乙醇混合物化工原理设计方案.doc

乙醇混合物化工原理设计方案设计计算1设计方案选定本设计任务为分离水乙醇混合物。 原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至84后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却至25后送至产品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。1精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。2操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于乙醇和水这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。3塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降较低，在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。4加料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。5由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。6再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至65度回流入塔。冷凝冷却器安装在较低的框架上，通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，馏出产品进入储罐。塔釜产品接近纯水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备稀释其他工段污水排放。3.2 精馏塔的物料衡算原料液处理量为200t/d,塔顶产品纯度90%。原料70%（w/w）乙醇水溶液，釜残液含乙醇0.1%（w/w）的水溶液。分子量M水=18 kg/kmol；M乙醇=46 kg/kmol。1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料摩尔分数：xF=（0.70/46）/(0.70/46+0.30/18)=0.4773塔顶摩尔分数 ： xD=（0.9/46）/（0.9/46+0.1/18）=0.779塔釜残液的摩尔分数： xW=(0.001/46)/(0.001/46+0.999/18)=0.00042 原料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.4773*46+(1-0.4773)*18=31.363kg/kmolMD=0.779*46+(1-0.779)*18=39.812 kg/kmolMW=0.0004*46+(1-0.0004)*18=18.0112kg/kmol3 物料衡算 原料的处理量 F=200*1000/31.363/24=265.706kmol/h总物料衡算 F=D+W乙醇的物料衡算 解得： 塔顶采出量 D=162.852kmol/h 塔底采出量 W=102.854kmol/h3.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1.理论塔板数NT 的求取 确定回流比R乙醇水属于理想物系，可采用图解法求回流比R和理论塔板数。 确定理论塔板数。结果见上图，得理论塔板数NT =10块（不包括再沸器），精馏段5块，提馏段5块（不包括再沸器）2精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.1）精馏段、提馏段平均温度计算用拉格朗日差值法，求2）.密度的计算已知：混合液密度（为质量百分率） 混合气密度（为平均相对分子质量）精馏段：液相组成: 气相组成：3）气液相平均摩尔质量分别为 提馏段： 液相组成： 气相组成： 所以，气液相平均摩尔质量分别为 4）液体平均表面张力的计算塔顶表面平均张力由T=78.35查手册由插值法得：水=62.9mN/m, 乙醇=18.0mN/mmd=18.00.779+62.9(1-0.779)=27.923mN/m进料板的表面张力由T=80.047查手册得：水=61.8103N/m,乙醇=18.28 103N/mmF=18.280.477361.8 (1-0.4773)41.028mN/m精馏段的液相平均表面张力LM1 =（27.923+41.028）/2=34.475mN/m塔釜表面张力由T=99.905查图表得： 水=58.9 乙醇=15.3 mw=15.3*0.0004+58.9*（1-0.0004）=58.883提馏段的液相平均表面张力LM2=(mF+ mw)/2=49.9565 ）混合物黏度的计算对乙醇，有黏度公式： 精馏段：t1=79.2根据插值法可得： 1=乙醇1*x1+水1*（1-x1）=0.5*0.5916+0.357*（1-0.5916）=0.4416提馏段：t2=89.976,2水=0.321， 2乙醇=0.4292=乙醇2*x2+水2*（1-x2）=0.429*0.0637+0.321*（1-0.0637）=0.32796） 