化工原理课程设计乙醇——水混合液常压连续精馏

1、课程设计任务书一、设计题目：乙醇水混合液常压连续精馏二、设计原始数据： 原料液处理量28000吨/年 原料液初温20 原料液含乙醇45%（质量） 馏出液含乙醇93%（质量） 乙醇回收率99.9%（质量）三、设计任务：完成精馏工艺设计，精馏塔设备设计和有关附属设备的设计、选用；编写设计说明书；绘制工艺流程图和塔板结构简图。四、设计完成日期: 2013年01月18日五、设计者 ： 王尧尧设计指导教师：张鸿发目录：1. 绪论2. 工艺计算3. 塔设备的计算4.泵的选择及计算5. 主凝器选型6. 再沸器加热釜中水蒸汽的用量计算7.计算结果汇总表8.工艺流传简图绪 论精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装

2、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，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。 精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，

3、控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。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的，塔内装有若干层塔板或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

4、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。 本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。 通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。 一、工艺计算：利用水一乙醇的

5、平衡数据在坐标上作xy图，（见附图）部分平衡数据见指导书。（一）设计原始数据原料液处理量：28000吨/年原料液初温：20原料液含乙醇：45%（质量）馏出液含乙醇：93%（质量）乙醇回收率：99.9（质量）由于在生产过程中，除去设备安装，设备检修等因素外，假定每年生产300天。则每小时处理量：（二）物料衡算及最适回流比的选择乙醇分子量为：46.068，水分子量为18.016解方程得： =0.00034083在制成的平衡图上分别定出点xF、xW、xD各点，在全回流的情况下R，操作线与对角线重合，此时有最小理论塔板数Nmin，过点（xD、xD）作平衡曲线的切线，其斜率为：Rmin=1.8387 (

6、P33)下面用逐板计算法，求出最小理论塔板数Nmin在一定范围内，有符合 当x0.3时，当x0.3时，x1=xW=0.00034083x2=0.0044076 2=12.594 y2=0.05281x3=0.05281 3=9.1110 y3=0.33686x4=0.33686 4=2.8925 y4=0.59503x5=0.59503 5=1.5903 y5=0.70030x6=0.70030 6=1.3155 y6=0.75453x7=0.75453 7=1.2034 y7=0.78719x8=0.78719 8=1.1432 y8=0.80875x9=0.80875 9=1.1062 y

7、9=0.82388x10=0.82388 10=1.0817 y10=0.83499x11=0.83499 11=1.0641 y11=0.84337x12=0.84337 12=1.0511 y12=0.84984x13=0.84984 13=1.0412 y13=0.85492 层回流比的确定：理论根据：采用吉利兰关联图，以R-N为坐标作图。nR=nRmin1.051.93060.0313710.6446629.3571.102.02260.0608320.5966625.7441.202.20640.114690.5303121.9661.302.39030.162700.4821319

8、.8301.402.57420.205780.4439818.4001.502.75810.244630.4124417.3591.602.94200.279870.3856816.5591.703.12580.311960.3625515.9221.803.30970.341320.3422815.4011.903.49350.368270.3243314.9652.003.66740.393100.3082814.5942.103.86120.416060.2938414.2752.204.04510.437340.2807513.9982.304.22900.457120.2688313

9、.7532.404.41290.475570.2579213.5362.504.59770.492790.2478913.3422.604.78060.508930.2386313.1682.704.96450.524070.2300613.0102.805.14840.538300.2221012.8672.905.33220.551710.2146812.7363.005.51610.564360.2077612.616坐标图上绘出R-N图，由曲率最大处确定R值（见附图）回流比的选取需综合考虑设备费用及经常费用的影响，选取最佳回流比。确定R=3（因为作出的Rmin偏小，故R取稍大）（三）操

10、作线方程的确定及计算：1、精确段操作线方程：（从下往上数1、2、3、 ）2、q线方程的确定求进料操作状态：V=D（R+1）=45.254(3+1)=181.02 kmol/h假定泡点进料：由于恒摩尔流V=V则塔釜中水的汽化量为：181.0218.016=3261.2 kg/h取釜内P=1atm ts=100 水=536.5 kcal/kg每小时汽化V水需热:Q1=3261.2536.5=1.749625106 kcal/h设加热蒸汽压力为4 kgf/cm2查得Ts=142.9 汽=511.1Kcal/kg需水蒸汽量 该蒸汽的冷凝水作为原料的加热热源假定水的出口温度为70 Cp水=1 kcal/

