年产12万吨乙醇水精馏装置工艺设计—毕业设计

1、专科毕业论文设计题目： 年产12万吨乙醇水精馏装置工艺设计 诚信声明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文设计，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。特此声明。论文作者签名： 日 期：2021年5月23日毕业设计(论文)任务书设计题目：年产 万吨乙醇水精馏装置工艺设计函授站：陕西函授站 学生姓名：指导老师：1 设计的主要任务及目标：设计筛板式精馏塔，通过该装置的设计，使学生在熟练掌握专业知识的根底上能够将理论应用到实际的生产中去，从而培

2、养学生理论联系实际以及独立设计、创新的能力。撰写设计计算书 一份；主体设备装配图1张，工艺流程图1套原料为乙醇水混合物，其中：乙醇含量为45%质量分率，下同塔顶产品中乙醇含量不低于90.5%塔釜残液中乙醇含量不高于0.20%进料温度为泡点，年开工时间330天2 设计的根本要求和内容：（1） 完成塔设备主体局部的燃料衡算与主要设备设计计算；（2） 画出塔设备的装配图；（3） 画出带控制点的工艺流程图；3 主要参考文献：1 谭天恩.化工原理(第二版)下册M.北京：化学工业出版社，1998：1321562 匡国柱.化工单元过程及设备课程及设计第二版M.北京：化学工业出版社.2007：1932363

3、编委会.化工工艺手册M.北京：化工工业出版社.1994：2032644 进度安排：序号设计论文各阶段名称起止日期1下达任务书及设计要求4月22日4月23号2撰写开题报告4月23日4月25号3查找资料明确设计目的及基要求4月26日5月2号4设计计算5月3日5月14号5绘制设备图5月1日5月2号6编写论文5月3日5月15号7后期修改5月15日6月1号年产12万吨乙醇水精馏装置工艺毕业设计 摘要人类与化工的关系十分密切，在现代生活中，几乎随时随地都离不开化工产品，从衣、食、住行等物质生活，到文化艺术、娱乐等精神活活，都需要花共产请位置效劳。有些化工产品在人类开展史中，起着划时代的重要作用。它们的生活

4、和应用，甚至代表着人类文明的一定历史阶段。化工生产常需进行液体混合物的别离已到达提纯或回收有组分的目的，是利用一体混合物中各组分挥发程度的不同并借助于屡次局部汽化和局部冷凝到达轻重组分别离的方法。我们在生产中常用的精馏设备是板式塔和精馏塔。然而乙醇已经同时也成为人们生活中不可缺少的东西了。例如，乙醇可以做成不同浓度的消毒剂；乙醇是酒的主要组成局部；乙醇可以调入汽油，作为车用燃料关键词；水、乙醇、精馏塔目录摘 要.11 前 言.1 精馏的概述.1 乙醇的性质.1 1.1.3 乙醇用途.2 操作方式.3 开展前景.4 流程概述.52 乙醇工艺计算.6 原始数据.6 物料衡算关键组分.6 2.2.1

5、 摩尔分率计算.7 2.2.2 品均摩尔质量.7 2.2.3 物料衡算.12 板塔的设计.8 2.3.1 气一夜平衡方式.8 2.3.2 最小回流比及操作回流比.8 2.3.3 求操作方程.8 2.3.4 全塔效率估算.9 2.3.5 用逐板计算法求理论板塔层数和实际塔板数.10 2.4.4 平均密度计算.11 精馏塔的工艺条件及有关物性数据.12 2.4.1 操作温度计算.12 2.4.2 操作压力的计算.12 2.4.3 平均摩尔质量计算.12 2.4.5 液相品均外表张力.13 2.4.6 液相平均黏度计算.14 2.5 精馏段塔体工艺计算.14 2.5.1 精馏段塔经计算.15 2.5

6、.2 溢流装置计算.16 2.5.3 板塔布置.17 精馏段流体力学验算.17 2.6.1 板塔压降.18 2.6.2 液沫夹带、漏液、液冹的验算.19 提馏段塔体工艺计算.19 2.7.1 提馏段塔经计算.19 2.7.2 溢流装置计算.20 2.7.3 塔板布置.21 提馏段流体力学验算.21 2.8.1 塔板压强.21 2.8.2 液沫夹带、漏液、液泛的验证.22 3 塔板合性能图. 23 精馏段.23 3.1.2 漏液线.23 3.1.3 液沫夹带线.243.1.4 液相负荷下限线.25 3.1.5 液相负荷上限线.26 3.1.6 液泛线.26 3.2.1 提馏段.27 3.2.2