相对挥发对的计算相对挥发对 精馏段：x1=0.5916 y1=0.6938 a1=1.564提馏段： x2=0.0637 y2=0.3546 a2=8.0767）全塔效率和实际塔板数8）操作压强故进料板为从塔顶往下的第6层理论板 即=6总理论板层数 NT=10 不包括再沸器塔顶压强：PD=101.3 kpa 取每层塔板压降:P=0.7 kpa 则 进料板压力: PF=101.3+0.7*10=108.3KPa 塔釜 压力: Pw=101.3+0.7*22=116.7kpa 则 精馏段的平均操作压强: Pm1 = (101.3+108.3)/2=104.8 提馏段的平均操作压强: Pm2=(116.7+108.3)/2 =112.5 9)精馏塔各组分的密度气相平均密度 由 计算： 精馏段的气相平均密度： =104.8*37.43/8.314/(79.2+293.15)=1.27 提馏段的气相平均密度：=112.5*27.93/8.314/(90+273.15)=1.04 液相的平均密度 由 计算 （1.）对于塔顶 tD=78.35 查文献 ， 质量分率 aB=1-aA=0.1 则 =769.2 （2.）对于进料板 tF=80.047 查文献 ， 质量分率 则 （3.）对于塔釜 查文献 ， 质量分率 则 则 精馏段的液相平均密度： 提馏段的液相平均密度： 10) 气液相体积流量计算精馏段： R=2.62 L=DR=426.672 L=L=426.672 V=(R+1)D=3.62*162.852=589.524 V=V+F V=V-F=323.82 体积流量 草稿纸3提馏段： 体积流量 4.25 塔径和塔高的计算塔径的初步设计取板间距，板上液层高度，安全系数。精馏段：流动参数草稿纸4查史密斯关联图则 塔径，圆整塔截面积 实际空塔气速 提馏段：流动参数查史密斯关联图则 塔径，圆整塔截面积 实际空塔气速 5.2 精馏塔有效高度的计算精馏段的有效高度Z精=（N精-1）HT=(10-1)0.45 = 4.05 m提馏段的有效高度Z提=（N提-1）HT=（13-1）0.4 5= 5.4m在进料板的上方开人孔其高度为=0.8m,故精馏段的有效高度为： Z= Z精+ Z提+0.8=10.2511m6. 塔板主要工艺尺寸的计算 6.1 溢流装置的计算：因塔径和流体量适中，选取单溢流弓形降管。堰长 取=0.66*D=0.66*1.9=1.25m溢流堰高度由 选用平直堰，堰上液层高度采用弗兰西斯溢流堰经验公式求堰上液层高度精馏段： 草稿5堰高 提馏段： 堰高 弓形降液管宽度和截面积由 查化工原理课程设计图5-7得 故验算液体在降液管中的停留时间，精馏段， 草稿纸6提馏段， 故降液管符合要求。降液管底隙高度故降液管底隙高度设计合理 6.2塔板布置边缘宽度的确定，查化工原理课程设计 取 Wc=0.05m，所以开孔的面积代入式中解得：=2.05 筛孔的计算筛孔的孔径，孔中心距 t为 依式计算塔板上的筛孔数，即 2638孔，0.76换成2.05依式计算塔板上开孔区的开孔率，即每层塔板上的开孔面积为 =0.101*2.05=0.207气体通过精馏段筛孔的气速 u0=Vs/Ao=4.826/0.207=23.31气体通过提馏段筛孔的气速 u=v/Ao=2.416/0.207=11.674.5 筛板的流体力学验算4.5.1 气体通过筛板压强降相当的液柱高度 精馏段：干板压强降相当的液柱高度依d0/=10/3=3.33 查图，得c0=0.73 草稿7气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度 2.28 2.57查图得板上液层充气系数为0.57则 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度0.0018故 =0.0845+0.04275+0.0018=0.129 单板压强降 =0.129*781.43*9.81=988.89提馏段：干板压强降相当的液柱高度 查图，得c0=0.73 0.015气流穿过板上液层压强降相当的液柱高度 0.92 =0.92*1.04的开方=0.938查图得板上液层充气系数为则 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度0.0023故 =0.015+0.0435+0.0023=0.06 单板压强降=0.06*875.8*9.81=515.4964.5.2 精馏段雾沫夹带量的验算精馏段： 故精馏段在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。提馏段: 故提馏段在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。4.5.3 漏液的验算精馏段： 筛板的稳定性系数故精馏段在设计负荷下不会产生过量漏液。提馏段： 筛板的稳定性系数故提馏段在设计负荷下不会产生过量漏液。4.5.4 液泛验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度。精馏段： 草稿8取故，在设计负荷下不会发生液泛。提留段： 取故，在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精馏塔塔径及各工艺尺寸是合适的。