乙醇水溶液连续板式精馏塔设计

武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 1 化工与制药学院化工与制药学院 课程设计说明书 题题 目目: 1.5 万吨乙醇万吨乙醇水溶液连续精馏塔设计水溶液连续精馏塔设计 学学 院院: 化工与制药学院化工与制药学院 专业班级专业班级: 09 化学工程与工艺化学工程与工艺 04 班班 学生姓名学生姓名: 文立周文立周 学学 号号: 同组者同组者: 徐长凡徐长凡 郑宇郑宇 贺卿贺卿 指导老师指导老师: 王为国王为国 完成日期完成日期: 2012 年年 6 月月 28 日日 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 2 09 化工 4 班化工原理课程设计任务书 一、 课程设计题目 乙醇-水溶液连续精馏塔设计 二、 课程设计的内容 1 设计方案的确定 2 带控制点的工艺流程图的确定 3 操作条件的选择（包括操作压强、进料状态、回流比等） 4 塔的工艺计算 （1） 全塔物料衡算 （2） 最佳回流比的确定 （3） 理论板及实际板的确定 （4） 塔径的计算 （5） 降液管及溢流堰尺寸的确定 （6） 浮阀数及排列方式（筛板孔径及排列方式）的确定 （7） 塔板流动性能的校核 （8） 塔板负荷性能图的绘制 （9） 塔板设计结果汇总表 5 辅助设备工艺计算 （1）换热器的面积计算及选型 （2）各种接管管径的计算及选型 （3）泵的扬程计算及选型 6塔设备的结构设计：（包括塔盘、裙座、进出口料管） 三、 课程设计的要求 1、 撰写课程设计说明书一份 2、 工艺流程图一张 3、 设备总装图一张 四、 课程设计所需的主要技术参数 原料： 乙醇-水溶液 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 3 原料温度： 30 处理量： 1.5 万吨/年，1.75 万吨/年，2 万吨/年 原料组成（乙醇的质量分数）：50% 产品要求：塔顶产品中乙醇的质量分数：90%，92%,94%； 塔顶产品中乙醇的回收率：99% 生产时间： 300 天（7200 h） 冷却水进口温度：30 加热介质： 0.6MPa 饱和水蒸汽 五、 课程设计的进度安排 1、 查找资料，初步确定设计方案及设计内容，1-2 天 2、 根据设计要求进行设计，确定设计说明书初稿，2-3 天 3、 撰写设计说明书，总装图，答辩，4-5 天 六、 课程设计考核方式与评分方法 指导教师根据学生的平时表现、设计说明书、绘图质量及答辩情况评定成绩， 采用百分制。 其中：平时表现 20% 设计说明书 40% 绘图质量 20% 答辩 20% 指导教师：王为国 学科部负责人： 2012 年 6 年 18 日 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 4 前言前言 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，所以，想得到高纯度的乙醇很困难。 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直立圆形的精馏塔 内进行，塔内装有若干层塔板和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。 浮阀塔与 20 世纪 50 年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板 塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔形，特别是在石油，化学工业中使用最普遍。 浮阀有很多种形式，但最常用的是 F1 型和 V-4 型。F1 型浮阀的结构简单，制造方便， 节省材料，性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168- 68）内，F1 型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且 要求压强降很低的系统中，采用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1.生产能力大。2.操作 弹性大。3.塔板效率高。4.气体压强降及液面落差较小。5.塔的造价低。浮阀塔不宜 处理宜结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能 正常操作。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 5 目录目录 第第 1 1 章章 设计条件与任务设计条件与任务.7 1.11.1 设计条件设计条件.7 1.21.2 设计任务设计任务.7 第二章绪论.7 2.1 1 设计方案设计方案.7 2.22.2 设计方案的确定及流程说明设计方案的确定及流程说明.8 .1 选塔依据选塔依据.8 第三章 塔板的工艺设计.10 3.1 精馏塔全塔物料衡算精馏塔全塔物料衡算.10 .1 原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数.10 .2 原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量.10 .3 物料衡算进料处理量物料衡算进料处理量.10 .4 物料衡算物料衡算.10 3.2 主要数据参数的计算主要数据参数的计算.11 3.2.1 乙醇水系统 t-x-y 数据.11 3.2.2 温度的计算.11 3.2.3 密度的计算.12 3.2.4 混合液体表面张力.14 3.2.5 混合物的黏度计算.16 3.2.6 相对挥发度计算.17 3.3 理论塔的计算理论塔的计算.18 3.3.1 最小回流比及实际回流比确定.18 3.3.2 操作线方程.19 3.4 塔径的初步设计塔径的初步设计.20 .1 气、液相体积流量计算气、液相体积流量计算.20 .2 精馏段塔径的计算精馏段塔径的计算.21 .3 提馏段塔径的计算提馏段塔径的计算.23 3.5 溢流装置溢流装置.23 3.5.1 堰长堰长的计算的计算.23 lW .2 弓降液管的宽度和横截面积弓降液管的宽度和横截面积.24 .3 降液管底隙高度降液管底隙高度.25 3.6 塔板布置及浮阀数目及排列方式塔板布置及浮阀数目及排列方式.25 3.6.1 精馏段精馏段.25 3.6.2 提馏段提馏段.26 第四章 塔板的流体力学计算.27 4.1 气相通过浮阀塔板的压降气相通过浮阀塔板的压降.27 4.1.1 精馏段.28 4.1.2 提馏段提馏段.28 4.2 淹塔淹塔.28 4.2.1 精馏段精馏段.28 4.2.2 提留段提留段.28 4.3 雾沫夹带雾沫夹带.29 4.3.1 精馏段精馏段.29 4.3.2 提留段提留段.29 4.4 塔板负荷性能图塔板负荷性能图.29 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 6 4.4.1 雾沫夹带线雾沫夹带线.29 4.4.2 液泛线液泛线.30 4.4.3 液相负荷上限液相负荷上限.31 4.4.4 漏液线漏液线.31 4.4.5 液相负荷下限线液相负荷下限线.31 第五章 塔附件设计.32 5.15.1 接管接管.32 5.25.2 釜残液出料管釜残液出料管.33 5.35.3 回流液管回流液管.33 5.45.4 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽管.34 5.55.5 水蒸汽进口管水蒸汽进口管.34 第六章第六章 塔总体高度的设计塔总体高度的设计.34 6.16.1 塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度.34 6.26.2 塔的底部空间高度塔的底部空间高度.35 6.36.3 进料板空间高度进料板空间高度.35 F H 6.46.4 塔总体高度塔总体高度.35 第七章 附属设备设计.36 7.17.1 数据与说明数据与说明.36 7.27.2 预热器计算预热器计算.36 7.37.3 冷却器计算冷却器计算.37 7.47.4 离心泵选型离心泵选型.37 第 8 章 附属高度确定.37 8.18.1 筒体筒体.37 8.28.2 封头封头.37 8.38.3 塔顶空间塔顶空间.38 8.48.4 塔底空间塔底空间.38 8.58.5 人孔人孔.38 8.68.6 支座支座.38 第九章 设计结果汇总.39 附录一附录一 设计所需技术参数设计所需技术参数.41 设计小结.42 参考文献.43 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 7 第第 1 1 章章 设计条件与任务设计条件与任务 1.11.1 设计条件设计条件 在常压操作的连续板式精馏塔内分离乙醇-水混合物。塔釜直接蒸汽加热，生产能 力和产品的质量要求如下： 生产能力：年处理乙醇-水混合液 1.5 万吨(300 天/年） 原 料：乙醇含 50%(质量分数，下同）的常温液体 分离要求：塔顶乙醇含量为 92% 塔顶产品中乙醇的回收率为 99% 原料温度：30 冷却水进口温度：30 加热介质：0.6Mpa 的饱和水蒸汽 1.21.2 设计任务设计任务 1 全塔物料衡算 2 最佳操作回流比的确定 3 理论塔及实际板数的确定。 4 塔径的计算。 5 降液管及溢流装置尺寸的确定。 6 浮阀数及排列方式。 7 塔板流动性能的校核。 8 绘制塔板的负荷性能图。 9 塔的附属设备选型,包括塔顶冷凝器、塔底(蒸馏釜的换热面积，原料预热器的 换热面积与泵的选型。 10 精馏塔各接管尺寸的确定。 11 绘制精馏塔系统工艺流程图。 12 绘制精馏塔装配图。 13 编写设计说明书。 第二章第二章 绪论绪论 2.1 1 设计方案设计方案 本设计任务为分离乙醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流 程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶 上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷 凝器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，故操作回流比取最小回流比的 1.5 倍。 塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 8 2.22.2 设计方案的确定及流程说明设计方案的确定及流程说明 .1 选塔依据选塔依据 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩， 在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速 度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及 设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。 浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从 200mm到 6400mm，使用效 果均较好。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： () 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 2040，而接近于筛板塔。 () 操作弹性大，一般约为 59，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大 得多。 () 塔板效率高，比泡罩塔高 15左右。 () 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为 400660N/m2。 () 液面梯度小。 () 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 () 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的 6080,为筛板塔的 120130。 .2 加热方式：直接蒸汽加热加热方式：直接蒸汽加热 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。直接蒸汽加热由于塔底产物基本是水， 又由于在化工厂蒸汽较多所以直接蒸汽加热。 .3选择适宜回流比选择适宜回流比 适宜的回流比应该通过经济核算来确定，即操作费用和设备折旧费用之和为最低 时的回流比为最适宜的回流比。确定回流比的方法为：先求出最小回流比 R，根据 min 经验取操作回流比为最小回流比的 1.22.0 倍，考虑到原始数据和设计任务，本方案 取 1.5，即：R 1.5R；采用釜液产品去预热原料，可以充分利用釜液产品的余热， min 节约能源。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 9 .4 回流方式：泡点回流回流方式：泡点回流 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。 .5 操作流程说明操作流程说明 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，进 入回流罐部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用直接蒸汽 供热，塔底产品用于预热原料 冷却后送入贮槽。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等设备。热量自塔低蒸汽输入，由冷凝器中的冷却介 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。 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 10 第三章第三章 塔板的工艺设计塔板的工艺设计 3.1 精馏塔全塔物料衡算精馏塔全塔物料衡算 F：进料量（kmol/s） ：原料组成（摩尔分数，下同） F x D：塔顶产品流量（kmol/s） ：塔顶组成 D x W：塔底残液流量（kmol/s） ：塔底组成 W x .1 原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数 1 92 46 = =0.8182 928 4618 D A DD AB w M D ww MM x 1 50 46 =0.2813 5050 4618 F A FF AB w M F ww MM x 80.52 0.2813 20.94 0.8182 =0.0457 120.72 FD W FxDx x W .2 原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量 (1-) =40.91kg/kmol DDADB Mx MxM (1-) =19.28kg/kmol WWAWB Mx MxM (1-) =25.88kg/kmol FFAFB Mx MxM .3 物料衡算进料处理量物料衡算进料处理量 15000 1000/(300 24 25.88)80.52kmol/hF .4 物料衡算物料衡算 已知 R=1.92 （由下面的计算所得） 总物料衡算(直接蒸汽加热）： FSWD 轻组分(乙醇）衡算： 99% FWD D F FxWxDx Dx Fx 由恒摩尔流假设得： (1) SLDRD 求解得到： F=80.52kmol/h D=20.94kmol/h S=61.14kmol/h W=120.72kmol/h 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 