乙醇和水精馏实验课程设计.doc

乙醇与水连续筛板精馏塔 题目：醇-水溶液连续精馏塔优化设计 班级：1014102 专业：化学工程与工艺 姓名：姚亚丽 学号：101410209 指导教老师：陈湘 设计时间：2013.1.32013.1.11 目录第一章：序言.4第二章 设计方案的确定及流程说明62.1塔型选择62.2操作流程6第三章 塔的工艺计算73.1整理有关数据并绘制相关表格73.2全塔物料衡算93.3最小回流比与操作回流比103.4理论塔板数的确定113.5全塔效率的估算113.6实际塔板数的求取13第四章 塔的工艺条件及物性计算134.1平均摩尔质量134.2平均密度14 4.3液体表面张力154.4汽液相体积流率174.5塔径的计算174.6精馏塔高度的计算21第五章 塔板主要工艺尺寸的计算235.1 溢流装置245.2 塔板布置25第六章 塔板的流体力学验算276.1 气体通过塔板的压力降hp液柱276.2 液面落差286.3 液沫夹带（雾沫夹带）286.4 漏液296.5 液泛29第七章 塔板负荷性能图317.1漏液线317.2液沫夹带线317.3液相负荷下限线327.4液相负荷上限线327.5液泛线32第八章 各接管尺寸的确定及选型358.1进料管尺寸的计算及选型358.2釜液出口管尺寸的计算及选型358.3回流管尺寸的计算及选型358.4塔顶蒸汽出口径及选型36第九章 精馏塔的主要附属设备379.1冷凝器38 9.2再沸器38设计结果一览表39 设计总结与体会.40 参考文献.41 第一章 序言 化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程（物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，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，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。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-水连续精馏筛板塔的设计，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。乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇必须通过一定的方法。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，最简单的方法就是用连续精馏的方法，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精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。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，才能实现整个操作。课程设计是化工原理课程的一个非常重要的实践教学内容。不仅能够培养学生运用所学的化工生产的理论知识，解决生产中实际问题的能力，还能够培养学生的工程意识。更能培养我们的创新意识、严谨认真的学习态度。是对我们进行的一次综合性设计训练。通过对乙醇连续精馏塔的设计,增加对化工生产过程的了解以及对化工原理这门课程的认识。 第二章、设计方案的确定及流程说明2.1 塔型选择根据生产任务，若按年工作日330天，每天开动设备24小时计算，年处理量为5万吨，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，选用筛板塔。2.2 操作流程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。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。流程示意图如下图（图一）第三 章、塔的工艺计算3.1整理有关数据并绘制相关表格：乙醇和水的汽液平衡数据（101.3KPa即760mmHg）不同温度下乙醇和水的汽液平衡组成数据如下（表1）液相摩尔分数x气相摩尔分数y温度/液相摩尔分数x气相摩尔分数y温度/0.000.001000.32730.582681.50.01900.170095.50.39650.612280.70.07210.389189.00.50790.656479.80.09660.437586.70.51980.659979.70.12380.470485.30.57320.684179.30.16610.508984.10.67630.738578.740.23370.544582.70.74720.781578.410.26080.558082.30.89430.894378.15根据以上数据画出以下乙醇与水的t-x（y）相平衡图（图2）及乙醇与水的x-y（图3）：图33.2全塔物料衡算原料液中： 设A组分乙醇；B组分水乙醇的摩尔质量：M乙=46.07 kg/kmol；水的摩尔质量： M水=18.02 kg/kmol3.2.1查阅文献，整理相关的物性数据水和乙醇的物理性质（表2）名称分子式相对分子质量密度20沸 点101.33kPa比热容(20)Kg/(kg.)黏度(20)mPa.s导热系数(20)/(m.)表面张力(20)N/m水18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.83.2.2塔顶，进料液，塔底的摩尔分数原料液以及塔顶,塔底产品的平均摩尔质量3.2.3 物料衡算 进料量F=5万吨/年=0.0373 kmol/s 全塔总物料衡算 F=D+W 易挥发组分物料衡算 联立以上二式得：D=0.01705kmol/s W=0.05665kmol/s3.3 最小回流比Rmin和操作回流比由相平衡方程式可得取乙醇和水的气液平衡数据若干组代入上式并求其。