4.6 塔板负荷性能图4.6.1 雾沫夹带线草稿9 其中， 精馏段：近似取 取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知 解得 提馏段：近似取则 取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知 解得 精馏段0.000065.8770.00155.5540.0035.3390.00455.1590.0094.7120.0154.222提馏段0.000066.2770.00155.9140.0035.6730.00455.4710.0094.9690.0154.419依表中数据在图中作出雾沫夹带线（1）。4.6.2 液泛线联立式及式得草稿10近似取，由式得， 故，由式由式精馏段：提馏段： 由式及式得精馏段：故 由式 提馏段：故 由式 精馏段0.000060.4200.00150.3680.0030.3000.00450.206提馏段0.000060.6730.00150.5980.0030.5130.00450.406依表中数据在图中作出液泛线（2）。4.6.3 液相负荷上限线取液体在降液管中停留时间为则依上式在图中作出液相负荷上限线（3）。由图得知液相负荷上限线（3）在坐标图上为与气体流量无关的垂直线。4.6.4 漏液线（气相负荷下限线）精馏段： 提馏段：精馏段0.000060.79830.00150.83510.0030.85870.00450.8780提馏段0.000060.94710.00150.99680.0031.02860.00451.0545依表中数据在图中作出气相负荷下限线（4）。4.6.5 液相负荷下限线取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，取，则整理上式得，依上式在图中作出液相负荷下限线（5）。由图得知液相负荷下限线（5）在坐标图上为与气体流量无关的垂直线。由塔板负荷性能图可以看出：在任务规定的气液负荷下的操作点P处在适宜操作区内的适中位置；塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由漏液控制；按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限精馏段操作弹性提馏段操作弹性五、精馏塔附属设备的设计选型 1、换热器的计算与选型换热器包括塔顶全凝器、塔底再沸器、原料加热器，下面分别对各个换热器进行计算并且选取适合的设备型号。1.1 塔顶全凝器 假设本设计塔顶采用泡点回流，用25 C的冷却水循环冷却，冷却水升温15C；操作方式为逆流操作。塔顶温度78.35C，冷却水温度变化为25 C40 C。查图可知78.35C下乙醇和水的汽化热分别为：857kJ/kg=85746.07=39482kJ/kmol2357 kJ/kg=235718.02=42473 kJ/kmol逆流：塔顶 t 78.35C 78.35C C 水 t 40 C 25 C 53.35CC对塔顶冷凝部分混合物（溜出液）进行热量衡算，可得到 0.1638*0.779*39482+(1-0.779)*42473=6575.425 kJ/s有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为5001500kcal/(m2.h. C)本设计中取 K1000kcal/(m2.h. C)=2296KJ/(m2. h. C)所以传热面积：m21.2 原料加热器 原料液用饱和蒸汽加热(F=70%)，逆流操作，原料液温度从25 C升高到80.047C。C，20C， C不同温度下乙醇和水的比热容为，经查图（上册510页）可知C时 2.37 kJ/(kg .k) 4.179 kJ/(kg .k)C时 3.56 kJ/(kg .k) 4.19kJ/(kg .k)则平均比热容为：kJ/(kg .k) kJ/(kg .k)3kJ/(kg .k)所以 kJ/s传热系数取 K=2996KJ/(m2. h. C) 则m21.2 塔底再沸器选用120C饱和水蒸气加热，逆流操作，传热系数取K2996J/(m2. h. C)，料液温度变化：99.905C100 C，蒸汽温度变化：120C120C，C，20C，20.05 C。查图可知99.905C下乙醇和水的汽化热分别为：803kJ/kg=80346.07=36994kJ/kmol2257 kJ/kg=225718.02=40671 kJ/kmol589.524/3600*0.0004*36994+0.9996*40671=6661.3kJ/s所以传热面积：399.2m22. 接管2.1 原料进料管 进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下：，取=1.6m/s，该温度下 kg/m3m3/s= m =48mm查标准，选取热轨无缝钢管（GB8163-87）规格：选取2.2 回流管采用直管回流管，取1.6m3/s，料液冷凝后温度为78.35，查得该温度下乙醇和水的密度分别为 740kg/m3 972.87 kg/m3，所以 kg/m3体积流速：426.672/3.60.77946+(1-0.779)18/769.2=0.00613 m3/s=m=70mm查标准，选取热轨无缝钢管（GB8163-87）2.3 塔顶蒸气出料管 塔顶蒸汽密度：则蒸汽流量：V0.163842.13/1.444.7m3/s，直管出气，取出气气速u=25m/s,则 m= 240 mm。