化工原理课程设计--筛板式精馏塔分离乙醇—水.doc

化工原理课程设计筛板式精馏塔分离乙醇水学生姓名学院名称化学化工学院学号20131301139班级13应化1专业名称应用化学指导教师2016年5月26日 1徐州工程学院化工原理课程设计说明书 摘要 精馏是分离液体混合物最常用一种操作，在化工、炼油等工业中应用很广。它通过汽、液两相的直接接触，利用组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向汽相传递，难挥发的由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传质过程。国际上制造乙醇的原料可分为四类。第一类是淀粉质原料，主要有玉米、甘薯、马铃薯、大麦、大米、高粱等；第二类是糖质原料，主要是甘蔗、甜菜、糖蜜；第三类是纤维素原料，是地球上最有潜力的乙醇生产原料，包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃物；第四类是其他原料，如造纸厂的硫酸盐纸浆废液、淀粉厂的甘薯淀粉渣、奶酪工业的副产品。其中，以玉米、小麦和甘蔗为原料的生产技术最为成熟，巴西和美国已经有大规模的制造基地。本设计采用的是筛板精馏塔来分离乙醇和水。精馏的基本原理是根据液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。同时，精馏出来的乙醇易燃，具刺激性。 储存于阴凉、通风仓间内。远离火种、热源。关键词：精馏;筛板塔；分离；乙醇水目录第一部分 概述4 一、设计目标4 二、设计任务4 三、设计条件 4 四、设计内容5 五、工艺流程的说明5 第二部分 工艺设计计算7 一、设计方案的确定7 二、精馏塔的物料衡算7 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数7 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均相对分子质量7 3.物料衡算原料处理量7 三、塔板数的确定8 1.理论板层数的求取8 2.全塔效率10 3.实际板层数的求取10 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算10 1.操作压强计算10 2.操作温度计算10 3.平均摩尔质量计算11 4.平均密度计算11 5.液相平均表面张力计算11 6.液相平均粘度计算12 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算12 1.塔径的计算12 2.精馏塔的有效高度的计算13 六、塔板主要工艺尺寸的计算13 1.溢流装置计算13 2.塔板布置15 3.筛孔数与开孔率15 七、筛板的流体力学验算16 1.气体通过筛板压降相当的液柱高度16 2.雾沫夹带量的验算16 3.漏液的验算16 4.液泛验算17 八、塔板负荷性能图17 1.漏液线17 2.雾沫夹带线18 3.液相负荷下限线18 4.液相负荷上限线18 5.液泛线19 6. 操作线20 九、设计一览表20 十、操作方案的说明：21 总结21 参考文献21 附录22 24第一部分 概述乙醇是一种有机物，俗称酒精，分子式为CH3CH2OH，是带有一个羟基的饱和一元醇，相对分子质量为46.07。在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，有酒的气味和刺激的辛辣味。乙醇液体密度是0.789g/cm3 ，沸点是78.4，熔点是-114.3，其蒸汽能与空气形成爆炸性混合物。能溶于水、甲醇、乙醚、丙酮和氯仿，能溶解许多有机化合物和无机化合物，具有吸湿性，能与水形成共沸混合物。 乙醇-水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色，无毒，无致癌性、污染和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛应用于化工、日化、食品饮料和医药卫生等行业。将无水乙醇与汽油混合（俗称汽油醇）可作为内燃机的燃料，随着世界石油资源的减少，作为生物燃料的无水乙醇可能在今后的动力燃料中占一席之地。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是乙醇-水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇-水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常见的精馏装置，无论是板式塔还是填料塔都在化工生产过程中得到了广泛应用，在此我们作填料塔的设计，必须要熟悉单元操作设备的设计流程与注意事项。一.设计目标分离水和乙醇的混合液的筛板塔的设计二. 设计任务 1.完成该精馏塔的工艺设计，包括辅助设备及进出口管路的计算和选型；2.画出带控制点工艺流程图、xy相平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图； 3.写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。三 设计条件1.常压p=1atm（绝压）。2.原料来自粗馏塔，为9596饱和蒸汽，由于沿程热损失，进精馏塔时，原料温度约为90；3.塔顶浓度为含乙醇92.41%（质量分数）的药用酒精，产量为25吨/天；4.塔釜采用饱和蒸汽直接加热，从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于0.3%（质量分数）；5.塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比R=1.12.0Rmin；6.厂址：徐州地区 表1-1 设计条件 操作压力/K pa进料热状况回流比与最小回流比比值要求产量/天原料组分/%塔釜残液乙醇浓度/%乙醇水1露点进料1.12.025t40600.3四设计内容编制一份设计说明书，主要内容包括：1、摘要2、流程的确定和说明3、生产条件的确定和说明4、精馏塔的设计计算：（1）工艺条件及有关物性数据的计算（2）精馏塔塔体工艺尺寸的计算（3）塔板主要工艺尺寸的计算（4）塔板的流体力学验算（5）塔板负荷性能图（精馏段）（选作）5、设计结果列表6、设计结果的讨论和说明7、主要参考资料8、结论五工艺流程的说明精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器。釜液冷却器和产品冷凝器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定流程装置时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。塔顶冷凝装置根据生产状况以决定采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面，合理的兼顾设备，操作费用操作控制及安全因素。第二部分 工艺设计计算一设计方案的确定精馏操作的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。