乙醇-水混合液板式精馏塔的设计

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1、.齐齐哈尔大学化工原理课程设计题目 乙醇-水混合液板式精馏塔的设计学 院 材料科学与工程学院专业班级 学生姓名 指导教师 成绩 2012年 6 月 13日.摘要此设计为年产1.1万吨92乙醇溶液的初步设计。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。本文阐述

2、了高纯度的乙醇产品的精制过程以及设备的分布情况。根据以往的生产资料作为车间设计的经验数据，并进行了大量的计算，其中包括物料衡算、塔的工艺的计算、设备计算及设备选型，并用AutoCAD绘制车间平面布置图、主要设备装配图及工艺流程图。关键词：乙醇溶液；筛板塔；初步设计；设计方案AbstractThe design of the annual output of 11000 tons of 92 ethanol solution of the preliminary design. Ethanol in the industry, medicine, civil and so on, all hav

3、e a wide range of applications, is a kind of very important raw materials. In many ways, have different requirements, the purity of ethanol, sometimes require high purity, even without water ethanol, this is very difficult, because ethanol extremely volatile, so, want to get high purity of ethanol i

4、s very difficult. If you want to put the aqueous low purity ascent to high purity, want to use the method of continuous distillation, because ethanol and water volatility for are not significant. Distillation is most separation process, that is also part of many times and part of the process of vapo

5、rization condensation, so can make get almost completely the separation of the mixture. This paper expounds the ethanol products of high purity and refined process the distribution of the equipment. According to the former production material as the experience of the workshop design data, and a larg

6、e number of computing, including the material balance calculations of the tower, the calculation of technology, equipment calculation and the equipment selection, and draw workshop layout, AutoCAD main equipment assembly drawing and process flow diagram. Keywords：Ethanol solution; Screen panel tower

7、; Preliminary design; Design scheme .目录摘要IAbstractII第1章 总论31.1概述31.1.1 乙醇的性质与用途31.1.2 乙醇的应用31.2 操作条件的确定31.2.1 操作压力31.2.2 进料状态41.3 设备型式41.3.1 筛板塔41.4 设计任务书41.4.1设计题目41.4.2 设计任务41.4.3 操作条件41.4.4 设备型式5第2章 设计方案52.1 塔的工艺的计算52.1.1 精馏塔的物料衡算52.1.2 塔板数的确定62.2 精馏塔物性数据的计算82.2.1 温度的计算82.2.2 平均密度的计算92.2.3 液体平均表面

8、张力计算112.2.4液体平均黏度计算122.2.5 塔板数的确定122.3 塔体工艺尺寸的计算132.3.1 塔径的确定132.3.2 精馏塔高度的计算142.4 塔板主要工艺尺寸的计算142.4.1 溢流装置计算142.4.2 降液管152.4.3 塔板布置172.4.4 浮阀数目与排列172.5 塔板流体力学验算192.5.1 气相通过浮阀塔板的压降192.5.2 堰塔202.5.3 雾沫夹带验算212.6 塔板性能负荷图222.6.1雾沫夹带线222.6.3 液体负荷上限线242.6.4 漏液线242.6.5 液相负荷下限线242.6.6 操作性能负荷图252.7 精馏塔各接管尺寸的计

9、算252.7.1 进料管252.7.2 回流液管262.7.3 塔顶上升蒸汽管26总结27参考文献28附录29附录 1常压下乙醇水系统txy数据29附录 2 乙醇的物性29致谢29第1章 总论1.1概述1.1.1 乙醇的性质与用途乙醇它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，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。1.1.2 乙醇的应用（1）消毒剂：医院用的一般用浓度为70

10、%75%的乙醇溶液，因为这种浓度的乙醇溶液杀菌能力最强；（2）饮料：乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为56度的酒。注意：我们喝的酒内的乙醇不是把乙醇加进去，而是发酵出来的乙醇，当然根据使用的发酵酶不同还会有乙酸或糖等有关物质。（3）基本有机化工原料：乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料1.2 操作条件的确定1.2.1 操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导