7、漏液线.27 3.2.3 液沫夹带线.28 3.2.4 液相负荷下限线.29 3.2.5 液相负荷上限线.29 3.2.6 液泛线.294 辅助设备.32 5.1 塔高.32 管道规格.33 5.2.1 原料进料管道.33 5.2.2 塔釜残液排出管.34 5.2.3 回流管道.34 5.2.4 塔顶上升蒸汽管.35 5.2.5 水蒸气进气管.36 储槽(原料罐.37 选泵.37 设计结果汇总表.38总结.39致谢.41参考资料.42前言第1节 ：精馏的概述 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。 蒸气由

8、塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分那么愈富集，到达组分别离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一局部作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的局部那么作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一局部送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一局部液体作为釜残液取出。 蒸馏的根本原理是将液体混合物局部气化,利用其中各组份挥发度不同相对挥发度，的特性，实现别离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏

9、和特殊精馏等。 本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的根底上，通过比拟和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别包括：原理、操作、结果等方面第二节 ：乙醇的性质化学性质: 乙醇分子中含有极化的氧氢键，电离时生成烷氧基负离子和质子。 CH3CH2OH可逆CH3CH2O- + H+ 乙醇的pKa=15.9，与水相近。 乙醇的酸性很弱，但是电离平衡的存在足以使它与重水之间的同位素交换迅速进行。 CH3CH2OH+D2O可逆CH3CH2OD+HOD 因为乙醇可以电离出极少量的氢离子，所以其只能与少量金属主要是碱金属反响生成对应的醇金属以及氢气： 2CH3C

10、H2OH + 2Na2CH3CH2ONa + H2 乙醇可以和高活泼性金属反响，生成醇盐和氢气。 醇金属遇水那么迅速水解生成醇和碱物理性质：无色透明液体。有特殊香味。易挥发。能与水、溶剂。有机合成。各种化合物的结晶。洗涤剂。萃取剂、食用酒精可以勾兑白酒、用作粘合剂、硝基喷漆、清漆、化装品、油墨、脱漆剂、等的溶剂以及农药、医药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂等的制造原料、还可以做防冻剂、燃料、消毒剂等。 75%体积分数的乙醇溶液常用于医疗消毒。氯仿、乙醚、甲醇、丙酮和其他多数有机溶剂混溶。第三节 ：乙醇的用途乙醇的结构简式为CH3CH2OH，俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液

11、体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性。乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。医疗上也常用体积分数为70%75%的乙醇作消毒剂等。第四节 :操作方式精馏塔的操作是具体问题具体分析的,一般是按照工艺要求去操作,不同的物料的精馏有不同的操作要求.蒸馏时在一定的时间,一定的压力,一定的温度下,去控制翻开那个阀门,关掉那个阀门,就能得到要求的产品. 最好的方法是找到工艺操作规程,按时要求去操作,现在一般的操作都有操作规程的.还有就是叫原来熟悉操作的师傅和员工教,要虚心请教,不要不懂装懂.这是最快上手的方法! 一般方法是这样:先加够物料,然后翻开真空阀,到达一定的

12、真空.翻开加热阀,加热到一定温度,在一定温度和一定的真空下,低沸点的液体先蒸发出来,用冷凝器冷却接收.然后再提高温度和改变压力(真空),再蒸发另一沸点的液体出来,这样控制直到要求的产品都蒸发出来了,最后关掉热源,放掉真空,把乘下的渣滓放出来.第五节: 开展前景由于能源短缺，中国从1998年开始成为石油输入国。但是，中国每年有6.5亿t废弃的秸秤，如果用来生产燃料乙醇，那么乙醇年产量可以到达1.3亿t，相当于2.7个大庆油田产量，产值约为9450亿元人民币。目前，中国汽油的年消耗量超过6000万t，如果其10%被燃料乙醇取代，那么每年至少需要600万t燃料乙醇。?可再生能源中长期开展规划?指出，

13、今后将不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，积极开展非粮生物液体燃料。从长远考虑，要积极开展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。到2021年，非粮原料燃料乙醇年利用量达200万t；到2021年，生物燃料乙醇年利用量达1000万t。有预期显示，中国可望于2021年建成年产2000万t植物纤维基生物炼制产品的新兴产业，新增工业产值2000亿元，减少3000万t石油需求，并安排60万农村人口就业，农民通过提供秸秆类原料增收300亿元，减少近亿吨CO2净排放；远期目标为，2050年实现生物质原料淀粉、糖类、纤维素、木素等全部利用，产品燃料、大宗化学品和精细化学品、药品、饲料、塑料等多元化，形成生

