来水年平均温度为20的库车县。三、设计要求和工作量完成设计说明书一份四、设计说明书主要内容（参考）化工原理课程设计任务书摘 要第一章 前言第二章 绪论设计方案选塔依据设计思路第三章 塔板的工艺设计精馏塔全塔物料衡算常压下乙醇-水气液平衡组成与温度关系理

3、论塔的计算塔径的初步设计溢流装置塔板的分布、浮阀数目及排列第四章 塔板的流体力学验算气相通过浮阀塔板的压降淹塔物沫夹带塔板负荷性能图第五章 塔附件设计接管筒体与封头除沫器裙座吊柱人孔 第六章 塔总体高度的设计塔的顶部空间高度塔的底部空间高度塔总体高度第七章 附属设备设计冷凝器的选择再沸器的选择第八章 设计结果汇总塔主要结构参数表第九章 设计小结与体会参考文献主要符号说明附 录五、主要参考文献1谭天恩，等.化工原理（第三版）.北京：化学工业出版社，20092 大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，19943贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社，

4、20024 时钧主编.化学工程手册（第二版）.北京：化学工业出版社，1996参考文献并不局限于上述所列。六、设计进度安排 下发设计任务书并进行初步讲解 0.5天 搜集、查阅相关资料并完成综述 0.25天 确定工艺条件和设计方案 0.25天 完成设计计算 3天 完成附属设备主要工艺尺寸计算 0.5天 总结 0.5天七、仪器设备塔里木大学信息工程学院机房提供电脑给学生查资料和进行计算机辅助设计指导教师（签名）： 2011 年 月 日 学科部（系）主任（签名）： 2011 年 月 日摘 要 鉴于筛板塔结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力 较大；气体分散均匀，传质效率较高等优点，本设

5、计选用筛板式精馏塔精馏分离处理35000吨/年的乙醇-水溶液，首先利用AutoCAD 做出相平衡 曲线，求出最小回流比为2.2，根据TM-图解法画出全塔所需的理论塔板数为26.2块（含再沸器），通过设计计算，得出实际塔板数为52块（含再沸器），然后对塔和塔板的工艺尺寸进行计算，计算圆整得塔径为m2.1，塔高为m75.26，物料为泡点进料。通过核算，此精馏塔能够达到要求的分离效果，满足设计任务书的要求。 关键词：筛板塔 精馏 乙醇 设计。 目录第一章前言8第二章 绪论92.1 设计方案92.2 选塔依据102.3 设计思路10第三章 塔板的工艺设计113.1 精馏塔（精馏段）全塔物料衡算113.

6、2 计算温度、密度、表面张力 、粘度、相对123.3 塔径的初步设计193.4溢流装置213.5 塔板布置及浮阀数目与排列23第四章 塔板的流体力学计算24第四章 塔板的流体力学验算244.1气相通过浮阀塔板的压降244.2淹塔254.3 物沫夹带264.4塔板的负荷性能图26第五章 塔的附件设计315.1 接管315.2 筒体和封头335.3 除沫器335.4裙座335.5 吊柱345.6 手孔34第六章 塔总体高度的设计34第七章 附属设备设计347.1 冷凝器的选择347.2再沸器的选择35第一章前言 在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保部门，塔设备属于使用量大，应用面广的重要单

7、元设备，而精馏操作则是工业中分离液体混合物的最常用手段。其操作原理是利用液体混合物中各组分的挥发度的不同，在气液两相相互接触时，易挥发的组分向气相传递，难挥发的组分向液相传递，使混合物达到一定程度的分离。塔设备的基本功能是提供气液两相以充分的接触机会，使物质和热量的传递能有效的进行；在气液接触之后，还应使气、液两相能及时分开，尽量减少相互夹带。 常用的精馏塔按其结构形式分为板式塔和填料塔两大类，板式塔内装有若干层塔板，液体依靠重力自上而下流过每层塔板，气体依靠压强差的推力，自下而上穿过各层塔板上的液层而流向塔顶，气液两相在内进行逐级接触。填料塔内装有各种形式的填料，气液两相沿塔做连续逆流接触，

8、其传质和传热的场所为填料的润湿表面。 板式塔具有结构简单、安装方便、压降很低、操作弹性大、持液量小等优点。同时，也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。 本设计参考了部分化工原理课程设计书上的内容，还得到了老师和同学的帮助，在此表示感谢。 由于本人能力有限，经验不足，书中难免会出现一些错误，恳请大家批评指正。第二章 绪论2.1 设计方案1.设计方案确定 筛板塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm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

9、离2.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 ，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。3.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般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量常压下操作。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，

10、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4.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。5.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

11、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。 6.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。 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。7.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

12、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。8.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

13、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.图2-1 流程图2.2 选塔依据根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为，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。2.3 设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了

14、，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。 1.精馏方式的选定2.操作压力的选取3加料状态的选择4、加热方式的选择5回流比的选择6.冷凝方式及介质选择7.塔的选择 图2-2 设计思路第三章 塔板的

15、工艺设计 3.1 精馏塔（精馏段）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：塔底产品流量（kmol/s） xW：塔底组成 原料乙醇组成：=0.127塔顶组成：=0.779塔底组成：=0.00393进料量：=物料衡算式为：联立方程组解得：=0.0963kmol/s W=0.5757kmol/s3.2 计算温度、密度、表面张力 、粘度、相对挥发度气液相及体积流量表一.常压下乙醇-水气液平衡组成(摩尔)与温度关系温度/oC液相气相温度/oC液相气相温度/oC液相气相10095.589.086.785.384.101

