化工原理课程设计-乙醇-水混合液精馏塔设计

1 全套论文 化工原理课程设计 题目：乙醇 学 院：化学与材料工程学院 专 业：高分子材料与工程 姓 名： 徐光璞 学 号： 102410143 指导教师： 任海波 河南城建学院 2012 年 12 月 25 日 2 化工原理课程设计工艺条件 一、设计目的和要求 课程设计 是 化工原理课程 教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论系实际的桥梁 。 通过课程设计，培 养学生查阅资料、选用公式和搜索数据的能力；熟悉工程设计基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法；锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、独立工作和创新能力；培养学生能用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 二、设计任务 完成精馏塔工艺设计，运用最优化方法确定最佳操作条件；精馏设备设计，有关附属设备的设计和选用；绘制带控制点工艺流程图，塔板结构简图和塔板负荷性能图，编制设计说明书；等。 三、 设计题目 题目二： 乙醇 合液精馏塔设 计 四、设计条件 年处理量： 8000 吨 /年 料 液浓度（质量 %）： 40% 料液初温： 30 塔顶产品浓度： 94%（质量分率） 塔底乙醇含量不高于 以质量计） 精馏塔塔顶压强： 4压 ) 进料状态：泡点进料 回流比：自选 单板压降 0.7 k 却水温度： 30 设备形式：筛板塔 饱和水蒸汽压力： 压 ) （ 1 每年实际生产天数： 330 天，每天 24 小时连续运转 3 目 录 一 设计 方案简介 . 4 二 物料流程说明 . 4 三 设计说明书 . 5 气液相平衡数据 . 5 塔 物料衡算 . 6 艺条件及物性数据计算 . 6 作温度 : . 7 作压强 . 7 均分子量的计算 . 8 均密度 . 9 合液体表面张力 . 10 体粘度 . 11 的物性数据列表 . 12 际塔板数的计算 . 12 算最小回流比 . 错误 !未定义书签。 2 馏塔内汽液负荷计算 . 错误 !未定义书签。 3 作线方程 . 错误 !未定义书签。 3 板法计算塔板数 . 错误 !未定义书签。 4 板效率 . 15 算实际塔板数 . 15 和塔板主要 工艺尺寸计算 . 15 径的 设计 . 15 高的设计计算 . 16 流装置 . 17 板布置 和筛孔数目与排列 . 18 体力学验算 . 19 板压降 . 19 面落差 . 错误 !未定义书签。 0 泛验算 . 错误 !未定义书签。 0 液 . 21 沫夹带 . 21 荷性能图 . 21 液线 . 21 沫夹带线 . 22 相负荷下限线 . 22 相负荷上限线 . 22 泛线 . 22 作性能负荷图 . 23 四 筛板塔设计结果概要 . 24 4 五 塔附件设计 . 25 管 管径 计算 . 25 热器的计算与选型 . 27 槽 . 28 的选型与计算 . 29 六 设计体会及改进意见 . 30 七 参考文献 . 31 八 主要符号说明 . 31 5 一、 设计方案简介 乙醇 水体系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，因而被广泛的应用于化工 、 日化 、 医药等行业。 近年来，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。 长期以来，乙醇多用于蒸馏法生产，但是由于乙醇 水体系有共沸现象，由于乙醇 水体系形成共沸物，在常压下，水， 乙醇，共沸温度为 ， 此时乙醇组成尔分数，且 此时溶液的气液组成（平衡组成）相等，这就无法用普通的精馏的方法来将乙醇溶液再浓缩，乙醇。 本实验塔顶产品浓度要求为 94%（质量分率），普通 精馏便可以得到需要产品，不用再进行吸附分离提纯。 二、物料流程说明 乙醇 水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。 