14、物质炼制巨型行业，局部替代不可再生的一次性矿产资源，初步实现以碳水化合物为根底的可持续开展。第六节 :流程概述蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分那么愈富集，从而到达组分别离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一局部作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的局部那么作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一局部送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一局部液体作为釜残液取出。蒸馏的根本原理是将液体

15、混合物屡次局部气化和局部冷凝,利用其中各组份挥发度不同相对挥发度，的特性，实现别离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。第1章 乙醇精馏塔的计算2.1 原始数据表2-1， 原始数据物料名称进料组成质量分数%塔顶组成质量分数%塔釜组成质量分数%乙醇45%90.5%0.2%水55%9.5%99.8%操作压力 ：年生产能力：12万吨乙醇工作日 ：330天进料方式 ：泡点进料 物料衡算关键组分10按双组份确定关键组分；挥发度高的乙醇作为轻关键组分在塔顶采出；挥发度低的水作为重关键组分在塔釜采出。计算每小时塔底产量，每年的操作时间为7920计算。每小时塔全产为2摩尔

16、分率计算乙醇的摩尔质量： 水的摩尔质量： 平均摩尔质量2 物料衡算 (1)塔顶产品处理量总物料衡算(2)(3)联立(1)、(2)、(3)式解得：2.3 塔板的计算 水，乙醇属理想物系，可采用图解法求理论塔板层数。1.由手册查得水-乙醇物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见图5-19.2.采用作图法求最小回流比，在图5-19中对角线上，自点e0.2424,0.2424作垂线ef即为进料线q线该线与平衡线的交点坐标为： 2.3.2 最小回流比及操作回流比 最小回流比为 取操作回流比为 2 求操作线方程精馏塔的汽、液相负荷 精馏段操作线方程 2-3 1. 提馏段操作线方程 2-42 全塔效率估算用奥康

17、奈尔对全塔效率进行估算; 由相平衡方程式 可得 2-5根据乙醇、水体系的相平衡数据可以查得： 塔顶第一块板 加料版 因此可以求得：全塔的相对平均挥发度：全塔的平均温度：在温度下查得相应黏度及用公式计算所得黏度如下表表2-3， 溶液黏度与温度tx液4500.45950.373320.47050.450351050.264全塔液体的平均粘度：全塔效率 2-62 用逐板计算法求理论塔板层数和实际塔板数采用逐板计算法求理论塔板层数总理论塔板数 包括再沸器。从塔顶向下进料板 提馏段实际塔板数 由以上计算知全塔效率 那么：实际塔板数：精馏段实际塔板层数：提馏段实际塔板层数：实际进料位置从塔顶向下第18块进

18、料。2.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据112 操作温度的计算根据乙醇、水taxi的相平衡数据可以查得：塔顶温度 进料温度 塔釜温度精馏段平均温度：提馏段平均温度：2 操作压力的计算塔顶压力：， 假设取每层塔板压降： 塔底压强： 进料板压强：精馏段平均压强： 提馏段平均压强：2 平均摩尔质量计算由全塔效率计算中可得：塔顶相对挥发度：塔釜相对挥发度：j 塔顶平均摩尔质量计算由 (2-7)解得进料液平均摩尔质量计算 塔釜平均摩尔质量计算由 2-8 解得： 精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量2 平均密度计算汽相平均密度计算由参考资料28页式1-3可得： 2-9精馏段汽相平均密度： 提馏段汽相平均

19、密度 ：液相平均密度计算由设计参考资料可查得温度物质表2-4， 乙醇、水液相对密度乙醇水由式子 2-10知塔顶液相平均密度塔釜液相平均密度精馏段液相平均密度提馏段液相平均密度2 液相平均外表张力由设计参考资料可查得温度物质表2-5， 乙醇、水外表张力乙醇水5液相平均外表张力依下式计算 2-11 塔顶液相平均外表张力： 进料板液相平均外表张力：塔釜液相平均外表张力:精馏段液相平均外表张力：提馏段液相平均外表张力:2 液相平均黏度计算由设计参考资料可查得温度物质表2-6, 乙醇、水相对黏度乙醇水液相平均黏度依照下式计算 (2-12)塔顶液相平均黏度：解得： 塔釜液相平均黏度：解得： 进料板液相平均

