乙醇-水连续精馏系统设计

1、设计说明设计课程: 班级名称: 课题名称: 学生名称:指导老师:年 月日设计任务书系（部）：班级：学生姓名:设计题目:乙醇一一水连续精馀系统的设计设计任务：一、原始资料：（一）、工艺参数：原料乙醇的含量为300.5%n （n为 本人序号，n为奇数时取“ + ”，n为偶数时取“一”产品要求：Xd=0.95Xw=0.03F=5000 kg/h（二）、工艺操作条件：常压精储塔底间接加热，泡点进料，泡点回流，R= （1.22.0）二、提交内容：（一）、设计说明书一份（包括封面书、任务书、摘要、 关键词、目录、正文、成绩评定表）（二）、设计图纸一张（工艺流程示意图）指导老师： （签字）年 月 日 系主任

2、： （签字）年 月 日摘 女精储所进行的是气（汽）、液两相之间的传质，而作 为气（汽）、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使 气（汽）、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效 率。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物 系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。本论文 设计了乙醇和水的分离过程连续精储塔，设计满足毕业 设计的要求，对精储塔进行物料衡算和塔的工艺条件及 物性数据进行了计算，并对塔体、塔板工艺尺寸作了计 算。关键词：精储塔计算设备AbstractThe distillation is gas (vapor), liquid two-phase between the ma

3、ss transfer; and as a gas (vapor), liquid two of the tower equipment used it, we should first can contentious (vapor), liquid two-phase get sufficient contact, in order to achieve higher mass transfer efficiency. Different tower each have some unique advantages, design should be based on the content

4、 of nature and specific requirements, seize the main contradiction selection. This paper designed the ethanol and water separation process of continuous distillation, design meets the requirements of graduation design, the column of materials and calculation of the tower of process conditions and ph

5、ysical property data are calculated, and the tower body, tower board the calculation process size.Keywords： column calculation equipment目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Current Document .概述0乙醇一一水物系0乙醇性质及用途0乙醇一一水物系特点1 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 精微的方法2 HYPERLINK l bookmark23 o

6、Current Document 选题的意义3 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 设计任务3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 设计任务3 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 设计思路4 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document .工艺流程和工工艺设备的选择5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 工艺设备的选择5 HYPERLINK l bookmark35

7、o Current Document 工艺参数的选择7 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 进料参数7 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 回流方式及回流比的选择7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document .设计计算8 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 物系计算8 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 平均挥发度的计算9 HYPERLINK l bookmark

8、47 o Current Document 全塔的物料衡算9操作线方程的计算11 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 精偏段气液相流量及操作线方程计算11332提留段气液相流量及操作线方程计算12 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 精微塔的计算14 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document .总结161.概述乙醇水物系乙醇性质及用途（1）乙醇物性：乙醇俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无 色透明液体，凝固点为密度0.7893g/cm3,在空气中

9、的 爆炸极限为3.28%18.95%（体积分数），闪点11,沸点78.5 , 使用时须注意安全。它能和水及大多数有机溶剂混溶。它的水溶 液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性，能溶解多种有 机物和无机物，能和水以任意比列互溶（一般不做萃取剂）。（2）乙醇化性：和金属反应2cH3cH2OH+2Na=2CH3cH2ONa+H2结论：可以和金属钠反应，产生氢气，但不如水和金属钠反应剧烈; 活泼金属（钾、钙、钠、镁、铝）可以将乙醇羟基里的氢取代出 来。和氢卤酸反应C2H50H+HBr=C2H5B1+H2OC2H50H+HX=C2H5X+H2O注意：通常用溟化钠和硫酸的混合物和乙醇加热进行该反应。故

