5万吨年乙醇水精馏塔设计方案.doc

5万吨/年乙醇水精馏塔设计方案1.1 设计概述乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要的原料。在很多地方，要求乙醇有不同的浓度，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。所以，得到高纯度的乙醇很有必要。要想把低纯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。精馏是多次分离过程，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，塔内装有若干层塔板。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回流装置，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。1.2 塔设备的应用、分类及其特点塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境保护等各个方面都有重大影响。塔设备的设计和研究受到化工、炼油等行业的极大重视。塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要，为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔。长期以来，人们最常用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料塔两大类。板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，主要的塔型是浮阀塔、筛板塔和泡罩塔。1.2.1 泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有以下优点：（1）操作弹性大（2）无泄漏、液气比范围大（3）不易堵塞，能适应多种介质泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修不方便以及气相压力降较大。1.2.2 筛板塔筛板塔也是很早就出现的板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点：（1）生产能力大（提高2040）（2）塔板效率高（提高1015）（3）压力降低（降低3050），而且结构简单，塔盘造价减少40左右，安装维修都比较容易1.2.3 浮阀塔20世纪50年代起，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的蒸馏、脱吸等传质过程。浮阀塔之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：（1）处理能力大（2）操作弹性大（3）塔板效率高（4）压力降小其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。2 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，产品流量为5万吨/年，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 操作流程本次设计为常压操作，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凝器冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。为降低费用，塔釜采用直接蒸汽供热，不设再沸器，采用鼓泡管，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程如附录B所示。精馏装置有精馏塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器、贮槽等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与部分冷凝进行精馏分离，由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。433 精馏塔的工艺设计3.1 全塔物料衡算3.1.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 进料液流量 进料组成 (质量分率)塔顶组成 (质量分率)塔底组成 (质量分率)3.1.2 进料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量3.1.3 物料衡算年实际生产天数为330天，每天工作24小时，则: (3-1) (3-2)联立两式，得塔顶产品流量：塔底残液流量：3.2 常压下乙醇-水气、液平衡组成与温度关系表3-1 常压下乙醇-水的气、液平衡组成液相中乙醇的摩尔分数/x气相中乙醇的摩尔分数/y温度t/001001.91795.57.2138.91899.6643.7586.712.3847.0485.316.6150.8984.123.3754.4582.726.0855.882.332.7359.2681.539.6561.2280.750.7965.6479.851.9865.9979.757.3268.4179.367.6373.8578.7474.7278.1578.4189.4389.4378.153.2.1 温度利用表3-1中数据，由拉格朗日插值可求得： ： ： 精馏段平均温度： 提馏段平均温度： 3.2.2 平均摩尔质量精馏段：液相组成 气相组成 所以 提馏段：液相组成 气相组成 所以 3.2.3 密度已知，混合液密度：(为质量分率，为平均相对分子质量)，不同温度下乙醇和水的密度见表3-2。