=3.38 则=2.60故取操作回流比 R=2.60操作方程的确定精馏段：提馏段： 提馏段操作线方程： q线方程：x=xq=xF=0.20693.4理论塔板数的确定理论板：指离开此板的气液两相平衡，而且塔板上液相组成均匀。用逐板计算法计算理论塔板数：平衡方程y1=0.8814 x1=0.6874y2=0.7349 x2=0.4506y3=0.5644 x3=0.2771y4=0.4395 x4=0.1883x4=0.18830.2069即第四层理论板为进料板，一般进料板作为提馏段，则精馏段理论板数为3.平衡方程提馏段操作线方程：x1=0.1883 y2=0.3585 x2=0.1419y3=0.2693 x3=0.0983y4=0.1854 x4=0.0631y5=0.1177 x5=0.0380y6=0.0695 x6=0.0216y7=0.0379 x7=0.01152y8=0.01855 x8=0.0056y9=0.0072 x9=0.00214 x9=0.002141000mm每隔6-8个塔板设一个人孔，则本设计需要3个人孔，每个人孔直径为450mm人孔处板间距=600mm5. 进料处板间距=800mm6. 裙座（圆筒形）裙座内经大于800mm,故取壁厚16mm基础环内经基础环外径圆整后 考虑到再沸器取=2500mm塔体总高 H= 第五章、塔板主要工艺尺寸的计算5.1溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。塔径：D=1.4m5.1.1溢流堰长单溢流：，取堰长=0.65D，即=0.651.4=0.91 m5.1.2溢流堰出口堰高hW=hL-hOW 选用平直堰，堰上液层高度可用Francis计算，即精馏段： Lh= 6.61m3/h,所以 Lh/lW2.3=7.04, =0.65液流收缩系数计算图图12查上图得:E=1.023，则 依式hOW=，得hOW=0.011m取板上清夜层高度，故hW=0.07-0.011=0.059m提馏段： /hLh/lW2.5=5.44查得:E=1.005，则hOW=0.009m取板上清夜层高度，故=0.07-0.009=0.061m5.1.3降液管宽度Wd和截面积弓形降液管参数图 图13因为，查上图得：Wd/D=0.125,Af/AT =0.071，所以 Wd=0.125D=0.175mAf=0.0711.593=0.1093m2由式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即精馏段：=26.79s5s提馏段： =34.64s5s故降液管设计合理。5.1.4降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速为0.1m/s依式得：精馏段：=0.020m,即20mm提馏段： =0.0156 m，取=20mm故降液管底隙高度设计合理。5.2.塔板布置5.2.1 塔板的分块 本设计塔径D=1.4m，故塔板采用分块式，以便通过入孔装拆塔板。查表得，塔板分为4块。 表十一 塔板分块数塔径/mm8001200140016001800200022002400塔板分块数34565.2.2 边缘区宽度的确定取边缘区宽度：Wc=0.03m，溢流堰前的安定区宽度：Ws=0.07m5.2.3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算：其中= =0.455m=0.67m=1.117m25.2.4 筛板的筛孔和开孔率因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛空直径d0=5mm筛空按正三角排列，孔中心距t=3d0=35=15mm 筛孔数目 开孔率 （在5-15%范围内）气体通过筛孔的气速为 则 精馏段 提馏段 第六章、塔板的流体力学验算6.1 气体通过塔板的压力降液柱气体通过塔板的压力降(单板压降)气体通过每层塔板压降相当的液柱高度，m液柱气体通过筛板的干板压降，m液柱气体通过板上液层的阻力，m液柱克服液体表面张力的阻力，m液柱6.1.1 干板阻力干板压降 =筛孔气速，m/s孔流系数分别为气液相密度，Kg/m3 塔板孔流系数图14根据/=5/3=1.67 查干筛孔的流量系数图C0 =0.78精馏段 液柱提馏段 液柱6.1.2 板上充气液层阻力板上液层阻力用下面的公式计算：板上清液层高度，m反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数取=0.5 =0.07m 则 精馏段 hl=0.50.07=0.035m提馏段 hl=0.50.07=0.035m6.1.3 由表面张力引起的阻力忽略不计。6.1.4与气体流经塔板的压降相当的液柱高度为 精馏段： 提馏段： 6.2 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和流量均不大，故可忽略液面落差的影响6.3 液沫夹带（雾沫夹带）精馏段 泛点率= 板上液体流经的长度 =D-=1.05m 板上液流面积 取物性参数K=1.0 泛点负荷系数=0.103 则泛点率=1.5-2.0u0 筛孔气速 uow漏液点气速（1）精馏段实际孔速稳定系数为 （2）提馏段 实际孔速稳定系数为故在本设计中无明显漏液。6.