10、 常有红棕色气体产生。氧化反应燃烧：发出淡蓝色火焰，放出大量的热CH3cH2OH+O2=2CO2+3H2O催化氧化：在加热和有催化剂（Cu或Ag）存在的情况下进行。2cH3cH2OH+O2=2CH3cH0+2七0 工业制乙醛C2H5OH+CuO=CH3CHO+Cu+H2O 即催化氧化的实质（用Cu作催化剂）消去反应分子内消去制乙烯（170浓硫酸）C2H50H=C2H4+H2O分子间消去制乙醛C2H5OH+HOC2H5=C2H50c2H5+H2O （140浓硫酸） （3）乙醇的用途：乙醇是使用最广泛的一种醇。因其性质比较活泼，是有机合成的重要原料，如用乙醇制乙 酸、乙醛、乙酸等；因它具有广泛的溶

11、解性，是重要的有机溶剂, 用于溶解树脂、制作涂料等；因其在空气中燃烧充分，可避免污 染，而且燃烧热值较大。可用作内燃机和实验室的燃料；因75% 的酒精能立即使蛋白质变性（凝固），在医药上常用作消毒剂和防腐 剂；乙醇还广泛用作饮料和食品添加剂，但必须注意：不能超量 饮用，以免引起酒精中毒，青少年尤其不宜饮用含酒精的饮料； 工业酒精中含有毒性的甲醇，决不能饮用。1.1.2乙醇水物系特点1.1.2乙醇水物系特点乙醇水物系存在最低恒沸点，所以采用普通方法精饰所制得 的酒精，其酒精含量不会大于95.57%.必须改用其他方法，才能 进一步分离得到无水乙醇。目前工业上无水乙醇的生产方法主要 有恒沸精镭、萃取

12、精镭、吸附和膜分离4种方法。醇溶解于水时和水形成氢键，使二元混合物的性质更加复杂。 醇水混合物的性质和相应纯物质的性质完全不同。精微的方法简单的蒸储和平衡蒸储，都是单级分离过程，不能得到纯度 较高的产品。而且，当混合物各组分挥发度相差不大时，用这两 种方式是无法达到满意的分离效果。精微是借助“回流”技术的多级分离过程，可同时进行多次 部分汽化和多次部分冷凝，因此可是混合物得以几乎完全分离。由精镭原理可知，仅有精微塔还不能完成精储操作，必须同 时有塔底的再沸器和塔顶的冷凝器以保证必要的回流。有时还要 配备原料预热器等附属设备才能实现整个操作，如图11为连续 精镭操作流程。图中原料液从塔中间适当位

13、子进入塔内，塔顶蒸 气通过冷凝器冷凝成液体，冷凝液的一部分汇入塔内，称为回流 液，其余作为塔顶产品（镭出液）连续排出。塔底部的再沸液用 于加热液体，产生的蒸气引入塔内作为气相回流，和下降的液体 逆流接触。塔底产品（釜液）自再沸液连续排出。进料板以上，上升蒸气中难挥发组分向液相传递，而回流液 中易挥发组分向气相传递，两相间传质的结果，使上升蒸气中易 挥发组分含量逐渐增加，到达塔顶时，蒸气将成为高纯度的易挥 发组分。因此，塔的上半部分完成率上升蒸气中易挥发组分的精 致，因而称为精馀段。进料板一下（包括进料板），同样进行着下降液体中易挥发组 分向气相传递，上升蒸气中难挥发组分向液相传递的过程。两相

14、间传质的结果是在塔底得高纯度的难挥发组分。因此，塔的下半 部分完成了下降液体中难挥发组分的提浓，因而称为提镭段。一个完整的精储塔应包括精馀段和提镭段，才能达到较高的 程度分离。选题的意义乙醇在工业，医药，民用等方面，都有广泛的使用，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，这是很困难的，因为乙醇极具挥发 性，所以们要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高浓度，要用连续 精微的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馀是多数分离 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。设计任务设计任务一、原始数据（一）、工艺参数：