6 三、 设计说明书 液相平衡数据 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 ) 2 常压下乙醇与水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 温度 液相中乙醇的含量 (摩尔分数 ) 汽相中乙醇的含量 (摩尔分数 ) 温度 液相中乙醇的含量 (摩尔分数 ) 汽相中乙醇的含量 (摩尔分数 ) 100 9 7 塔物料衡算 由质量 分数 求摩尔分数 乙醇相对 分子 质量 的相对分子质量 g/ 进料、 塔顶 、塔底 质量 分数： =40%(； 94%； ( 6/ =x= 物料衡算 进料平均 相对 分子量： )1( k 料量： F =平均分子量总生产时间 年处理量 1= 7920 s 总物料衡算 F=D+W=9.6 s 乙醇物料衡 算 +立解得 D=s, W=s 艺条件及物性数据计算 工艺条件物性的计算包括：操作压强、温度、平均分子量、平均密度、液体表面张力、液体黏度及表格。 8 作温度 为了考察精馏塔内物质的状态性质，需要计算塔内各部分的温度具 体为： 塔顶、进料口、塔釡、精馏段平均温度、提馏段平均温度。 利用表一中数据由拉格朗日插值可求得 FF ,4 =C ( DD C ( WW (精馏段平均温度 (1 FD C ； 提馏段平均温度 (2 WF 作压强 乙醇、水的饱和蒸汽压可以用下式计算：A p 为蒸气压 A、 B、 C 为常数； t 为摄氏温度（ C ） 物质名称 温度范围 t/ C 安托尼常数 A B C 乙醇 50 060 60150 3：乙醇、水安托尼常数 顶压力 ： C ， 安托尼公式可以计算出该温度下， 设该物系为理想物系： 0 7 5 9 1 08 5 9 ( 料处： t C ， 上，可以计算出该温度下， 9 0 6 6 釡 ： 0 1 1 馏段： t 平均液相组成：1 1 x1x 0 3 3 馏段： t C 平均液相组成：5 2 x2x 平均分子量的计算 液相组成计算 汽相组成 精馏段：9 1 y 1y 馏段： 5 2 y 2y 馏段平均液相组成分别为 1x 1y 馏段平均液相组成分别为 2x 2y 平均分子量计算 10 精馏段： k m o 0 3 3 (. 1 8 k g / k m o 1 1 1 (111111 提馏段： k m o m o 0 5 3)1(/ 1 0 0 (222222 4. 均密度 用下式计算密度，混合液密度： 1 混合气密度： V 。 其中： a 为质量分 数， M 为平均相对分子质量 不同温度下乙醇和水的密度如下表 ( A 表示乙醇， B 表示水 ) 温度 / C A /kg/ /kg/度 / C A /kg/ /kg/0 735 5 720 5 730 00 716 0 724 表 4：不同温度下乙醇和水的密度 求 1t 和 2t 温度 下乙醇和水的平均密度 t C ， 7 3 57 3 0 8085 A A =kg/ 1 8 8085 B B =理： t C ， A kg/ B 精馏段和提馏段汽液相密度 精馏段 ： 6 3 4 6 3 3 液相： 11 = 1L =11 汽相： 1V = 2 1 3( 5 0 1 3 kg/馏段 ： 1 2 5 液相 11 = 1L =相 2V = 8 9 3( 3 kg/ 混合液体表面张力 表 5：乙醇、水的表面张力和温度的关系如下表 温度 /C 70 80 90 100 乙醇的表面张力 / 10mN/m 18 的表面张力 / mN/m 顶 ： 乙醇的表面张力：080 A A =m 水的表面张力：080 B B =m )(顶m mN/m 进料口 : t 醇表面张力：090 A A =m 水的表面张力：090 B B =m )(进m mN/m 塔釡 ： 12 乙醇的表面张力：01 0 0 A A =m 水的表面张力：01 0 0 B B =m )(釜m 0 1 1 m 精馏段的平均表面张力 )(精m 提馏段的平均表面张力 )(提m 0 5 1 液体黏度 塔顶及塔釜黏度 塔顶 ： C 、 可查得在该温度下，乙醇和水的粘度 分别为： A B ( 釡 ： 、（ a）可得 A B 8 1 ( 精馏段、提馏段及全塔平均黏度 精馏段平均粘度： 精馏段平均液相组成 1x 可知平均温度下，乙醇和水的粘度分别为：A B 精馏段平均粘度： 0 3 0 3 ( 111 BA 馏段平均黏度 提馏段平均液相组成 2x 可知平均温度下，乙醇和水的粘度分别为：A B 13 提馏段平均粘度： 3 1 3 5 1( 222 BA 塔平均粘度 ： 2 3 13 4 1 塔的物性数据列表 位置 项目 进料口 塔顶 塔釡 精馏段 提馏段 操作压强 /度 / C 均分 子量 /kg/相 相 均密度 /kg/相 相 面张力/mN/m 体黏度/ 6：塔内物性数据 际塔板数 的确定 算最小回流比 从乙醇 ）与 y=x 曲线，物系的最小回流比 相切的那点。