20、黏度：解得： 精馏段液相平均黏度：提馏段液相平均黏度：2.5 精馏段塔体工艺计算13 精馏段塔经计算精馏段汽、液相体积流率 (2-13) (2-14)查设计资料取板间距为600mm (2-15)式中：精馏段符合： 最大空塔汽速： (2-16)实际气速： 取： 那么：塔经D的计算： (2-17)D塔径，m气体体积流量，空塔气速，根据塔经系列尺寸圆整为塔截面积： 实际空塔气速：2 溢流装置计算1314因塔经需选用单溢流弓形降液，采用平直堰。（） 堰长度：由化工设计手册表查得（） 溢流堰高：采用平直堰 (2-18)查设计资料，可依参考资料用弗兰西斯公式计算： (2-19)液体体积流量 液体收缩系数其

21、中液流收缩系数E=1可取板上清液层高度那么：(3)弓形降液管宽度与降液管的面积由 (2-20)查设计参考资料图得 (2-21) (2-22) 4验算液体在降液管中停留时间 (2-23)故降液管设计合理。5降液管底隙高度由设计参考资料得式 (2-24)取液体通过降液管底隙的流速液体通过底隙时的流速一般取取进口堰高=出口堰高2 塔板布置131取 2开孔区面积计算对单溢流塔板设计参考资料 (2-25)故，计算 (4)筛孔计算及排序所处理的物系无腐蚀性，可选用=3mm碳钢板，取筛孔直。筛孔按正三角排列，取中心距：筛孔数目为：开孔率为：气体通过筛孔的气速为：2.6 精馏段流体力学验算142塔板压降(1)

22、干板阻力的计算由式 (2-26)进行计算由，查图得故：液柱2液体通过耶层阻力计算气体通过液层的阻力由 (2-27)计算查得，所以液柱3液体外表张力的阻力的计算液柱4气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算液柱5气体通过每层塔板的单板压降2 液沫夹带、漏液、液泛的验证151精馏段雾沫夹带量的验算。由参考资料得： (2-28)雾沫夹带量，kg液体/kg气体液相外表张力，。液层上部的有效塔截面气体器速度，。塔板间距，。踏板上 鼓泡层高度，。代表液沫夹带量，一般规定kg液体/kg。代表塔板上的鼓泡层高度，m；设计经验。所以本设计液沫夹带量在允许范围内。2漏液对于筛板塔，漏液点空速： (2-29) 实际空

23、塔气速：筛板是稳定性系数：所以在本设计中没有明显漏液。3液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度取平安系数。那么：而，板上不设进口堰：可由下式计算：那么：故在本设计中不会发生液泛现象。(4)气泡夹带本设计气泡夹带在充许范围内2.7 提馏段塔体工艺计算132提馏段塔径计算提馏段汽、液相体积流率计算： (2-30) (2-31) 取塔板间距为700mm 提馏段符合公式： (2-32)提馏段符合： 最大空塔气速： (2-33) 实际空塔气速：取： 那么：以式计算： (2-34) 按标准塔径圆整：塔截面积以式计算：实际空塔气速以式计算：2 溢流装置计算522塔径圆整需要选用单溢流弓形降液管，

24、采用平直堰。（） 由参考资料查得（） 溢流堰高度依式： 计算依参考资料查得弗兰西斯公式计算 (2-35)液体体积流量 液体收缩系数E近似取1。取板上清液层高度那么：（） 弓形降液管宽度与降液管的面积由参考资料查得弓形降液管管宽，降液管面积（） 验算液体在降液管中的停留时间 (2-36)故降液管设计合理。5降液管底隙高度由设计参考资料得式 (2-37)取液体通过降液管底隙的流速液体通过底隙时的流速一般取特殊情况那么应取2 塔板布置1取 2开孔区面积计算对单溢流塔板设计参考资料 (2-38)故，可计算(4)筛孔计算所处理的物系无腐蚀性，可选用=3mm碳钢板，取筛孔直。筛孔按正三角排列，取中心距筛孔