11、kg原料进口t1=20 组成45%（质量）其沸点ts=82.45Cp=0.978+0.00274t kcal/kg考虑热损失为10%，则：可以泡点进料。但考虑到换热器两端温差太大，热应力较大，设备要求较高，故采用60进料，将多余的热量可作其它用途，如生活用水等，并改用3kgf/cm的蒸汽将原料液从2060进料。q线方程：q点的确定 解得xq=0.2507yq=0.37253、提留段操作线方程 P22式1-414、逐板计算：提馏段：x1=xw=0.00034083xyq进入精馏段操作xn+1=1.25yn-0.21492x5=0.40398 5=2.4173 y5=0.62099x6=0.561

12、32 6=1.6989 y6=0.66849x7=0.64123 7=1.4592 y7=0.72284x8=0.68863 8=1.3423 y8=0.74802x9=0.72011 9=1.2730 y9=0.76609x10=0.74269 10=1.2227 y10=0.77978x11=0.75981 11=1.1936 y11=0.79061x12=0.77334 12=1.1684 y12=0.79946x13=0.78441 13=1.1485 y13=0.80690x14=0.79370 14=1.1321 y14=0.81328x15=0.80115 15=1.1314 y

13、15=0.82008x16=0.80868 16=1.1066 y16=0.82673x17=0.81849 17=1.1059 y17=0.82838x18=0.82056 18=1.0871 y18=0.83252x19=0.82573 19=1.0787 y19=0.83637x20=0.83054 20=1.0711 y20=0.83999y20=0.839990.83860总的理论塔板数： 层（包括釜）提馏段的理论塔板数： 层（包括釜）精馏段的理论塔板数：N2=20.616-4.003=16.613层4、板效率的确定1、精馏段：塔顶 xD=0.83860 ts=78.3 加料板：xF

14、=0.24241 ts=82.45 查得平均温度下的 x=0.46265（=0.8938(x)-1.0632=0.8938(0.46265)-1.0632 =2.0284=0.57 cpET=0.49 ()-0.245 =0.49(2.02840.57)-0.245 =0.47288 2、提馏段：加料板 xF=0.24241 ts=82.45 塔底 xW=3.408310-4 ts100查得平均温度下的 x=0.042275=1.1213(x+0.2)-1.5235=1.1213(0.042275+0.2)-1.5235 = 9.7214= 0.50 cpET= 0.49()-0.245 =

15、0.49(9.72140.50)-0.245 = 0.33262实际塔板数：N精= 取36 层N提= 取9 层（不包括釜）加料板位置：在第37块塔板上总的塔板数N=37+9=46层二、塔设备的计算理论教科书见P154167需要算的参数如下：通过前面工艺设计及查阅有关资料，列出设备设计的有关工艺参数表： 基准参数塔顶进料板塔底备注温 度 压 力 Pa气相负荷VS m3/S液相负荷LS m3/S气相密度V kg/m3液相密度L kg/m3液体表面张力 Nm液体粘度 Cp 塔顶压力可按常压计，塔底压力可按每块塔板5060mm液柱估算。塔径初估 应分别计算 再圆整。液泛速度 当20mN/m时应按下式校

16、正 可查史斯密关联图，乙醇水溶液的可按下式计算： 板间距按有关要求选定。 溢流装置设计 根据塔径和液体流量选择板上液体流动形式和溢流管类型。 根据塔板系列参数选用或计算确定降液管及堰的有关参数，包括：堰长 、堰高 、降液管下端问隙 及液体在降液管内的停留时间。 塔板布置设计 浮阀数的确定 （精馏段、提馏段分别计算）根据浮阀全开时的阀孔动能因素912 ，选择 ，按下式计算阀孔气速 则理论浮阀数可按下式计算： 浮阀的排列及塔板布置确定鼓泡区、溢流区、破沫区和无效区的尺寸，并确定阀孔间距和排间距，作图排列得实际浮阀数。验算实际动能因素和开孔率是否符合适宜范围，若精馏段和提馏段浮阀数相近，又能满足工艺