15、原料乙醇的含量为300.5%n （n为 本人序号，n为奇数时取“ + ”，n为偶数时取“一”产品要求： Xd=0.95Xw=0.03F=5000 kg/h（二）、工艺操作条件：常压精馀塔底间接加热，泡点 进料,泡点回流,R= （L22.0）二、提交内容:（一）、设计说明书一份（包括封面书、任务书、摘要、 关键词、目录、正文、成绩评定表）（二）、设计图纸一张（工艺流程示意图）本设计按以下几个阶段进行：（1）设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馀装置的流程、 操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。（2）蒸储塔的工艺计算，确定塔高和塔径。（3）塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力

16、学校核计 算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。（4）管路及附属设备的计算和选型，如再沸器、冷凝器。（5）绘制精馀装置工艺流程图和精微塔的设备图。本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离, 应采用连续常压精微流程。设计思路本设计按以下几个阶段进行：（1）设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馀装置的流程、 操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。（2）蒸馀塔的工艺计算，确定塔高和塔径。（3）塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计 算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。（4）管路及附属设备的计算和选型，如再沸器、冷凝器。（5）绘制精馀装置工艺流程图和精馀

17、塔的设备图。本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离, 应采用连续常压精微流程。.工艺流程和工工艺设备的选择工艺设备的选择精微设备所用的设备及其相互联系，总称为精储装置，其核 心为精馀塔。常用的精储塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备, 和其他传质过程一样，精馀塔对塔设备的要求大致如下：一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生 液泛等不正常流动。二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较 高的塔板效率或传质效率。三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动 力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两

18、相 均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。五：结构简单，造价低，安装检修方便。六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。气一液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精储操作 既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气一液 传质设备，其种类繁多，根据塔板上气一液接触元件的不同，可 分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌 形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔 （1813年）、筛板塔（1832年），其后，特别是在本世纪五十年代以后, 随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板, 如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形

19、塔板、穿流式波纹塔 板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看, 主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为 广泛。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：（1）结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%,为浮阀塔的80%左右。（2）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015%。（3）塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。（4）压降较低，每板压力比泡罩塔约低30%左右。筛板塔的缺点是：（1）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。（2）操作弹性较小（约23）。（3）小孔筛板容易堵塞。工艺参数的选择进料参数进料：乙醇一水的混合溶液，其中乙醇含量质量分

20、数：29.98%；原料处理量：质量流量=5000 kg/h (3)摩尔分率：Xd=0.95,Xw=0.03 o工艺操作条件：常压精储塔塔底间接加热，泡点进料，泡点 回流。当进料组成一定时，流量也一定时，采用冷液进料，但受环 境较大；而采用泡点进料，不仅较为方便，而且不受环境温度的 影响，同时又能保证精馀段和提留段塔径基本相等，制造方便。进料热状态有五种，即时，为低于泡点温度的冷凝进料；q= 1时，为泡点下的炮和液体；q=0,为露点下的炮和蒸汽；lq0,为介于泡点和露点间的气液混合物；q0,为高于露点的过热蒸汽进料。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器至饱和点进入精 储塔。回流方式及回流比的选

21、择泡点回流易于控制，设计和控制时比较方便，而且可以节约 资源。所以本设计选择泡点回流。选择回流比，主要从经济观点出发，为求回流比设备费用和操作费用之和最低。一般为R=(1.22.0) Rmino本设计回流比取最小回流比的1. 4倍。.设计计算物系计算表一：乙醇一水系统tXy数据沸点乙醇摩尔百分数沸点乙醇摩尔百分数Xy相对挥发度aXy相对挥发度a99.90.0040.05313.2681.333.2458.782.8799.80.040.5112.8180.642.0962.222.2699.70.050.7715.5180.148.9264.701.9199.50.121.5713.2879.