25、数目为： 个开孔率为： 气体通过筛孔的气速为：2.8 提馏段流体力学验算202 塔板压降(1)干板阻力依式(2-26)计算由式 (2-39)进行计算由，查图得5故液柱2液体通过耶层阻力计算气体通过液层的阻力由式子(2-27)，计算由充气系数与关联图查得板上液层充气系数查得所以液柱： 3液体外表张力的阻力的计算液柱4气体通过每层塔板的液柱高度可用下式计算液柱5气体通过每层塔板的单板压降2 液沫夹带、漏液、液泛的验证1精馏段液沫夹带量的验算，以式2-28计算代表液沫夹带量，kg液体/kg气体；一般规定kg液体/kg代表塔板上的鼓泡层高度，m；设计经验。 (2-40)所以本设计液沫夹带量在允许范围内

26、。2漏液对于筛板塔，漏液点空速 (2-42) 实际空塔气速：筛板是稳定性系数： 所以在本设计中没有明显漏液。3液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度取平安系数。那么：而，板上不设进口堰，可由下式计算：那么：故在本设计中不会发生液泛现象。(4)气泡夹带本设计气泡夹带在充许范围内3 塔板符合性能图193.1 精馏段 漏液线以式： 3-1 取E=1 整理得：在操作范围内任意取及个值，依据上式计算出相应的值列于表表3-1， 由上表可以做出漏液线13.1.2液沫夹带线以为线求 3-2液沫夹带量，塔板上鼓泡层高度，式中：整理得： 在操作范围内任意取几个值，以上式算出相应的值列于下表表3-2，1

27、328113083 1285912671依表中数据在图中作出液沫夹带线23 液相负荷下限线取平直堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，取、m那么 3-3得: 据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。3 液相负荷上限线取液体在降液管 中停留时间为4秒，由下式： (3-3) (3-4)据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。3液泛线令：由：， ， ， 联立得：近似取E=1， 忽略将与，与，与的关系式代入上式，并整理得： (3-5)式中：将有关数据代入得：将有关数据代入式得：在操作范围内任意取几个值，依上式计算出相应的。表3-3， 00040006000818987187431851

28、818295由上表数据可做出液泛线5。在符合性能图上做操作点A，连接OA作操作线，由图知该筛板操作上线为液泛，控制下限为漏液控制。所以操作弹性为：3.2 提馏段 漏液线以式： (3-6) 取E=1 整理得： 在操作范围内任意取及个值，依据上式计算出相应的值列于表表3-4， 1501243723523667由上表可以做出漏液线13 液沫夹带线以为线求 (3-7)液沫夹带量，塔板上鼓泡层高度，式中： 整理得： 在操作范围内任意取几个值，以上式算出相应的值列于下表表3-5， 0009500185002751503135471258211769依表中数据在图中作出液沫夹带线23 液相负荷下限线取平直堰

29、、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，取、m那么 (3-8)得: 据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。3 液相负荷上限线取液体在降液管 中停留时间为4秒，由下式：据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。3 液泛线令：由：， ， ， 联立得：近似取E=1， 忽略将与，与，与的关系式代入上式，并整理得：式中：将有关数据代入得：将有关数据代入式得：在操作范围内任意取几个值，依上式计算出相应的。表3-6， 0.0200由上表数据可做出液泛线5。在符合性能图上做操作点A，连接OA作操作线，由图知该筛板操作上线为液泛，控制下限为漏液控制。所以操作弹性为：4 辅助设备205.1 塔高1求实

30、际塔高 5-1塔高，实际塔板数，个 进料板数，个 人孔数，个 第一块板上空间高度： 上封头高度，最后一块板直液面间高度： 下封头，设人孔处的板间距, 群底座 =2m进料板处板间距， H27-1-1×0.6+1×0.55+1.2+1.2+0.525+2m解得：塔高H= 设计结果汇总表工程数值与说明备注塔径板间距，m0.60塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速u,m/s1.7424精馏段提馏段溢流堰长度Lw,m溢流堰高度hw,m0板上液层高度hL,m降液管底隙高度9429精馏段提馏段筛孔数个6186等腰三角形叉排筛孔气速精馏段提馏段孔心距同一横排的孔心距排间距相临二横排的中心线距离干板压降精馏段提馏段液体在降液管内的停留时间精馏段提馏段气相负荷上限精馏段雾沫夹带控制提馏段雾沫夹带控制气相负荷下限 2.58 精馏段漏夜控制提馏段漏夜控制开孔率，%45操作弹性精馏段提馏段参考文献1 谭天恩.化工原理(第二版)下册M.北京：化学工业出版社，1998：132156 2 匡国柱.化工单元过程及设备课