11、致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。本设计塔顶压力为4kpa(表压)。1.2.2 进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料

12、时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。1.3 设备型式1.3.1 筛板塔筛板塔是扎板塔的一种，内装若干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。操作时，液体由塔顶进入，经溢流管（一部分经筛孔）逐板下降，并在板上积存液层。气体（或蒸气）由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充分接触，并相互作用。泡沫式接触气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。为克服筛板安装水平要求过高的困难，发展了环流筛板；克服筛板在低负荷下出现漏液现象，设计了板下带盘的筛板；减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距，制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰，塔板上

13、开设气体导向缝的林德筛板。筛板塔普遍用作H2S-H2O双温交换过程的冷、热塔，应用于蒸馏、吸收和除尘等。1.4 设计任务书1.4.1设计题目乙醇水混合液板式精馏塔的设计1.4.2 设计任务（1）年产1.1万吨92乙醇溶液（质量分数）（2）原料液中乙醇含量40（质量分数）（3）残液中乙醇含量不高于8（质量分数）（4）每年工作330天，每天工作24小时1.4.3 操作条件（1）进料温度：35 ，泡点进料；（2）塔顶压力：4 kPa（表压）；（3）回流比：自选；（4）单板压降0.7 kPa；（5）加热蒸汽：低压饱和水蒸汽。1.4.4 设备型式设备型式为筛板塔第2章 设计方案2.1 塔的工艺的计算2.

14、1.1 精馏塔的物料衡算=40%， =92% ， ， 进料口乙醇摩尔分数： =0.207塔顶产品中乙醇的摩尔分数：塔底产品中乙醇的摩尔分数：有已知条件 D=33.95kmol/hF = D + WXF = DXD + WXWError! No bookmark name given.可求得;F=153.14 W=119.19 物料衡算数据记录F153.14kmol/h0.2070D33.95kmol/h0.8182W119.19kmol/h0.0329由气液平衡数据，画出下表查出组成XF = 0.207的乙醇-水溶液泡点为83.25C，在平均温度为（83.25+35）/2=59.125C下，由

15、化工原理附录查得乙醇与水的有关物性为：由化工原理附录查得乙醇与水的有关物性为：乙醇的摩尔热容： 乙醇的摩尔汽化潜热： 水的摩尔热容：水的摩尔汽化潜热：比较水与乙醇的摩尔汽化潜热可知，系统满足衡摩尔流的假定。加料液的平均摩尔热容：加料液的平均汽化热： 2.1.2 塔板数的确定A、最小回流比及操作回流比的确定由乙醇水平衡曲线求出Rmin = 0.978作回流比 R 取操作的回流比为最小回流比 Rmin 的1.5 倍，即：R=2Rmin=1.50.978=1.467B、精馏段和提馏段操作线的确定精馏段液相流量：kmol/h 精馏段汽相流量：kmol/h 精馏段操作线方程：提馏段液相流量： kmol/

16、h提馏段汽相流量： 提馏段操作线方程：由x-y图可知 理论塔板数N=14 进料板为第3块板2.2 精馏塔物性数据的计算2.2.1 温度的计算常压下乙醇-水气液平衡组成(摩尔)与温度关系温度/oC液相气相温度/oC液相气相温度/oC液相气相10095.589.086.785.384.101.907.219.6612.3816.61017.0038.9143.7547.0450.8982.782.381.580.779.879.723.3726.0832.7339.6550.7951.9854.45 55.80 59.26 61.22 65.64 65.99 79.378.7478.4178.15

17、57.3267.6374.7289.4368.4173.8578.1589.43由表可求得：（1）tF tF = 84.75（2）tD tD = 78.28（3）tW tW = 99.22（4）精馏段平衡温度：t1= =81.52（5）提馏段平衡温度：t2=91.992.2.2 平均密度的计算(1) 精馏段：t1=81.52液相组成：， x1=28.99%气相组成：，y1=57.45%所以 ML1 = 46*0.2899+18*（1-0.2899）=26.12 kmol/h MV1 = 46*0.5745+18*(1-0.5745)=34.09 kmol/h则质量流量：体积流量：m3/s m3