混合气密度：表3-2 不同温度下乙醇和水的密度温度t/乙醇的密度水的密度温度t/乙醇的密度水的密度80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下的乙醇和水的密度。：,：,在精馏段，液相密度: 代入数据，求得：气相密度：在提馏段，液相密度: 代入数据，求得：气相密度：3.2.4 表面张力不同温度下乙醇和水的表面张力见表3-3。二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算。公式: 注：,，,式中下角标，w、o、s分别代表水、有机物及表面部分，、指主体部分的分子数，、为主体部分的分子体积，、为纯水、有机物的表面张力，对于乙醇。表3-3 不同温度下乙醇和水的表面张力温度t/乙醇的表面张力/水的表面张力/701864.380171562.69016.260.710015.258.8精馏段，：乙醇的表面张力： 水的表面张力： 因为,所以联立方程组，代入求得：，提馏段，：乙醇的表面张力： 水的表面张力： 因为,所以联立方程组，代入求得：，3.2.5 黏度，查表3-4得：，查表3-4得：，表3-4 不同温度下乙醇和水的黏度温度t/乙醇的黏度/水的黏度/600.6010.4688800.4950.35651000.3610.2838精馏段黏度：提馏段黏度：3.2.6 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 3.3 塔板数的计算3.3.1 回流比将表3-1中数据作图得x-y、t-x(y)曲线，如图3-1、图3-2所示。为方便计算机计算，在乙醇-水物系的x-y曲线中，以A(0.124，0.470)点为分界线，将该曲线分成OA和AB两段，将其对应段曲线拟合成以下两式表示。OA段:AB段:在x-y图上，过点B（0.894,0.894）作相平衡曲线的切线BD,与y轴的交点为D（0,0.2），则取操作的回流比为最小回流比的1.5倍，即3.3.2 气、液相负荷精馏段：提馏段：3.3.3 气、液体积流量精馏段：提馏段：3.3.4 操作线方程本设计采用直接蒸汽加热： 恒摩尔物流假设：精馏段 提馏段 3.3.5 理论塔板数精馏段：操作线方程1：AB段方程2：采用逐板计算法：将代入方程2中试差，解得。将代入方程1中，解得。将代入方程2中试差，解得。将代入方程1中，解得。计算结果如表3-5所示。 因此，精馏段理论塔板数为22块，提馏段理论塔板数为3块，从第23块进料，总理论板层数为块。3.3.6 实际塔板数精馏段：已知： 所以： 取44块。提馏段：已知： 所以： 取8块。所以实际塔板数为:，加料板位置在第45块塔板。3.3.7 全塔效率全塔效率：表3-5 乙醇-水物系理论板数的逐板计算结果精馏段块精馏段块理论板序号液相组成气相组成理论板序号液相组成气相组成10.8550.856150.7650.78120.8500.851160.7510.76930.8450.847170.7330.75440.8400.843180.7080.73450.8350.839190.6720.70360.8300.835200.6120.65470.8250.831210.4980.55980.8200.826220.2690.36890.8140.822提馏段块100.8080.817理论板序号液相组成气相组成110.8010.811230.06150.0881120.7940.805240.00910.0121130.7860.798250.00110.0007140.7770.7914 精馏塔主体尺寸的计算4.1 塔径精馏段：横坐标：（液气动能参数）取板间距，板上清液高度,则分离空间为。查史密斯关联图，得,则(气体负荷因子)泛点气速:取安全系数为0.7，则操作气速为：塔径：圆整后，塔截面积：实际操作气速：提馏段：横坐标：（液气动能参数）取板间距，板上清液高度,则分离空间为。查史密斯关联图，得,则(气体负荷因子)泛点气速:取安全系数为0.7，则操作气速为：塔径：圆整后，塔截面积：实际操作气速：4.2 有效高度塔的有效高度(不包括裙座、上封头)：由于物料清洁，无需经常清洗设备，所以每隔8块塔板设置一人孔，则人孔数为，取6个。人孔间距取,塔顶空间，加料板空间。 塔底空间：一般取釜液上方气液分离空间为1.0m，釜液停留时间为5分钟。 液柱高度:所以,取，则4.3 溢流装置本设计选用单溢流，弓形降液管，凹形受液盘，平直型溢流堰，不设进口堰。因为弓形降液管具有较大容积，又能充分利用塔面积，且单溢流液体流径长，塔板效率高，结构简单，广泛用于直径小于2.2米的塔中。4.3.1 溢流堰长取4.3.2 出口堰高，近似取E=1 精馏段：（满足要求） 所以，提馏段：（满足要求） 所以，4.3.3 降液管宽度及降液管面积由，查图，得， 故：液体在降液管内停留时间为：精馏段：，满足要求。