精馏过程与其他蒸馏过程的最大区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。本设计任务书为分离乙醇-水混合物。对于简单的二元混合物的分离，且两组分有较显著的沸点差异，故选用筛板式连续精馏塔进行分离。采用露点进料方式。二精馏塔的物料衡算（1）原始数据 表2-1 乙醇、水的物理性质 项目分子量沸点/乙醇46.0778.3水18.01100（2）物料衡算原料液及塔顶、塔底产品含乙醇的摩尔分数乙醇和水的相对摩尔质量分别为M乙醇=46.07Kg/ mol M水 =18.01Kg/ mol原料含乙醇的百分数为40%，含水的百分数为60%。塔顶乙醇含量为92.41% 塔底乙醇含量小于等于0.3%。根据以上数据：原料液含乙醇的摩尔分率：Xf= =0.2067塔顶含乙醇的摩尔分率:XD= =0.8264塔底含乙醇的摩尔分率：XW= =0.00175 原料液平均摩尔质量Mf=0.206746.07+（1-0.2067）18.01=23.8100Kg/kmol原料液的摩尔流量：根据所给条件，可知 25t/天qn，f= 25000/（2423.8100）=43.75kmol/hF=D+W（2-1） Fxf=Dxd+Wxw（2-2）D= 7.04 W=41.67表2-2 物料衡算表 项目数值进料流量F，Kmol/h43.75塔顶产品流量D，Kmol/h7.04塔釜残液流量W，Kmol/h41.67进料组成，xF(摩尔分数）0.2067塔顶产品组成，xD(摩尔分数）0.8264塔釜残液组成，xW(摩尔分数）0.00175三塔板数的确定1.理论塔板数NT的求取乙醇-水属于理想物系，可采用M.T.图解法求NT表2-3常压下乙醇-水的平衡数据 x0.180.20.250.30.350.40.450.50.550.60.650.7y0.510.5250.5510.5750.5950.610.6350.6570.6780.690.7250.755 根据乙醇、水的气液平衡数据做y-x及t-x-y图。乙醇-水的x-y相图（图1）乙醇-水的t-x-y相图（图2） 求最小回流比Rmin及操作回流比R。,取操作回流比R=1.3Rmin=1.91 求理论板数NT精馏段操作线方程为 如图3所示，按常规操作M.T.图解法得：NT=（12-1）层（不包括塔釜）。其中精馏段理论板数为4层，提馏段理论板数为8层（不包括塔釜），第5层为进料板。乙醇-水的图解理论板（图3）2.全塔效率ET依式 ET=0.17-0.616lgm根据塔顶、塔底液相组成查图2，求得塔的平均温度为83.87，该温度下进料液相平均黏度为m=0.132A+（1-0.132）B=0.1320.424+（1-0.132）0.346=0.365mPas故 ET=0.17-0.616lg0.365=0.44044%3.实际塔板数的求取精馏段：N1=4/0.528提馏段：N2=8.5/0.5216注：精馏段以1表示，提馏段以2表示四、精馏塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算1.操作压强pm塔顶压强pD=4+101.3=105.3kpa，取每层塔板压降p=0.7kpa，则进料板压强：pF=105.3+80.7=110.9kpa精馏段的平均操作压强：pm=（105.3+110.9）/2=108.4kpa2.操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇和水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下:塔顶温度TD=81.5 进料板温度TF=91.5平均温度 3.平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量计算：由 查表得：X1=O.83进料板平均摩尔质量计算由图解理论板，得 查平衡曲线，得精馏段平均摩尔质量 4.平均密度计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即液相平均密度计算液相平均密度依下式计算： 塔顶液相平均密度计算：由TD=81.5，查附表得 进料板液相平均密度计算由TF=91.5，查附表得 进料板液相的质量分数计算精馏段液相平均密度为5.液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力计算由TD=81.5 ，查附表得 进料板液相平均表面张力计算由TF=91.5，查附表得 精馏段液相平均表面张力为：6.液相平均粘度计算液相平均粘度依下式计算：塔顶液相平均粘度计算由TD=81.5 ，查附表得 进料板液相平均粘度计算由TF=91.5，查附表得 精馏段液相平均粘度为 求精馏塔的气、液相负荷五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算1.塔径的计算取板间距，取板上液层高度， 则 查smith图得=0.072,依式校正到物系表面张力为20.46mN/m时的取安全系数为0.70，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为 2.精馏塔的有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为0.64m，故精馏塔的有效高度为六、塔板主要工艺尺寸的计算1.溢流装置计算筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。各项计算如下：溢流堰长取堰长为0.66D 即溢流堰高度 计算如下：，由， 査下图知E=1.03 依式 得 取板上清液层高度 弓形降液管宽度和降液管面积由，査下图得，故 验算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即(5s,符合要求) 故降液管设计合理。降液管底隙高度 取液体通过降液管底隙的流速 计算降液管底隙高度 即：2.塔板布置取边缘区宽度，安定区宽度开孔区面积计算开孔区面积计算，得3.筛孔数与开孔率本例所处理的物系无腐蚀性，取筛孔孔径，正三角形排列，可选用碳钢板，取，故孔中心距 依式计算塔板上开孔区的开孔率，即每层塔板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为 七、筛板的流体力学验算1.气体通过筛板压降相当的液柱高度依式 干板压降相当的液柱高度，计算如下依，査图得 气体通过板上液层压降相当的液柱高度，计算如下：由图查取板上液层充气系数克服液体表面张力压降相当的液柱高度依式 气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算：气体通过每层塔板的压降为： （设计允许值） 2.雾沫夹带量的验算 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。3.漏液的验算对筛板塔，漏液点气速可由式（5-25）计算：稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。4.