16、.907.219.6612.3816.61017.0038.9143.7547.0450.8982.782.381.580.779.879.723.3726.0832.7339.6550.7951.9854.45 55.80 59.26 61.22 65.64 65.99 79.378.7478.4178.1557.3267.6374.7289.4368.4173.8578.1589.43 :=84.97 :78.35 :=99.07精馏段平均温度 =提馏段平均温度 =2密度已知：混合液密度 依式 =（a为质量分数，为平均相对分子质量）混合汽密度 依式 塔顶温度：=78.35气相组成： =80

17、.7进料温度：=84.97气相组成： =47.4塔府温度：=99.07气相组成： =3.5 (1)精镏段： 液相组成： 气相组成： =35.98kg/mol (2) 提馏段： 液相组成： 气相组成： 所以 =19.67kg/kmol =25.14kg/kmol表二.不同温度下乙醇和水的密度温度/oC温度/oC808590735730724971.8968.6965.395100720716961.85958.4求得在和下的乙醇和水的密度,， kg/m3 , kg/m3同理：， kg/m3 ， kg/m3在精馏段：液相密度： 气相密度：在提馏段：液相密度： 气相密度： 二元有机物-水溶液表面张力

18、可用下列各式计算 公式： 式中下角标，W、O、S分别代表水、有机物及表面部分，XW、XO指主体部分的分子体积，、为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。（1）精馏段：温度/oC708090100乙醇表面张力/10-2N/m21817.1516.215.2水表面张力/10-2N/m264.362.660.758.8 乙醇表面张力：， ；水的表面张力：， 。 =0.32 =-0.94 A=B+Q=-1.44 (2) 提馏段：92.02 乙醇表面张力：， 水的表面张力：， 。 查表得：， 92.02，查表得： 精馏段粘度： 提馏段粘度： 5相对挥发度由 =0.474 =0.115 得：由 =0.80

19、7 =0.779由 =0.035 =0.00393（1）精馏段相对挥发度 （2）提馏段相对挥发度 因为是饱和液体进料，所以 q=1,又因=0.115,所以q为一条直线。由x-y相图知： 所以 已知：精馏段操作线方程： 在图上作操作线，由点（0.779，0.779）起在平衡线与精馏段操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线的交点小于0.00393为止，由此得到理论NT=14快（包括再沸器），加料板为第11.5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力学性质有关，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。其中：塔顶与塔底平均温度下的相

20、对挥发度；塔顶与塔底平均温度下的液相粘度mPa.s。（1）精馏段已知 =0.49 =块（2）提馏段已知 =0.49 =3.8块全塔所需实际塔板数：= + =26+3.8=29.8块全塔效率： 3.3塔径的初步设计1.气、液相体积流量计算根据x-y图查图计算，或由解析法计算求得：取 （1）精馏段 则质量流量：则体积流量：（2）提馏段 q=1则质量流量：则体积流量：2.精馏段有=(安全系数)，安全系数=0.60.8，式中可由史密斯关联图查出横坐标数值为 取板间距 则-查图可知 =0.7=1.35 圆整 塔截面积 实际空塔气速为 3.提馏段横坐标数值为 取板间距 则-查图可知 =0.7= 圆整 塔截

21、面积 实际空塔气速为 = 3.4溢流装置1、 堰长取=1.75出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算 近似取E=1（1） 精馏段（2） 提馏段 2.弓降液管的宽度和横截面积查图得 =0.124则 验算降液管内停留时间精馏段： 提馏段：停留时间5s 故降液管可以使用3.降液管底隙高度（1）精馏段：取降液管底隙流速 ,则 （2）提馏段：取降液管底隙流速 ,则m 3.5塔板布置及浮阀数目与排列1. 塔板的分块本设计塔径D=2.5m，故塔板采用分块式，以便通过入孔装拆塔板。2.浮阀数目及排列（1）精馏段：取阀孔动能因子F0=12，孔速为：=10.87每层塔板上的浮阀数目为：=个取边缘区宽度W

22、c=0.06m，破沫区宽度Ws=0.10m。计算塔板上的鼓泡区面积，按式计算其中： 所以：=1.46浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距t=0.08m则排间距：=0.036m 塔板开孔率=12.3%（2）提馏段：取阀孔动能因子=12，孔速为：=13.09每层塔板上的浮阀数目为：=435取t=0.080m则排间距：=0.041m同上取=0.036，则排得阀数目为440个。阀动能因子变化不大，仍在913范围内。塔板开孔率=10.66%第四章 塔板的流体力学计算空参考资料：1 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. 1996.022 天津大学

23、化工原理教研室编. 化工原理(下). 天津：天津大学出版社. 1999.043 大连理工大学王国胜主编.化工原理课程设计.大连理工大学出版社 2005.02化工原理课程设计教师评分表评价单元评价要素评价内涵满分评分平时成绩20%出勤能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。10纪律学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料。10说明书质量50%说明书格式符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、量和单位及各种资料引用规范等。10工艺设计计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算，附属设备的选型等。40制图质量30%制图图形图纸的布局、线形、字体、箭头、整洁等。20制图正确性符合化工原理课程设计任务书制图要求，正确绘制流程图和工艺条件图等。10指导教师综合评定成绩：实评总分；成绩等级 指导教师（签名）： 2009年 月 日