11 3.2 主要数据参数的计算主要数据参数的计算 3.2.1 乙醇乙醇水系统水系统 t-x-y 数据数据 表 3.1 常压下的乙醇-水的气液平衡数据 t/xyt/xy 1000081.50.32730.5826 95.50.0190.1780.70.39650.6122 890.07210.389179.80.50790.6564 86.70.09660.437579.70.51980.6599 85.30.12380.470479.30.57340.6841 84.10.16610.508978.740.67630.7385 82.70.23370.544578.410.74720.7815 82.30.26080.55878.150.89430.8942 3.2.2 温度的计算温度的计算 利用表中数据用插值法求得 ：= =82.05 tF 82.3 81.5 0.26080.3273 82.3 0.28130.2608 Ft tF ：= =78.28 tD 78.41 78.15 0.74720.8943 78.41 0.81820.7472 Dt tD ：= =98.22 tW 10095.5 00.019 100 0.04750 Wt tW 精馏段平均温度 =80.16 t1 2 FD tt 82.0578.28 2 提馏段平均温度 =90.14 t2 2 Fw tt 82.0598.22 2 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 12 3.2.3 密度的计算密度的计算 已知：混合液密度 依式 =（a 为质量分数，为平均相对分子质 L 1 B B A Aaa M 量） 混合汽密度 ： 0 22.4 o v T M T 精馏段：=80.16 t1 液相组成： 1 x1 1 80.7 79.880.16 79.8 ;0.4633 0.6122 0.65640.5079 x x 气相组成： 1 y1 1 80.7 79.880.16 79.8 ;0.6387 0.6122 0.65640.6564 y y 所以 1 1 46 0.4633 181 0.463330.97/ 46 0.6387 181 0.638735.88/ L V Mkg kmol Mkg kmol 提馏段：=90.14 t2 液相组成： 2 x2 2 95.5 89.090.14 89.0 ;0.0628 0.019 0.07210.0721 x x 气相组成： 2 y2 2 80.7 79.880.16 79.8 ;0.3507 0.17 0.38910.3891 y y 所以 2 2 46 0.0628 181 0.062819.76/ 46 0.3507 181 0.350727.82/ L V Mkg kmol Mkg kmol 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 13 表 3-2 不同温度下乙醇和水的密度 温度 / 3 / kg m 乙醇 3 / kg m 水 温度 / 3 / kg m 乙醇 3 / kg m 水 80735971.895720961.85 85730968.6100716958.4 90724965.3 求得在与=下的乙醇和水的密度（单位：） t1t2 3 /kg m 3 1 858080.1680 80.16/ 730735735 Ckg m t 乙醇 乙醇 3 858080.1680 971.70/ 968.6971.8971.8 kg m 水 水 =90.14 t2 3 959090.1490 / 720724724 kg m 乙醇 乙醇 3 959090.1490 965.20/ 961.85965.3965.3 kg m 水 水 在精馏段 1 3 1 10.4633 46 0.4633 46 18 (1 0.4633)1 0.6881 734.84971.70 795.54/ L L kg m 液相密度： 气相密度： 3 1 35.88 273.15 1.24kg / 22.4273.1580.16 V m 在提镏段 武汉工程大学化工与制药学院化工原理课程设计 14 2 3 2 10.0628 46 0.0628 46 18 (1 0.0628)1 0.1462 723.89965.2 920.39/ L L kg m 液相密度： 气相密度： 3 2 27.82 273.15 0.934kg / 22.4273.1590.14 V m 3.2.4 混合液体表面张力混合液体表面张力 二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算 1/41/41/4 m swwsoo 注： 00 0 0000 ww w wwww x Vx V x Vx Vx Vx V 000 / swswswsss x VVx VV 2/3/ 2/3 lg0.441 q w oo ww w Vq BQV Tq , 2 lg1 sw swso so ABQA , , 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 数，Vw、Vo 主体部分的分子体积，w、o 为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q = 2。 （1）精馏段： 1 80.1