18、/s (2) 提馏段：t2= 91.99 液相组成：， 5.13% 气相组成：， 30.31% 所以 ML2 =46*0.0513+18*(1-0.0513)=19.44 kmol/h MV2 =46*0.3031+18*(1-0.3031)=26.49 kmol/h则质量流量： 体积流量： m3/s m3/s 不同温度下乙醇和水的密度温度/oC温度/oC808590735730724971.8968.6965.395100720716961.85958.4求得在和下的乙醇和水的密度t1=81.52 ，733.75kg/m3 ， kg/m3同理：t2= 91.99，722.41 kg/m3 ，

19、963.93 kg/m3在精馏段：液相密度： =0.001428 =700.28 kg/m3气相密度： kg/m3在提馏段：液相密度： =883.39 kg/m3气相密度： kg/m32.2.3 液体平均表面张力计算二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式： 式中下角标，W、O、S分别代表水、有机物及表面部分，XW、XO指主体部分的分子体积，、为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。（1）精馏段：t1=81.52 温度/oC708090100乙醇表面张力/10-2N/m21817.1516.215.2水表面张力/10-2N/m264.362.660.758.8 乙醇表面张力：， *10-

20、2N/m2水的表面张力：， *10-2N/m2（2） 提馏段：t2= 91.99 乙醇表面张力：， 14.40*10-2N/m2；水的表面张力：， 60.32*10-2N/m2。2.2.4液体平均黏度计算 t1=81.52查表得：， t2= 91.99查表得： 精馏段粘度： =0.436*0.2899+0.3525（1-0.2899）=0.377 提馏段粘度： =2.2.5 塔板数的确定（1）精馏段挥发度：由xA=0.2899, yA=0.5745 ,xB=0.81, yB=0.329（2）提馏段挥发度： , ,板效率可用奥康奈尔公式计算。精馏段： ET =0.632 ， ， 提馏段：， ，

21、，全塔效率=2.3 塔体工艺尺寸的计算2.3.1 塔径的确定(1)精馏塔塔径需求，C由下式计算： 由Smith图查取。得=0.072取板间距HT =0.5m，板上液层高度hl = 0.1m，则HT - hl = 0.4m精馏段塔径的确定：图的横坐标：1/21/2=0.016可知：C=0.082取安全系数为0.7，则空塔气速为： 则精馏塔塔径(2)提馏段塔径的确定图的横坐标为： 查smith图，得 取安全系数为0.7，则空塔气速为m/s则精馏塔塔径m按标准塔径圆整后， ,塔截面积：精馏段实际空塔气速为： 提馏段实际空塔气速为： m/s2.3.2 精馏塔高度的计算精馏段有效高度的计算：提馏段有效高

22、度的计算： 在进料板上方开一人孔，其高度为1.0m因此塔的有效高度为2.4 塔板主要工艺尺寸的计算2.4.1 溢流装置计算因塔径D=1m，可选用单溢流弓形降液管出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度hOW按下式计算 近似取E=1（1） 精馏段2/3=2/3=0.0083mhw=hL-how=1.0-0.0083=0.9917m（2） 提馏段 2/3=0.026m2.4.2 降液管A降液管高度和截面积查下图（弓形降液管参数图）得：, ，弓形降液管参数图依下式验算液体在降液管中的停留时间： 精馏段： 5s提馏段： 5s 故降液管设计合理。B.降液管底隙高度降液管底隙高度依下式计算： 取，则 精馏段