17、要求时，最好统一。画出塔板平面布置图。 液体力学验算 包括： 气体通过塔板压降 雾沫夹带验算 液泛验算负荷性能图绘制分别画出精馏段、提馏段的负荷性能图，求出操作弹性。列出塔的性能表将以上设计所得的有关参数列入表中。 接管和塔高 接管规格根据流量和液体性质，选取经验流速，确定管道和接管标准。 全塔总高包括：塔顶空间、塔底空间、裙座高度。二、塔设备的计算（一）精馏段：（塔顶）设备计算及校核1、已知数据：物料：乙醇水混合物平均分子量= 46.0680.83860+18.016(1-0.83860) = 41.540操作压力 1.013105 N/m操作温度：78.2水的密度：乙醇的密度：2= 736

18、 kg/m3L=748.76 kg/m3蒸汽密度：液体表面张力：水：1=62.789 dyn/cm乙醇：2=17.6 dyn/cm液体流量：气体流量：采用单流型塔板，暂定板间距HT=0.4mC20=0.079取液泛分率0.8u=0.8uF=0.81.7950=1.4360 m/s取 则 lw=0.6499D图整到1.00m堰及降液管的设计(秒)how的求取 查得E=1.04取hw=0.045m则hL=0.045+0.015151=0.060151 m降液管底部距下一板的间距ho。ho=hw-0.015=0.045-0.015=0.03m浮阀布置：取Fo=11 个选取等边三角形排列，取t=65m

19、m中心距75mm，作图排列得浮阀孔116个，孔速：开孔率 塔板压降： m液柱h1=0.5hL=0.50.060151=0.030076 m液柱hp=hc+h1=0.04409+0.030076=0.07417 m液柱Hd = hL+hd+hp=0.060151+0.001572+0.07417 = 0.135893 m液柱0.135893m液柱0.5(HT+hw)=0.5(0.4+0.045)=0.2225m故不会淹塔雾沫夹带：KCF=10.106=0.106Z=D-2Wd=1-20.1200=0.7600 mAb=AT-2Af=0.785-20.05338 = 0.6782m2 此时雾沫夹带

20、量 e0.1此时雾沫夹带量 e0.1负荷上限时：a、淹塔控制时：Hd(max)=0.5(0.4+0.045)=0.0225 m液柱hp = Hd-hL-hd = 0.16078 m液柱hc0.060151=0.13070 m液柱Vs（max）=1.26191.72174=2.1727 m3/s Wo(max)=1.721748.6575=14.906 m/sb、负荷下限（二）提馏段的设备计算及校核提馏段塔釜内可接近于纯水已知数据：水的分子量为18.016 操作压力1.013105N/m2（没有考虑塔板压降）水的密度：L=958.4 kg/m3蒸汽密度：液体表面张力：=58.8 dyn/cm液体

21、流量及气体流量L = L+qF=45.5243+1.0677156.71 = 303.89 kmal/hV = V-（1-q）F = 45.524(3+1)-(1-1.0677)156.71 = 192.71 kmal/h定板间距HT=0.3mC0=0.065取液泛分率0.8u=0.8uF=0.83.2530=2.6024 m/s考虑到设备制造及强度等问题，园整到1.10m堰及降液管的设计AT=0.67547 Af=0.04593 m2Wd/D=0.1200 wd=0.132how的求取查得E=1.025取hw=0.04m 则hL=0.051311 m则ho=0.04-0.015=0.025

22、m浮阀布置：取Fo=11取t=80mm，中心距100mm，作图排列得浮阀孔96个孔速：塔板压降： m液柱h1=0.5hL=0.5*0.051311=0.025656 m液柱hp=hc+h1=0.034367+0.025656=0.0600225 m液柱 m液柱Hd=hL+hd+hp=0.051311+0.0011098+0.0600225=0.11244 m液柱0.112440.5(HT+hw)=0.5(0.3+0.04)=0.17故不会发生淹塔雾沫头带查图CF=0.074 则KCF=0.074此时e0.1负荷上限a、淹塔控制时：Hd(max）= 0.5(HT+hw) = 0.5(0.3+0.