通过作图可知切点 P（ 7 47 1 1 9 xy =1.6 14 馏塔内汽液负荷计算 根据恒摩尔流假定，可以分别计算出 精馏塔内上升蒸汽量和下降液体量。 馏段 摩尔流量： 1( s s 质量流量： 0 1 0 5 s 0 0 8 2 s 体积流量： s 42 4 10-4 m3/s 提馏段 摩尔流量： s s 质量流量： 0 1 0 5 2 kg/s 2 kg/s 体积流量： 8 9 2 m3/s 10s 精馏段和提馏段操作线方程 精馏段操作线方程： 11 1 y 点进料 q=1， q 线方程：馏段操作线方程： 1L w 0 8 2 nn 5 逐板法计算塔板数 计算平衡线方程 塔顶 C 1=底 2=均相对挥发度 ;= =衡线方程：1(1 塔板数计算 x =过计算可以求得理论塔板数为 7 块（包括蒸馏釜），加料板为第 7 块理论板，精馏段为 6 块，提馏段为 20 块（不包括蒸馏釜）。 计算塔板效率 1 2 3 4 5 6 进 7 8 9 y x 0 11 12 13 14 15 16 17 18 y x 9 20 21 22 23 24 25 26 27 y x 16 用经验公式 计算塔板效率 精馏段 1 3 9 4 馏段 2 3 1 3 计算实际塔板数 精馏段： 1N 6/5 块； 提馏段： 2N =20/0 块 全塔实际塔板数： N =55 块。 和塔板主要工艺尺寸计算 径的设计 史密斯关 连图 （ 1） 精馏段 取板间距： H m， h m，则 1111 图史密斯关连图可知： 20C= 0(17 = s 取 1u s s整到 1D =而后力学验算时单板压降不符合要求），匀整到 1D = 2）提馏段 取板间距： TH m， Lh m，则 2222 查图史密斯关连图可知： 20C= 0( u= = 8 9 9 50 7 s 取 2u u=s s 整到 2D =塔塔径： D=截面积： 24 D塔流速： s s 塔高的设计计算 共开设 3 个人孔 ,其高度为 孔作为安装和检修人员进出塔的通道，其设置应当便于进出任何一层塔板。但由于设置人孔处塔板间距较大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难于达到要求，考虑到料液较清洁，无需经常清洗。 精馏段的有效高度为 15(1 （ 精精 m 18 提镏段有效塔高为 40(1 （ 提提 m 故精馏塔的有效高度为 提精 m 溢流装置 因塔径 D=选用单溢流方形降液管 堰长 取 溢流堰高度 选用平直堰 堰上液高度 3/2)(（近似 E =1） 精馏段： 3/2)(1 0 0 = 3/20 0 0(1 0 0 =馏段： 3/2)(100084.2= 3/20 107 6 0 0(1 0 0 =方形降液管的宽度和横截面 由 表可知 则： 算降液管内停留时间： 精馏段： 41 A 馏段： 42 A 19 两段停留时间 5s，故降液管可用。 液管底隙高度 精馏段：取降液管底隙流速为 um/s， 则 1馏段：取 um/s， 则 42为于 塔板布置和筛孔数目与排列 塔板分布 因为 D 馏段： 8 m u s 实际 孔速 s 稳定系数 m 以， K 2，所以塔内无明显漏液。 液沫夹带 用式 ( 计算液沫夹带量。 精馏段： fT s Lf / 提馏段： fT s Lf e / 所以，小于 /，所以本设计中液沫夹带量 塔板负荷性能图 漏液线 s m = = s 23 据此可以做出液体流量无关的水平漏液线 液沫夹带线 以 /为限，计算V 的关系 ( ， fT ， )(5.2 =)0 . 563 60 0 L(1 00 2 3/2s= (hH 化简后V 的关系为下： 3/V 通过以上关系式可以作出液沫夹带线。 液相负荷下限线 平直堰，取上堰液层高度 006.0为最小液体负荷标准。 由 )0 3 6 00 L(1 0 = s 据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。 液相负荷上限线 以 5s 作为液体在降液管中停留时间的下限， 0 0 2 a x, m3/s s 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线。 液泛线 通过下式计算液泛线 3/222 。 其中 2)( （其中 4 ）； wT 1( 24 2)/(153.0ow ；3/23 )3 6 0 0)(1(1084.2 将有关数据带入可以求得 1 5 4 4 60 0 0 5 0 5 222