2.4 塔釡出料管 采用直管出料，取1.6m/s，塔釡出料温度为99.905，查得该温度下乙醇和水的密度分别为 710kg/m3 958.4 kg/m3，所以平均密度：958.3kg/m3体积流速：37.6（0.000446+0.999618）/958.3=1.93 10-3 m3/s=24mm2.5 再沸器蒸气出气管采用直管出料，取25m/s，采用间接水蒸气加热=18kg/kmol蒸气密度：kg/m3 32.77818/0.595=9.79 m3/s m = 499mm3、储槽3.1 原料液储槽原料液的存储量是要保证生产能正常进行,主要根据原料生产情况及供应周期而定的.一般说来,应保证在储槽装液6080,如不进料仍能维持运作24小时.取装料6080是因为在工业中为了安全,储槽一般要流出一定的空间.该设计任务中,取储槽装料70,即装填系数为0.7。原料液温度为t=25,此时进料液中各物料的物性是：7 93.6kg/m3m3/s所需的储槽体积：m3 取359m33.2 中间槽 中间槽是储存回流量及出料的储罐。乙醇精馏过程为连续生产，中间槽的设计依据是中间槽装液6080能保持至少12个小时的流量，该设计任务中，槽装液70，即取安全系数为0.7，保持流量2小时。标准号为JB1422-74。4、泵的选型计算 该工艺流程有两个主要的泵装置,一个为进料泵,负责把液体打进填料塔；另一个为回流泵,负责把回流液打回塔内重新进行精馏.由于所设计的泵用于输送化工液体,与一般泵不同,它要求泵操作方便,运行可靠,性能良好和维修方便.泵的选型首先要根据被输送物料的基本性质,包括相态、温度、粘度、密度、挥发性和毒性等,还要考虑生产的工艺过程、动力、环境和安全要求等条件.在流量小而压头高、液体又无悬浮物且粘度不高的情况下,选用旋涡泵较为适宜.4.1 进料泵进料液泵扬程计算：（为提馏段高度，h为塔支座高度）取块塔板高0.45m，=120.455.4m；考虑到再沸器，裙座高度取3m；则H=2(5.4+3)16.8m。原料进料密度为793.6kg/m3，安全系数取1.3，则流量可计算为：m3/h 在此条件下采用IS型单级单吸离心泵，型号：IS80-65-125.其性能参数为：转速n2900r/min，流量Q=30m3/h，扬程H22.5m，效率64，轴功率2.87KW.(2)回流泵回流泵扬程计算：（为精馏段高度，h为塔支座高度），取块塔板高0.45m，=90.454.05m；塔支座高度取3m；则H=2(4.05+3)14.1m。由前面计算可知，回流液密度为769.2kg/m3，0.00613 m3/s安全系数取1.3，则流量可计算为：m3/h。在此条件下采用IS型单级单吸离心泵，型号：IS80-65-125.其性能参数为：转速n2900r/min，流量Q=50m3/h，扬程H20m，效率75，轴功率3.63KW。5、温度计根据该设计任务，温度范围在150内。根据文献，可选用镍铬铜镍(WRKK)型热电偶，分度号为E，套管材料1Cr18Ni9Ti，外径d=2mm，测量范围0300，允差值3，最高使用温度700，公称压力P500kgf/cm2。也可选用WRK240型隔爆镍铬铜镍热电偶，分度号E，结构特征：固定螺纹安装，测温范围0600，公称压力P100kgf/cm2。6、压力计选用压力测量仪表时，要考虑其量程、精度及介质性质和使用条件因素，该设计任务压力不高、变动不大，工业用精度要求为1.5至2.5级，介质无腐蚀性不易堵塞。压力表安装的地方，应力求避免振动和高温的影响，取压管的内墙面与设备或管道的内壁应平整，无凸出物或毛刺以保证正确取得静压力。被测介质温度超过60时，取压口至阀门见或阀门至压力表间应有冷凝管。根据该设计任务，查阅文献，现选用TG1200，测量范围为01200mmH2O.精度等级1.5，最大工作压力 6kgf/cm2。7、液位计7.1 原料槽液位计该设计任务中,原料槽采用卧式椭球形封头容器,筒体公称直径3m,故所选液位计测量范围大致在03m,希望实现自动控制, 查阅文献（4）,可选用ULF-2型电远传翻板式液位计,该液位计能就地指示和远传液位,可与ULFX-2型液位数字显示报警仪配套使用.ULF-2-HC防爆远传翻板液位计和ULF-2-HC防爆液位数字显示报警仪配套使用,可用于爆炸危险场合的液位测量.ULFX-2,ULF-2-HC适合在环境温度1040和相对湿度不大于80%下使用,电源电压为220V,50Hz.7.2 中间槽液位计浮筒式液位计,UTQ型气动浮筒式液位测量仪是对工业生产过程中容器内液位或界面实现就地指示和调节基地式液位仪表.调节带变送的UTQ型气动浮筒式液位测量仪可作为现场的液位变送单元与QDZ型气动单位组合仪表配套使用,实现控制室的集中控制.根据该设计任务,UTQ151型气动浮筒液位条件变送器,结构形式：内浮筒,顶置法兰.8 流量计 化工过程中需经常对物料进行流量和总量的测量.流量是指单位时间内通过的物料量.所选依据主要为介质的性质及流量测量范围. 针对该设计任务,选用LZJ型带筋玻璃转子流量计.转子流量计用来测量液体、气体介质的流量,特别适合测量中小管径、较低雷诺数的中小