23、： 提馏段： 因为不小于20mm,故降液管底隙高度设计合理。2.4.3 塔板布置塔板上在靠近塔壁的部分，应留出一圈边缘区，供塔板安装之用，通常边缘区宽度WC为5070mm。塔板上液体的入口和出口需设安定区。以避免大量含有气泡的液体进入降液管而造成液泛。一般，安定区的宽度WS可取50100 mm。边缘区和安定区中的塔板不能开孔。筛孔直径的大小对塔板压降及塔板效率无显著影响;但随着孔径的增大，操作弹性减小（在开孔率、空塔气速及液流强度一定的情况下，若孔径增大，则漏液量和雾沫夹带量都随之增大，因此，孔径增大，操作下限上升，操作上限降低，导致操作弹性减少）。此外，孔径大，不易堵塞；且孔径大，制造费用低

24、。筛孔的排布一般为正三角形，筛孔直径为0.003-0.008m，孔中心距与孔距之比常在2.5-5倍筛孔直径的范围内，实际设计时，t/d0宜尽可能在3-4的范围内。本设计塔板直径D=0.5m,采用整块式塔板。2.4.4 浮阀数目与排列（1）精馏段取阀孔动能因子FO=9，则孔速取边缘区宽度WC=0.04，破沫区宽度WS=0.07，WD=0.21。计算塔板上的鼓泡区面积，即: 所以m2在整块式塔板中，浮阀数以等边三角形排列，取孔心距为t=100mm。鼓泡区面积 m2。因0.300.32,故取孔心距为100mm符合要求，浮阀数为30个。按N=28重新核算孔速即阀孔功能因数阀孔动能因子为9.04接近9，

25、大致可以算作在9-13范围内，塔板开孔率为。（2）提馏段取阀孔动能因子FO=9，则孔速。在整块式塔板中，浮阀数以等边三角形排列，按孔心距为t=100mm计算排间距。取t=100mm时，排得浮阀数为28块。 m2。因0.280.32,故取孔心距为100mm符合要求，浮阀数为28个。按N=28重新核算孔速即阀孔功能因数阀孔动能因子为10.80，仍在9-13范围内，塔板开孔率为。2.5 塔板流体力学验算2.5.1 气相通过浮阀塔板的压降可根据计算精馏段:干板阻力。因，故板上充气液层阻力液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为， 提馏段:干板阻力。因 板上充

26、气液层阻力液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为， 2.5.2 堰塔为了防止发生堰塔现象，要求控制降液管中清液高度。1精馏段单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 hp1=0.081m液体通过降液管的压头损失 板上液层高度 hL=0.07，则hd1=0.081+0.0001+0.07=0.015m。则可见，所以符合要求。2.提馏段:单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 hp2=0.073m液体通过降液管的压头损失 板上液层高度 hL=0.07，则hd2=0.073+0.00008+0.07=0.0143m。 则则可见，所以符合要求。2.5.3 雾沫夹

27、带验算泛点率=泛点率=(1)精馏段：查得物性系数，泛点负荷系数m2所以，泛点率=80%泛点率=80%可见，雾沫夹带在允许的范围之内（2）提馏段查得物性系数，泛点负荷系数m2所以，泛点率=80%泛点率=80%可见，雾沫夹带在允许的范围之内可见，该设计可使得液体所夹带气体释出。2.6 塔板性能负荷图2.6.1雾沫夹带线 泛点率=据此可作出负荷性能图中的雾沫夹带线，取泛点率为80%代入泛点率计算式。（1）精馏段0.8=整理可得雾沫夹带上限方程为：（2）提馏段0.8=整理可得雾沫夹带上限方程为：2.6.2 液泛线由此确定液泛线，忽略式中。而（1） 精馏段 整理后可得：Vs2 =0.302-3312.8

28、Ls12-2.35Ls12/3（2） 提馏段 整理后可得：Vs2 =0.155-3382.4Ls22-2.35Ls22/3在操作范围内，任意取若干个LS值，算出相应的VS值：2.6.3 液体负荷上限线液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35s。液体在降液管内停留时间以作为液体在降液管内停留时间的下限，则2.6.4 漏液线对于F1型重阀，依动能因数作为规定气体的最小负荷的标准，则（1）精馏段 : d02Nm3/s（2）提馏段 : d02Nm3/s2.6.5 液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线,该线于气相流量无关的竖直线。代入的计算式： 取E1.0，则2.6.