23、04)=0.17 m液柱hp = Hd-hL-hd = 0.11758 m液柱hc0.051311 = 0.091924 mVs(max) = 1.63831.6355=2.6794 m/sb、负荷下限Vs(min)=1.63830.38970=0.63845 m/s（三）负荷性能图1、精馏段的负荷性能图：（1）极限雾沫夹带线取F1(max)=80%Vs = 1.5722 - 25.673 Ls取二点作直线（0，1.572），（0.002，1.5209）Vs=1.0214 m3/s（2）液泛线：0.00559695EL2/3+0.02466Vs2+673.65Ls2=0.225序号123456

24、假定Ls（10-3）m3/s5678910L m3/h182022242628E1.071.081.091.101.111.12Vmax m3/s2.60252.51682.41722.30182.16792.012（3）液相上限线（4）液相下限线L=1.5843 m3/h=0.00044008 m3/s（5）漏液线Fomin=5 2、提馏段的负荷性能图：（1）极限雾沫夹带线取F1(max)=80%取二点作直线（110-3，1.9148），（510-3，1.7314）Vs=1.2632 m3/s（2）液泛线0.0055187EL2/3+0.017417Vs2+532.23Ls2=0.10序号1

25、23456假定Ls （10-3）m3/s3.03.54.04.55.05.5L m3/h121416182022E1.051.061.071.081.091.10Vmax m3/s1.9291.8481.7611.6651.4831.442（3）液相上限线：（3）液相下限线L=1.6308 m3/h=0.000453004 m3/s（5）漏液线Fomin=5 （四）、塔高及塔接管的计算：（1）设塔顶高Hd=1.5m 塔底高Hc=1.2m 塔座高Hb=2m 进料位置两块板间距HF=1m精馏段开三个人口，塔顶及第12层，和24层处各一个，加料位置一个，提馏段第4层上开一个，共五个人孔，人孔=0.5

26、0mH=（N精-1）HT+Hd+20.5+(N提-1)HT+HC+0.5+HF+Hb =（36-1）0.4+1.5+20.5+(9-1)0.3+1.2+0.5+1+2 = 23.6m（2）接管：（a）塔顶蒸汽管已知V=1.4490 m3/s选uv=15 m/s取3258无缝钢管则实际气速:（b）回流接管已知：L=RD=345.25442.132=5719.9 kg/hrL=746.91 kg/m3选WR=0.4 m/s选955实际速度：（c）进料管已知G=3888.9 kg/h选WF=0.6 m/s乙醇=756 kg/m3 水=983.2 kg/m3=866.07 kg/m3选545实际流速（

27、d）再沸蒸汽入口管已知V=1.4954 m3/s选u=15 m/s选3779实际速度 （e）塔釜出料管：已知W=L=0.0012826 m3/s选WW=0.7m/s选605实际速度可能用到的公式：三、泵的选择及计算：1、选定主凝器的安装高度为26m2、冷却水在t=25下的物性参数：=996.95 kg/m3 =1.155 Cp体积流量:假定u=2 m/s 选取 1144 （P359）实际流速：e=0.05 (P48)则 考虑泵安装位置取管长L=40m查得=0.0183 (P54)直管阻力局部阻力:假定管路中由下列管件组成名称入口出口闸阀弯头管接头其他数量11122值0.510.170.750.

28、0412.5 = 0.51+11+10.7+1+20.75+20.04+12.5 = 15.75hf=hf1+hf2=2.2765+5.1921=7.4686 m在贮水槽与冷却水进入冷凝器管口列柏努利方程：Q=0.022432 m3/s= 80.75m3/h选取4B54A，参数如下： 流量：90 m3/h扬程：43 m转速：轴功率：15.6 kw电机功率：20 kw效率：69%吸上高度：4.5m叶轮直径：200mm四、主凝器选型产物浓度94%（质量）温度T=78.2气化潜热：r=228.80 kcal/kg气体的质量流量：V=（R+1）D = 水：进口温度 t1=25 出口温度 t2=45 密

29、度 比热 Cp=0.997 kcal/kg 粘度=0.727 Cp 导热系数 =0.626 w/m 热换失 5% Q=Vr=2.1185228.80=484.71 kcal/s用水量 假定K=750 kcal/m2h选取一列管式固定管板热交换器 G-600- II -16-55公称直径Dg=600mm，管程II管数 n=254根管长=3000mm管程通道截面积 Ao=0.040碳钢管252.5管程流速为0.5米/秒时的流量为72.0 m3/h水走管程，汽走壳五、再沸器加热釜中水蒸汽的用量计算：物性常数：V=(R+1)D-(1-q)F=191.625 kmol/h=3449.25kg/h塔底压力： 水在p = 1.2796 kg/cm2下的沸点 T=106.05 水 = 535.70 kcal/kg加热水