化工原理课程设计--乙醇-水连续精馏塔的设计.docx

《化工原理课程设计》报告

乙醇~水连续精馏塔的设计

年级

专业
化学工程与工艺
姓名

学号

完成日期
2016年12月4日

设计任务书

一、设计题目：
乙醇——水连续精馏塔的设计
二、设计任务：
(1)进精馏塔的料液含乙醇33％(质量)其余为水。
(2)产品的乙醇含量不得低于94％(质量)。
(3)残液中乙醇含量不得高于0.1％(质量)。
(4)生产能力为140吨/天 ，94％(质量)的乙醇产品
说明：一天24小时
三、操作条件：
(1)精馏塔顶压强 4kPa(表压)。
(2)进料热状态 泡点加料。
(3)回流比 （1.5~3）Rmin 。
(4)加热蒸汽:低压蒸汽。
(5)单板压降 小于0.7kPa。
(6)冷却水温度：进口20℃，出口35-40℃
四、设备型式：
F1型浮阀塔
五、厂址：
家乡地区

目录
一、概述
1.1设计依据
1.2设计来源
二、计算过程
2.1设计方案的确定及流程说明
2.1.1塔型的选择
2.1.2进料状态
2.1.3加热方式
2.1.4热能的回收利用
2.1.5操作流程
2.2塔的工艺计算
2.2.1最小回流比及操作回流比的确定
2.2.2理论塔板层数的确定
2.2.3实际塔板数NP
2.3塔和塔板的主要工艺尺寸设计
2.3.1塔高、塔径 尺寸的确定
2.3.2塔板结构尺寸的确定
2.3.3塔板的流体力学验算
2.3.4塔板的负荷性能图
三、设计结果一览表
四、工艺流程简图
五、设计评述、致谢

一、概述
乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。医疗上也常用体积分数为70%——75%的乙醇作消毒剂等。溶剂。有机合成。各种化合物的结晶。洗涤剂。萃取剂、食用酒精可以勾兑白酒、用作粘合剂、硝基喷漆、清漆、化妆品、油墨、脱漆剂、等的溶剂以及农药、医药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂等的制造原料、还可以做防冻剂、燃料、消毒剂等。 乙醇具有还原性，可以被氧化成为乙醛 。
而气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏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－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－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。  
根据实际需要，选择浮阀塔板。因为浮阀塔板生产能力大，塔板的效率较高，浮阀可根据气流上下浮动，自行调节
 1.1设计依据
精馏塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对乙醇-水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。通过对精馏塔的运算，可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。
1.2设计来源
目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。
二、计算过程
2.1.1塔型的选择
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，生产能力为140吨/天，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F1浮阀塔。
2.1.2进料状态
虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料
2.1.3加热方式
精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇~水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。
2.1.4热能的回收利用
精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。
2.1.5操作流程
乙醇——水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。 
精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。 
乙醇—水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。示意图如下：

2.2塔的工艺计算
原料液中易挥发组分的摩尔组成：xF=33/4633/46+67/18=0.1616
同理可求出xD=0.8598,xW=0.0004
原料液的平均摩尔质量：
MF=xF MCH3CH2OH＋ (1－xF)MH2O=0.1616×46＋0.8384×18=22.52kg/mol
MD=xD MCH3CH2OH＋(1－xD) MH2O=0.8598×46＋0.1402×18＝42.07kg/mol
MW=xW MCH3CH2OH+﹙1－xW) MH2O=0.004×46＋0.9996×18＝18.01kg/kmol
2.2.1最小回流比及操作回流比的确定
由于是泡点进料，xq=xF=0.1616，过点e(0.1616,0.1616)做直线x=0.1616交平衡线于点d，由点d可读得yq=0.491，因此：Rmin=xD－yqyq －xF =0.8598－0.4910.491－0.1616=1.120
又过点a=(0.8598,0.8598)作平衡线的切线，切点为g，读得其坐标为xq’=0.54，yq’=0.54，因此：Rmin=0.8598－0.6650.665－0.54=1.5584
所以，Rmin=Rmin⁡（2）=1.5584
可取操作回流比R=1.584×1.6=2.5
2.2.2理论塔板层数的确定
精馏段操作线方程：Yn+1=R*xnR＋1＋xDR＋1=0.714xn ＋0.246
提馏段操作线方程：Ym+1=W*XmV0 –W*xWV0 =2024XW-8.96*10-4
线方程：x=0.162