提馏段：，满足要求。4.3.4 降液管底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：精馏段： 故设计合理提馏段： 故设计合理4.4 塔板布置4.4.1 塔板分布本设计塔径，采用分块式塔板,以便通过人孔装拆塔板，分成5块。4.4.2 边缘区宽度与安定区宽度取，。4.4.3 开孔区面积其中，4.4.4 筛孔数及其排列乙醇-水对设备无腐蚀性，可选用的碳钢板，正三角形排列，取，故孔中心距：开孔率：每层塔板上的开孔面积：每层塔板的开孔数为：气体通过筛孔的气速：精馏段， 提馏段，5 塔板的流体力学验算5.1 压降校核5.1.1 干板阻力(板厚取3mm) 查图，得 精馏段:提馏段:5.1.2 气体通过液层阻力 精馏段：查图得， 提馏段：查图得， 5.1.3 液体表面张力阻力精馏段：提馏段：5.1.4 单板压降精馏段：提馏段：本设计为常压操作，所以单板压降对此设计无影响。5.2 液沫夹带精馏段：操作气速： 液泛气速：所以，液泛分率：查图，得 液沫夹带分率： 符合要求雾沫夹带量 符合要求提馏段：操作气速： 液泛气速：所以，液泛分率：查图，得 液沫夹带分率： 符合要求雾沫夹带量 符合要求5.3 漏液稳定系数 精馏段： 故无明显漏液提馏段： 故无明显漏液5.4 液泛为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度其中， 取精馏段：故不会产生液泛。提馏段：故不会产生液泛。6 负荷性能图6.1 液沫夹带线令，则精馏段： 整理，得表6-1-1 液沫夹带线物性数据，00.0040.0080.0120.0160.020，4.65674.09003.75713.47793.22872.9996提馏段： 整理，得表6-1-2 液沫夹带线物性数据，00.0040.0080.0120.0160.020，5.46124.79504.40364.07543.78243.51326.2 液泛线（气相负荷上限线）取作液泛线。精馏段：所以，表6-2-1 液泛线物性数据，00.0040.0080.0120.0160.020，5.27524.83694.51984.19113.82443.3967提馏段：所以， 表6-2-2 液泛线物性数据，00.0040.0080.0120.0160.020，6.24405.71255.32514.92044.46523.92856.3 液相负荷上限线停留时间取5s6.4 漏液线（气相负荷下限线）精馏段：所以，整理，得 表6-4-1 漏液线物性数据，00.0040.0080.0120.0160.020，1.47231.58291.64441.69431.73761.7764提馏段：所以，整理，得 表6-4-2 漏液线物性数据，00.0040.0080.0120.0160.020，1.76061.89341.96732.02712.07912.12586.5 液相负荷下限线本设计采用平直堰，取时，液体流量达到下限。即，则6.6 操作线精馏段：P为操作点，坐标为： OP为操作线，OP与液沫夹带线交点对应气相负荷为，与漏液线交点对应气相负荷为，可知：精馏段操作弹性提馏段：P为操作点，坐标为： OP为操作线，OP与液沫夹带线交点对应气相负荷为，与漏液线交点对应气相负荷为，可知：提馏段操作弹性 7 塔附件设计7.1 接管7.1.1 进料管本设计采用直管进料管。管径:用泵输送时，取 。由 ，查手册用内插法得： 进料板液相平均密度:查标准系列，选取，GB8163-87，。7.1.2 回流管本设计采用直管进料管。管径:用泵输送时，取 。由，查手册用内插法得： 塔顶液相平均密度:查标准系列，选取，GB8163-87，。7.1.3 塔釜出料管本设计采用直管出料管。管径:用泵输送时，取。由 ，查手册用内插法得： 塔底液相平均密度:查标准系列，选取，GB8163-87，7.1.4 塔顶蒸汽出料管塔顶上升蒸汽的体积流量：，取。查标准系列，选取，GB8163-87，7.1.5 塔釜进料管本设计采用直管出料管。进入塔底蒸汽的体积流量：饱和水蒸汽压小于245KPa（表压），取 。 查标准系列，选取，GB8163-87，7.1.6 法兰由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。进料管接管法兰：回流管接管法兰：塔釜出料管法兰：塔顶蒸汽管法兰：塔釜蒸汽进气法兰：7.2 筒体与封头7.2.1 筒体壁厚选，所用材质为。7.2.2 封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径，查得：曲面高度，直边高度，内表面积，容积。选用封头，。7.3 除沫器本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大、质量轻、空隙大及使用方便等优点。设计气速选取：，系数除沫器直径：选取不锈钢除沫器：类型：标准型；规格：40100；材料：不锈钢丝（）；丝网尺寸：圆丝。7.4 裙座塔底采用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，本设计选用圆筒形裙座，裙座高度取4.0m，壁厚取6mm。基础环内径：基础环外径：圆整：，；基础环厚度取18mm,地脚螺栓直径取。