分离乙醇和水精馏塔设计说明书

1 分离乙醇和水精馏塔设计说明书 筛板塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为 38孔在 塔板上作正三角形排布。筛板塔的优点是：结构简单，造价低廉，气压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率较高，气流分布均匀，传质系数高；缺点：操作弹性小，筛孔小易发生堵塞，不利于黏度较 大 的体系分离 根据生产任务，若按年工作日 300 天，每天开动设备 24 小时计算， 产品流量为 ，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， 选用浮阀塔。 精馏可在常压、加压和减压下进行，确定操作压力主要是根据 处理物料的性质 ， 技术上的可行性和经济上的合理性考虑的 般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量 常压下操作。对于乙醇水体系，在常压下已经是液态，且乙醇水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因 为高 压 或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体 体积 增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。 因此，本设 计选择常压操作条件 进料状态有多种， 但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中。这样一来，进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时精馏段与提馏段的塔径相同，设计制造均比较方便。 2 因此，本设计选择泡点进料。 精馏段通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热 量。若待分离的物系为某种组分和水的混合物，往往可以采用直接蒸汽加热的方式。但当在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸 汽冷凝水的稀释作用，可使得釜残液中的轻组分浓度 降低，所需的理论塔板数略有增加，且物系在操作温度下黏度不大有利于间接蒸汽加热。 因此，本设计选用间接蒸汽加热的方式提供热量。 精馏的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此，热效率很低， 通常进入再沸器的能量仅有 5%被有效的利用。塔顶蒸气冷凝放出 。 大量的热量，但其位能低，不可能直接用来作塔釜的热源。但可作低温热源，或通入废热锅炉产生低压蒸气，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度再用于加热釜液。 采用釜液产品去预热原料，可以充分利用釜液产品的余热，节约能源。因此本设计 利用釜残液的余热预热原料液至泡点。 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。但由于实验中的设计需要，所需的全凝器容积较大须安装在地 面，因此回流至塔顶的回流液温度稍有降低，在本设计中为设计和计算方便，暂时忽略其温度的波动。 1)时完成 进料液的预热和釜液的冷却，经过热量与物料衡算，设想合理。釜液完全可以把进料液加热到泡点，且低温的釜液直接排放也不会造成热污染。 3 2） 热后先通过离心泵送往高位槽，再通过 阀门和转子流量计控制流量使其满足工艺要求 3） 用 25 水作为冷却剂，通入 全凝器和冷却器对塔顶蒸汽进行冷凝和冷却。从预热器、 全凝器、冷却器出来的液体温度分别在50、 40 和 35 左右，可以用于民用热澡水系统或输往锅炉制备热蒸汽的重复利用。 4） 为了能使塔有一定操作弹性， 允许气体液体流量增大，所以采取大于工艺尺寸所需的管径 . 图 2程图 选塔依据 根据生产任务，若按年工 作日 300 天，每天开动设备 24 小时计算， 产品流量 4 为 ，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，选用浮阀塔。 设计思路 首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷 凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。 图 2设计思路 第三章 塔板的工艺设计 3加料状态的选择 4、加热方式的选择 5 回流比的选择 5 馏塔（精馏段 ）全塔物料衡算 F：原料液流量（ s） 料组成（摩尔分数，下同） D：塔顶产品流量（ s） 顶组成 W：塔底产品流量（ s） 底组成 原料乙醇组成： 18/=顶组成： 18/=底组成： 18/=料量： F = sk m o l /6 7 0 0243 0 0 7 5 / 1 / 4 万吨物料衡算式为：F D WF x D x W x联立方程组解得： D =s W=s 算温度、密度、表面张力 、粘度、相对 挥发度气液相及体积流量 表一 水气液平衡组成 (摩尔 )与温度关系 温度 /相 气相 温度 /相 气相 温度 /相 气相 100 6 F D 温 度利 用 表 中 数 据 由 拉 格 朗 日 插 值 可 求 得 t 、 t 、 03 9 0 0 精馏段平均温度 2 提馏段 平均温度 22密度 已知：混合液密度 依式 L1 = （ M 为平均相对分子质量） 混合汽密度 依式 002 2 . 