在相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出Nt=15，精馏段12块，提馏段3块。
2.2.3实际塔板数
用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：
由相平衡方程式可得
根据乙醇~水体系的相平衡数据可以查得：
y1=xd=0.8598 x1=0.851(塔顶第一块板)
yF=0.665 xF=0.1616(加料板)
xW=0.0004 YF=0.0052(塔釜)
因此可以求得：α1=1.064 αF=5.025 αW=13.06
全塔的相对平均挥发度：αm=3√(α1*αF*αW)= 31.064*5.025*13.06=4.12
塔的平均温度：Tm=（TD+TF +TW)/3=87.03°Ｃ
在温度下查得
因为
所以，μ1m =0.162*0.38+（1- 0.162）*0.327=0.336mPa/s
全塔液体的平均粘度：μ1m=(μ1F+μ1D+μ1W)/3=0.348mpa/s
全塔效率ET=0.49(αμL)-0.245=0.448=45%
NP=NTET =15/0.45=33块(含塔釜)
其中，精馏段的塔板数为：12/0.45=29块
2.3塔和塔板的主要工艺尺寸设计
2.3.1塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定
由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：
汽塔的平均蒸汽流量：
汽塔的平均液相流量：
汽塔的汽相平均密度：
汽塔的液相平均密度： ρL=(ρLJ+ρLT)/2=(809+911)/2=860kg/m3
塔径可以由下面的公式给出
由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。
取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间：
功能参数：
从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：
全塔平均温度，在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为，所以，液体的临界温度：
设计要求条件下乙醇~水溶液的表面张力
平均塔温下乙醇~水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：，
所以：
,
根据塔径系列尺寸圆整为
此时，精馏段的上升蒸汽速度为：
提馏段的上升蒸汽速度为：
塔的有效高度可以由此计算： Z= (NP-1)HT
已知实际塔板数为NP=33块，板间距
所以Z=(33-1)*0.4=12.8m
由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。
取无效边缘区宽度，破沫区宽度，
查得
弓形溢流管宽度
弓形降液管面积，

验算：
液体在精馏段降液管内的停留时间
液体在精馏段降液管内的停留时间
2.3.3流体力学验算
1.气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)
气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)
2.干板阻力
浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：

因为
所以
3.板上充气液层阻力
取板上液层充气程度因数，那么：

4.由表面张力引起的阻力
由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以：

5.漏液验算
动能因数，相应的气相最小负荷为：

其中
所以
可见不会产生过量漏液。
6.液泛验算
溢流管内的清液层高度
其中，
所以，
为防止液泛，通常，取校正系数，则有：
可见，，即不会产生液泛。
7.雾沫夹带验算
泛点率=
查得物性系数，泛点负荷系数

所以，
泛点率=
可见，雾沫夹带在允许的范围之内
2.3.4 操作性能负荷图
1. 雾沫夹带上限线
取泛点率为80%代入泛点率计算式，有：

整理可得雾沫夹带上限方程为：

2.液泛线
液泛线方程为
其中，

代入上式化简后可得：
3.液体负荷上限线
取，那么

4.漏液线
取动能因数，以限定气体的最小负荷：

5. 液相负荷下限线
取代入的计算式：
整理可得：
6.操作性能负荷图
由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。
根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点P(0.00146，1.103)在正常的操作范围内。连接OP作出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：

所以，塔的操作弹性为

三、设计结果一览表
表7 浮阀塔工艺设计计算结果

项目
数值与说明
备注
塔径
1.0

板间距
0.4

塔板型式
单溢流弓形降液管
分块式塔板
空塔气速
1.476

实际塔板数/块
33

上升蒸汽速度m/s
1.345
1.464
精馏段
提馏段
塔的有效高度m
12.8

弓形溢流管宽度mm
146

弓形降液管面积m2
0.0706

干板阻力m
0.0367

板上充气液层阻力m
0.03

由表面张力引起的阻力Pa
564.7

操作弹性
2.89

泛点率，%
63.4

气相负荷上限
1.65
雾沫夹带控制
气相负荷下限
0.57
漏夜控制
开孔率，%
13.5

四、工艺流程简图

精馏塔的工艺条件图

塔板结构条件图

五、设计评述
经过两个星期的忙碌，终于在最后一天完成了这个设计。这个设计对我一个人来说很难，很多地方用到的公式都没有学习过，而在查资料的时候也遇到了很多困难，有些公式虽然查到了却因为没有经过仔细的学习不能理解其意义，没办法使用，使得我心烦意乱。经过和同学的协作讨论后，勉强把精馏塔主要部分补充完整。不过经过这次设计，使得我对精馏塔的组成与工作原理有了更深刻的理解。

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. 1996.02
[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. 1999.04
[3] 大连理工教研室编.化工原理课程设计.大连:大连理工大学出版社,1994
[4] [6]陈均志,李磊.化工原理实验及课程设计.北京:电子工业出版社,2008
[5] [7]柴诚敬,王军等.化工原理课程设计.天津:天津科学技术出版社,2009
[6] [8]李功样,陈兰英.常用化工单元设备设计(第二版).广州:华南理工大学出版社,2009
[7] [9]王福安,蒋登高.化工数据引导.北京:化学工业出版社,1995

致谢
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