22、8552.6866.281.7799.20.232.9012.9679.561.0270.291.5199.00.313.72512.4479.265.6472.711.3998.250.394.5112.0678.9568.9274.691.3397.650.798.7612.05778.675.9979.261.2195.81.6116.3411.9478.479.8281.31.09991.34.1629.929.8378.2783.8784.911.0787.97.1439.16 8.3785.212.64 47.49 6.2583.75 17.4151.67 5.0778.285.9

23、786.478.589.4789.4178.75 72.36 76.931.041.00031.278227.356.44 3.493-1-1平均挥发度的计算挥发度计算公式：a= J。二？ X(l X)经计算，a i(127值如表一所示。所以有公式得：%=啊x % x%.X % x%= V13.6x 12.8x15.51 xxl.0003 xl.27得3.917全塔的物料衡算乙醇(CHCROH)的相对分子质量为46,水的相对分子质量为 18 乙醇的含量=30-0.5%x4=29.98%水的含量=129.98%=70.02%/46 70.02%/71829.98% /46 70.02%/7182

24、9.98练+_0.006517-0.006517+0.0389=0.14348釜液组分：Xw=l0.14348=0.85752原料液的平均相对分子质量：MF=0.143x46+0.857x18=22.004原料液流量：Gf 5000F=- =227.2Mf 22.004由全塔物料衡算：F=D+WFXf=DXd+WXw带入已知数据可得：D=27.91W=199.2910操作线方程的计算33.1精储段气液相流量及操作线方程计算由物系计算知：am = 3.917 因为是泡点进料：xF=x(/=0.14348有平衡方程式:=0.39623.917x0.14348有平衡方程式:=0.3962l + (a

25、-l)-xt/ -1 + (3.917-1)x0.14348 所以得：人/出=磊器 = 25 因为本设计取回流比R为最小回流比Rmm的1.4倍R = L4x2.1915=3由回流比R* = 3得L = RxD = 3x27.91kon% = 83.3k。，%带入数据可知：V = L + D = 83.73侬1% + 27.91% = 111.64人吗所以精馀段的操作线方程：) = xd = 095xi =0.95% + a加(1 - %) 0.95 + 3.917(1-0.95)= 0.8291 x0.8291+ = 0.8593R+l 1+33+10.8593y2 + am (1- y2)

26、0.8593+3.917(1-0.8593)= 0.6092r3o 95=x 0.6092+ = 0.6944R+l 1+33+10.6944)3 +(1 - )3) 0.6944+3.917(1- 0.6944)= 0.3671Ry4 =冬 +74 H + l 3X0.3671+ = 0.5128X4 =H+l 1+33+10.5128y4 + c(m (1 - J”) 0.5128+ 3.917(1 -0.5128)= 0.2118Rys =x4 +-H + l30 95 X0.2118+ = 0.3964R+l 1+33+10.3964Xdy5 + am (1 - y5) 0.3964+

27、 (1- 0.3964)= 0.14358Ry6 =x5 +.6 R + iXd)6X0.14358+ = 0.3452/? + l 1 + 33 + 10.3452%+ %(1),6) 0.3452+(1-0.3452)= 0.1186所以第五层为理论进料板，精僧段所需理论层数为五层。332提留段气液相流量及操作线方程计算由U= L + F = 83.37+227.2= 310.39kln% 提留段的操作线方程为:12I： , W310.93,199.29 八 0=x m=X.x0.03L-W L_W 310.93-199.29310.93-199.29=2.7851-0.05355 x =

28、 x6 = 0.11862.785Lx-0.05355= 0.2768d v，202768= 0 089012 y2+a(l- y2) 0.2768+ 3.917x(1-0.2768),y3r= 2.7851.x,2-0.05355 = 0.1943/ _ J： q 05800.3 y3+z(l-y3) 0.1943+3.917x(1-0.1943),、y/= 2.785bx-0.05355 = 0.1080V _2= o 029984 y4+cr(l-y4) 0.1080+3.917x(1-0.1080)x4三提留段所需理论板层数为三层所以总的理论层数为5+3=8层精馀塔所需实际板层数为：由 E = 9xl00%得：Q50%=xlOO% NPNp=16所以实际板层数为16层。133.4精僧塔的计算精镭段上升蒸汽的体积流量:E： 40%60%, T=(78+85)/2, P 为常压：10L3KP, U=1.52.0zg 22.4x V