4vT p 塔顶温度： 气相组成 ： 进料温度： 气相组成： 9 塔府温度 ： 7 气相组成： (1)精镏段： 液相组成1x： 1 /2x xx 气相组成 1y ： 1 /2y yy m o / )6 4 0 86 4 0 2) 提馏段： 液相组成 2x ： 2 /2x xx 气相组成2y： 2 /2y yy 所以 )0 5 9 80 5 9 2 5 4 82 5 4 二 温度 /乙 水温度 /乙 水80 85 90 735 730 724 5 100 720 716 得在1t ,7 3 57 3 0 8085 乙 = kg/ 1 8 8085 水p, 水 = kg/8 同理 ： t ，724 095 乙 = kg/ 5 9 0 9 4 . 4 3 9 09 6 1 . 8 5 9 6 5 . 3 水 水 = kg/精馏段：液相密度 ： 气相密度： 31 / 在提馏段：液相密度 ： 38 6 0 2 0 5 9 9 60 5 9 气相密度： 32 / 3. 混 合 液 体 表 面 张 力 二元有机物 公式：W 00 x V = 000 00 x V 1 / 4 1 / 4 1 / 400m S W W S /S W S W W V 000 0) 2 / 3 2 / 3000 . 4 4 1 ( ) A B Q 20) 0 1 式中下角标， W、 O、 S 分别代表水、有机物及表面部分， 、0为纯水、有机物的表面张力，对乙醇 q=2。 （ 1）精馏段： t 温度 /0 80 90 100 9 乙醇表面张力/108 表面张力 /108.8 m o 618 3 m o 6 3000 乙醇表面张力：乙 090， ； 水的表面张力：水 090， 。 22 00 0 0 0 01 ) W W W W x x V x V x V x V x V（ ） (= 2 / 3 2 / 3000 . 4 4 1 ( ) =B+Q= 立 方 程 组 20) 0 1 W S 5 (2) 提馏段： m o 118m o 6000 乙醇表面张力：乙 0100， 乙 10 水的表面张力：水 0100， 水 。 22 00 0 0 0 01 ) W W W W x x V x V x V x V x V（ ） ( B 2 / 3 2 / 3000 . 4 4 1 ( ) 联 立 方 程 组 20) 0 1 s 4/14/14/1 物 的 粘 度 t 查表得： ， ，查表得： 水 醇 精馏段粘度：1 1 1(1 ) 醇 水 提馏段粘度：2 2 2(1 ) 醇 水 5相对挥发度 由 得： 7 7 F由 11 D 0 0 由 （ 1）精馏段相对挥发度 （ 2）提 馏段相对挥发 度 6. 气 液 量 体 积 流 量 计 算 因为是饱和液体进料，所以 q=1,又因 以 q 为一条直线。由 1q 115.0 424.0所以 0 4 4 i n xy m 已知：精馏段操作线方程： 3 3 xR y 99 在图上作操作线，由点（ 在平衡线与精馏段操作线间画阶梯，过精馏段操作线与 到阶梯与平衡线的交点小于 止，由此得到理论 4 快（包括再沸器），加料板为第 板效率与塔板结构，操作条件，物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式： 0 . 2 4 50 . 4 9 计算。 其中： 塔顶与塔底 平均温度下的相对挥发度； L 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度 12 （ 1）精馏段 已知 sm 39 4 块 （ 2）提馏段 已知 sm 提=全塔所需实际塔板数： 提=26+全塔效率： %00 0 00 20 40 60 80 0Y 相体积流量计算 根据 由解析法计算求得： R 取 m 13 （ 1）精馏段 则体积流量： 8 （ 2）提馏段 q=1 sk m 8 0 sk m o 2 2 则质量流量： 有 u =(安全系数 ) 安全系数 =m a c 可由史密斯关联图查出 横坐标数值为 1111 取板间距 5.0 图可知 C u =0.7 = 1 14 圆整 塔截面积 291.4 实际空塔气速为 横坐标数值为 2222 取板间距 则 查图可知 u =0.7 = 圆整 塔截面积 291.4 实际空塔气 速为 2u = 15 流装置 1、 堰长 取 =口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度 下式计算 16 2 / 32 . 8 41000 近似取 E=1 （ 1） 精 馏段 mh （ 2） 提馏段 mh mh w 查图得 2354.0 验算降液管内停留时间 精馏段： 提馏段： 停留时间 5s 故降液管可以使用 （ 1）精馏段： 取降液管底隙流速 ,则 w S （ 2）提馏段： 取降液管底隙流速 ,则 m 17 板布置及 浮阀数 目与排列 1. 塔板的分块 本设计塔径 D=塔板采用分块式，以便通过入孔装拆塔板。 （ 1）精馏段：取阀孔动能因子 2，孔速01 001= s 每层塔板上的浮阀数目为： 120 0 1=512 个 取边缘区宽度 沫区宽度 计算塔板上的鼓泡区面积，按 22 2 1 s i 0 x 式计算 其中： 所以 ： m 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距 t=排间距： = 塔板开孔率 01u 100%u = % =（ 2）提馏段：取阀孔动能因子0F=12， 孔速02 =s 每层塔板上的浮阀数目为： 18 2 =435 取 t=排间距： =上取 t =排得阀数目为 440 个。 F 阀动能因子变化不大，仍在 913 范围内。 塔板开孔率 =第四章 塔板的流体力学计算 空 参考资料： 1 华东理工大学化工原理教研室编 . 化工过程设备及设计 . 广州：华南理工大学出版社 . 2 天津大学化工原理教研室编 . 化工原理 (下 ). 天津：天津大学出版社 . 3 大连理工大学王国胜主编 大连理工大学出版社 化工原理课程设计教师评分表 评价单元 评价要素 评价 内涵 满分 评分 平时成绩 20% 出勤 能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。 10 纪律 学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课