液泛验算为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从如下关系：依式计算，即乙醇-水物系属一般物系，取，则故，在设计负荷下不会发生泛液。根据以上塔板的各项流体力学的验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。 八、塔板负荷性能图1.漏液线漏液线，又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。代入原式得 已算出，代入整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表。0.00060.790.00150.850.00300.860.00450.88 由此表数据即可作出漏液线1。 2.雾沫夹带线当气相负荷超过此线时，液沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精馏，一般控制ev0.1kg液/kg气。以ev=0.1kg液/kg为限,求Vs-Ls关系如下:由 近似取，取雾沫夹带极限值，已知，代入原式得：整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表。0.00060.150.00150.150.00300.140.00450.13 由此表数据即可作出液沫夹带线2。3.液相负荷下限线液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由式（5-7）得取E=1，则 整理上式得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。4.液相负荷上限线该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。以作为液体在浆液管中停留时间的下限，由式（5-9）得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5.液泛线若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd联立式得 近似取，由式 故 （已算出） 故 将、以及以上式整理得下式：在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00062.850.00152.770.00302.680.00452.59 由此表数据即可作出液泛线56.操作线由，及与之间的关系可作出筛板塔的负荷性能图：在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得故操作弹性为 九、设计一览表将设计筛板的主要结果汇总于下表：序号项目数值序号项目数值1平均温度86.517边缘区宽度，m0.0352平均压力108.118开孔区面积0.323气相流量1.3319筛孔直径，m0.0054液相流量0.003220筛孔数目n8655实际塔板数1221孔中心距t，m0.0186有效段高度Z，m7.8422开孔率，%10.17塔径D，m1.423空塔气速u，m/s0.848板间距，m0.424筛孔气速，m/s3.369溢流形式单溢流25稳定系数2.8410降液管形式弓形26每层塔板压降，kPa0.711堰长，m0.92427负荷上限液泛控制12堰高，m0.050428负荷下限漏液控制13板上液层高度，m0.0629液沫夹带，（kg液/kg气）0.016814堰上液层高度，m0.01130气相负荷上限，0.0036315降液管底隙高度0.043331气相负荷下限，0.00045316安定区宽度，m0.06532操作弹性8.776十、操作方案的说明本设计任务为分离乙醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，降原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡点下一部分回流到塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属于易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比去最小回流比的两倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品冷却送到储罐。总结本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。 我还要感谢我的指导老师毋俊生老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。 限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。 参考文献1 王卫东化工原理课程设计 M 北京：化学工业出版社, 20112 柴诚敬化工原理 下 北京：高等教育出版社, 201198803 陈声宗.化工设计.北京：化学工业出版社, 20124 化工设备设计基础,编写组编, 1987年6月版5 塔设备,工设备设计全书编辑委员会，上海科技技术出版社化，1988附录1.乙醇和水的物理性质（表1）项目分子式相对分子质量M沸点/临界温度tc/临界压强pc/乙醇（以A表示）C2H5OH46.0778.3243.16380水（以B表示）H2O18.0199.975374.2221152.常压下乙醇-水的汽液平衡数据（表2）液相摩尔分数x气相摩尔分数y温度/液相摩尔分数x气相摩尔分数y温度/0.000.001000.32730.582681.50.01900.170095.50.39650.612280.70.07210.389189.00.50790.656479.80.09660.437586.70.51980.659979.70.12380.470485.30.57320.684179.30.16610.508984.10.67630.738578.740.23370.544582.70.74720.781578.410.26080.558082.30.89430.894378.153.饱和蒸汽压p0 水、乙醇的饱和蒸汽压可用Antoine方程求解：Lgp0=A+B/(t+C)式中 t-物系温度， P0-饱和蒸汽压，kpaA,B,C-Antoine常数，其值见下表（表3）组分ABC乙醇8.11221592.864226.184水8.07131730.630233.5264.乙醇和水的液相密度L（表4）温度t/80859095100971.8968.6965.3961.85958.47357307247207165.液体的表面张力（表5）温度t/708090100乙醇的表面张力/1817.1516.215.2水的表面张力/64.362.660.758.86.液体的粘度（表6）温度/2030405060708090100水的黏度1.00500.80070.65600.54940.46880.40610.35650.31650.2838乙醇的黏度1.180.970.820.690.580.5050.440.380.34附件