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从的关系 乙醇-水组分为不易发泡体系 故取0.5（1）精馏段 又板上不设进口堰=液体通过塔板的压降相当的液柱高度 hd=0.153（)2=0.00156m单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度 =0.071m板上液层高度 =0.07mHd=0.071+0.00156+0.07=0.14256m液柱 （2）提馏段液体通过塔板的压降相当的液柱高度 hd=0.153（)2=0.00146m单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度 =0.068m板上液层高度 =0.07mHd=0.068+0.07+0.00146=0.1395m液柱故在本设计中不会发生液泛现象 第七章、塔板负荷性能图7.1漏液线 得精馏段代入数据 同理提馏段：7.2液沫夹带线 泛点率=作出液沫夹带线按80%计算（1） 精馏段 0.8= 为一直线（2） 提馏段：0.8= 为一直线精馏段提留段/0.00022.6883.544/0.0012.39823.171可作出液沫夹带线。7.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006m作最小液体负荷标准，由=据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限。7.4液相负荷上限线液体的最大流量应保证再降液管内停留时间不低于3到5秒以5s 作为液体在降液管中停留时间的下限据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线。7.5液泛线令 ， 联立得 （1） 精馏段： 解得 （2）提馏段： 解得 取若干个Ls值，计算相应的Vs值。结果如下：精馏段提留段/Vs/Vs/ 0.001 4.22 0.001 4.27 0.003 4.16 0.003 3.14 0.004 4.13 0.004 3.07 0.007 4.03 0.007 2.89 根据以上各线方程，可做出筛板塔的精馏段负荷性能图如下：由图可知：故操作弹性为Vs，max/Vs，min=2.8/0.3=9.332提馏段负荷性能图：由图可知：故操作弹性为Vs，max/Vs，min=3.5/0.3=11.66 第八章、各接管尺寸的确定及选型8.1进料管尺寸的计算及选型则 Kg/m3则其体积流量：取馆内流速：则进料管管径：则可选择进料管 423规格的热扎无缝钢管。8.2回流管尺寸的计算及选型 采用直管回流管 取釜液出塔的速度ul=1.6m/s =747.38 Kg/m3则釜液出口管管径：则可选择釜液出口管423规格热轧无缝钢管。8.3釜液出料管尺寸的计算及选型取釜液出塔的速度uw=1.0m/s=955.17 Kg/m3则釜液出口管管径：则可选择回流管423规格热轧无缝钢管。8.4塔底蒸汽出口径及选型Kg/m3采用直管进气，取适当流速 u=23m/sd=所选规格为：3518热轧无缝钢管。8.5塔顶蒸汽出口径及选型Kg/m3采用直管出气，取适当流速 u=20m/s所选规格为：4028热轧无缝钢管。 第九章、精馏塔的主要附属设备9.1热量衡算比热容及汽化潜热的计算9.1.1塔顶温度下的比热容 插值法计算 同理进料温度下的比热容 塔底温度下的比热容 塔顶温度下的汽化潜热 9.1.2热量衡算时塔顶上升的热量回流液的热量塔顶馏出液的热量 塔底残夜的热量冷凝器消耗的热量再沸器提供的热量 塔釜热损失为10%=7284699.07KJ/h9.2冷凝器（1）冷凝器的选择：强制循环式冷凝器 冷凝器置于塔下部适当位置，用泵向塔顶送回流冷凝水，在冷凝器和泵之间需设回流罐，这样可以减少台架，且便于维修、安装，造价不高。T=78.17时查表得r=2493KJ/Kg则 =6384322.6KJ/h取水为冷凝器介质其进出冷凝器的温度为25和40 出料液温度78.17饱和气体到78.17饱和蒸汽所以，传热面积： A= =45.26 A=48.21取安全系数1.04 A=50.14 因此选用BES 600-1.6-108-6/19 2II浮头式换热器。9.3再沸器选用120饱和水蒸气加热，传热系数取K取700Wm-2/料液温度：99.99100，水蒸汽温度：120120逆流操作：则=20.00QB=7284699.07KJ/h A=124.48取安全系数1.04 A=129.46选用BES 1000-1.6-311-6/19 4II浮头式换热器。设计结果一览表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均温度80.71491.623平均流量气相VSm3/s1.881.94液相LSm3/s0.0018360.00142实际塔板数N块310板间距HTm0.450.45塔径Dm1.41.4空塔气速um/s1.221.1113塔板液流形式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长lwm0.910.91堰高hwm0.0590.061溢流堰宽度Wdm0.1750.175管底与受液盘距离hom0.020.0156板上清液层高度hLm0.142560.1395孔径domm5.05.0孔中心距tmm15.015.0孔数n孔57495749开孔面积m21.1171.117筛孔气速uom/s16.7117.25塔板压降hPkPa0.560.60液体在降液管中停留时间s26.7934.64降液管内清液层高度Hdm0.1080.112雾沫夹带eVkg液/kg气0.08790.0641负荷上限液沫夹带控制液沫夹带控制负荷下限液相负荷下限控制漏液控制气相最大负荷VSmaxm3/s2.7613.65气相最小负