7.5 吊柱本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径，可选用吊柱500kg。，材料为。7.6 人孔本塔中共有52块塔板，一般间隔8到10块塔板才设一个人孔，需设置6个人孔。每个孔的直径为450mm,并且开人孔处板间距为700mm。8 附属设备8.1 冷凝器（1）热负荷塔顶，查该温度下：乙醇的汽化潜热为:水的汽化潜热为:平均汽化潜热为:（2）冷却水的用量取冷却水的进口温度为30，出口温度为45，水的比热容为，则:（3）总传热系数K查表，得：取（4）泡点回流时的平均温差（5）换热面积根据换热面积选择设备型号：LN-548.2 预热器以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量可记为：其中，（设原料液的温度为38摄氏度）在进出预热器的平均温度以及的情况下，可以查得比热，所以：釜残液放出的热量：若将釜残液温度降至，那么平均温度：，其比热为：，因此，可知，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点。序号项目单位计算结果精馏段提馏段1平均温度80.391188.86852气相平均密度Kg/m31.22850.97733液相平均密度Kg/m3800.4238914.86044液相平均表面张力mN/m20.871035.02315液相平均黏度mPa.s0.41460.32936相对挥发度KPa2.18978.12387平均流量气相m3/s3.41523.3156液相m3/s0.00370.00368理论塔板数块2239实际板数块44810塔高m26.811塔径m1.812板间距m0.450.4513降液管形式弓形降液管弓形降液管14空塔气速m/s2.23692.975415溢流装置溢流形式单溢流单溢流16溢流堰长度m1.1717溢流堰高度m0.05560.055918板上液层度m0.0719安定区宽度m0.07520边缘区宽度m0.0521开孔区面积m21.401922筛孔直径m0.00523筛孔个数个719724筛孔气速m/s24.169923.465025塔板分布块526开孔率0.100827孔心距m0.01528筛孔排列方式m正三角形29塔板压降Pa887.3817.630液体在降液管停留时间s21.660822.262531降液管底隙高度m0.01040.011932液相负荷上限m3/s0.016033液相负荷下限m3/s0.001034降液管宽度m0.22535降液管面积m20.178136操作弹性2.70002.63899 设计结果汇总表10 设计小结毕业设计是一次理论与实际的结合。此次设计巩固了我在大学期间所学的大部分专业知识，并检验了我运用综合知识解决实际问题的能力。在此过程中，我通过查阅各种书籍、资料，自主的寻找所需要的数据、图表，充分地将所学的理论知识运用到实践中，达到了学以致用，并增强了我自主学习的能力，锻炼了我的逻辑思维。并且，这次设计帮助我更好的熟悉了WORD、EXCEL、CAD的操作。此外，虽然这次设计困难重重，但我通过图书、电脑查阅各种资料，向老师、同学请教，一一克服了这些问题。这次设计不仅使我学到了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，而且大大提高了我动手、动脑、与人沟通、协作的能力，使我充分体会到了在创造过程中，探索的艰难和成功时的喜悦。通过这次设计，我明白了实践对理论知识的重要性，也懂得了理论在实践中的指导意义。此次的毕业设计，使我对化工设计有了更深刻的认识。通过这段时间的努力和老师、同学们的帮助，我顺利的完成了此次毕业设计。在整个设计过程中，我所学到的东西是这次毕业设计中最大收获，也是我人生中宝贵的财富，将使我受益终生。致谢走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，四年多的努力与付出，随着本次毕业设计的完成，将要划下完美的句号。本毕业设计在我的指导老师吴娟老师和闫龙成老师的悉心指导和严格要求下完成了，从课题的选择到具体的设计过程，设计初期、中期的检查及后期的修改，无不凝聚着吴娟老师的心血和汗水。在我的毕业设计期间，老师为我提供了种种专业知识上的指导和建议，老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助、关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向吴娟老师表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我才能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业设计。我还要感谢多位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们的帮助和支持，在此我表示深深地感谢。参考文献1 付家新，王为国，肖稳发化工原理课程设计M北京：化学工业出版社，2010111811922 陈均志，李磊化工原理实验及课程设计M北京：化学工业出版社，200871571683 马江权，冷一欣化工原理课程设计M第二版北京：中国石化出版社，201111281454 谭天恩，窦梅，周明华化工原理上册M第三版北京：化学工业出版社，20065 谭天恩，窦梅，周明华