29、6 操作性能负荷图由以上15作出塔板负荷性能图。 由塔板负荷性能图可看出：(1)在任务规定的气液负荷下的操作点P（设计点）处在适宜操作区内的位置；(2)塔板的气液负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由漏液控制；(3)按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限所以，塔的操作弹性为2.7 精馏塔各接管尺寸的计算2.7.1 进料管进料管的结构种类很多，有直管进料管，弯管进料管，T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下： 取， 查标准系列选取2.7.2 回流液管回流液体积流量： Kg/m3利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度uL=0.5m/s那么m经圆整选取热轧无缝钢管，规格：503mm实

30、际管内流速： 2.7.3 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜速度uV=20m/s，那么m经圆整选取拉制黄铜管，规格：2605mm实际管内流速： m/s总结课程设计短暂的二周里，我花费了大量的精力来做好这个课题，几乎可以说是苦大于甜，熬了几天才将这个设计完成，在此过程中我们遇到了很多困难，首先对知识的掌握不全面，我们花了相当长的一段时间才将书上的知识消化，同时计算非常繁琐，我们必须小心翼翼才不会出错，但总之我们收获还是非常多，懂了好多东西，同时更增加了我们的团队合作能力，我们组的六个同学经常在一起讨论，有什么不懂得地方大家也相互请教。有时我们会因为一个问题争论不休，有时我们会因为一个

31、公式而烦恼不断。我们慢慢的从不是太熟，到很熟，当然也开始和其他组的同学进行交流，和老师进行交流。在这些交流的过程中我们解决了一个又一个的问题。通过这次课程设计，我们把在化工原理课堂上的东西运用到的实际操作中，我们发现积极记得一些公式，仅仅会做试卷，都是纸上谈兵。通过这两周的学习与锻炼，我们对这门课程有了更好的诠释，同时在此也非常感谢我们的指导老师，他不仅每天当面指导，也天天及时帮我们解决我们不能解决的问题，同时还向我们传授了很多理念。参考文献1王志魁编,化工原理。北京：化学工业出版社。2005.012贾绍义，柴诚敬编。化工原理课程设计。天津：天津大学出版社。2003.123华东理工大学化工原理

32、教研室编。化工过程开发设计。4刘道德编。化工设备的选择与设计。长沙：中南大学出版社。2003.045袁惠新编。分离过程与设备。北京：化学工业出版社。2003.036刘瑞新等编 Auto CAD 2004 机械工业出版社 2006年（第一版）。7付维勤，汪长赋，雷晓春. CoCl2-乙醇溶液饱和蒸汽压的测定及关联. 南昌： 南昌大学学报（理科板），1994. 151-154.8 杨祖荣.化工原理M. 北京： 化学工业出版社，2009.9 莱维娜. 在不同温度下计算“乙醇-水”系密度的实验方程式J. 上海： 化学世界，1957. 102.10 李多民，俞惠敏. 化工过程设备机械基础M. 北京： 中

33、国石化出版社，2006.11 孙庆群. 化工制图M. 北京： 化学工业出版社，2007.12 周大军，揭嘉. 化工工艺制图M. 北京： 化学工业出版社，2005.13Party benefits, dong new law. the chemistry engineering drawing Auto CAD). Beijing: the chemical industry 14Opportunities. Cold in process equipment calculation manual. Beijing: China petrochemical press. 2003. 15GuoZ

34、hu rectification, and other chemical unit process and equipment design course M. Beijing: chemical industry press, 2002 16WangGuoSheng, the design principles of chemical engineering course. dalian: dalian university press. 2006, 8. 17ChenMinHeng, CongDeZi, etc. The chemical principle (next). Beijing: chemical industry press. 2006, 5. 附录附录 1常压下乙醇水系统txy数据附录 2 乙醇的物性致谢感谢老师对我们的指导，感谢同组同学的帮助。. 时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。结语：