乙醇水连续精馏系统设计模板.doc

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设 计 说 明

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年 月 日

设 计 任 务 书
系( 部) : 班级: 学生姓名:
设计题目:
乙醇——水连续精馏系统的设计
设计任务:
一、 原始资料:
( 一) 、 工艺参数: 原料乙醇的含量为30+0.5%n( n为本人序号, n为奇数时取”+”, n为偶数时取”—”

产品要求: XD=0.95 XW=0.03 F=5000㎏/h

( 二) 、 工艺操作条件: 常压精馏塔底间接加热, 泡点进料, 泡点回流, R=( 1.2~2.0)

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: ( 签字) 年 月 日

摘 要
精馏所进行的是气(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馏塔, 设计满足毕业设计的要求, 对精馏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: 精馏塔 计算 设备

Abstract

The distillation is gas (vapor), liquid two-phase between the mass 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 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 physical property data are calculated, and the tower body, tower board the calculation process size.

Keywords: column calculation equipment
目录
1. 概述 1
1.1 乙醇——水物系 1
1.1.1 乙醇性质及用途 1
1.1.2 乙醇——水物系特点 3
1.2 精馏的方法 3
1.3 选题的意义 4
1.4 设计任务 5
1.4.1 设计任务 5
1.4.2 设计思路 6
2. 工艺流程和工工艺设备的选择 7
2.1 工艺设备的选择 7
2.2 工艺参数的选择 9
2.2.1 进料参数 9
2.2.2 回流方式及回流比的选择 9
3. 设计计算 10
3.1 物系计算 10
3.1.1 平均挥发度的计算 12
3.2 全塔的物料衡算 12
3.3 操作线方程的计算 13
3.3.1 精馏段气液相流量及操作线方程计算 13
3.3.2 提留段气液相流量及操作线方程计算 15
3.4 精馏塔的计算 17
4. 总结 19

1. 概述
1.1 乙醇——水物系
1.1.1 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-114.1℃。密度0.7893g/cm3, 在空气中的爆炸极限为3.28%~18.95%( 体积分数) , 闪点11℃, 沸点78.5℃, 使用时须注意安全。它能与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:
①与金属反应
2CH3CH2OH+2Na==2CH3CH2ONa+H2
结论:
能够与金属钠反应, 产生氢气, 但不如水与金属钠反应剧烈;
活泼金属( 钾、 钙、 钠、 镁、 铝) 能够将乙醇羟基里的氢取代出来。
②与氢卤酸反应
C2H5OH+HBr==C2H5Br+H2O
C2H5OH+HX==C2H5X+H2O
注意: 一般见溴化钠和硫酸的混合物与乙醇加热进行该反应。故常有红棕色气体产生。
③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==2CH3CHO+2H2O 工业制乙醛
C2H5OH+CuO==CH3CHO+Cu+H2O
即催化氧化的实质(用Cu作催化剂)
④消去反应
分子内消去制乙烯( 170℃浓硫酸)
C2H5OH==C2H4+H2O
分子间消去制乙醚
C2H5OH+HOC2H5==C2H5OC2H5+H2O (140℃浓硫酸)
（3） 乙醇的用途:
乙醇是应用最广泛的一种醇。
因其性质比较活泼, 是有机合成的重要原料, 如用乙醇制乙醚、 乙醛、 乙酸等; 因它具有广泛的溶解性, 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), 在医药上常见作消毒剂和防腐剂; 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, 青少年特别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
乙醇-水物系存在最低恒沸点, 因此采用普通方法精馏所制得的酒精, 其酒精含量不会大于95.57%．必须改用其它方法, 才能进一步分离得到无水乙醇。当前工业上无水乙醇的生产方法主要有恒沸精馏、 萃取精馏、 吸附和膜分离4种方法。
醇溶解于水时与水形成氢键, 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。

1.2 精馏的方法
简单的蒸馏和平衡蒸馏, 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。
精馏是借助”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。
由精馏原理可知, 仅有精馏塔还不能完成精馏操作, 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1—1为连续精馏操作流程。图中原料液从塔中间适当位子进入塔内, 塔顶蒸气经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( 镏出液) 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, 与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, 因而称为精馏段。
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, 因而称为提镏段。
一个完整的精馏塔应包括精馏段和提镏段, 才能达到较高的程度分离。

1.3 选题的意义
乙醇在工业, 医药, 民用等方面, 都有广泛的应用, 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, 这是很困难的, 因为乙醇极具挥发性, 因此们要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高浓度, 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。

1.4 设计任务
1.4.1 设计任务
一、 原始数据
( 一) 、 工艺参数: 原料乙醇的含量为30+0.5%n( n为本人序号, n为奇数时取”+”, n为偶数时取”—”
产品要求: XD=0.95 XW=0.03 F=5000㎏/h
( 二) 、 工艺操作条件: 常压精馏塔底间接加热, 泡点进料, 泡点回流, R=( 1.2~2.0)

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, 对精馏装置的流程、 操作条件、 主要设备型式及其材质的选取等进行论述。
( 2) 蒸馏塔的工艺计算, 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与选型, 如再沸器、 冷凝器。
( 5) 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。
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, 应采用连续常压精馏流程。
1.4.2 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, 对精馏装置的流程、 操作条件、 主要设备型式及其材质的选取等进行论述。
( 2) 蒸馏塔的工艺计算, 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与选型, 如再沸器、 冷凝器。
( 5) 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。
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, 应采用连续常压精馏流程。
2. 工艺流程和工工艺设备的选择
2.1 工艺设备的选择
精馏设备所用的设备及其相互联系, 总称为精馏装置, 其核心为精馏塔。常见的精馏塔有板式塔和填料塔两类, 通称塔设备, 和其它传质过程一样, 精馏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: 流体经过塔设备时阻力降小, 能够节省动力费用, 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－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(18 )、 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。当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见的塔设备, 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10～15％。
( 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2～3)。
( 3) 小孔筛板容易堵塞。
2.2 工艺参数的选择
2.2.1 进料参数
进料: 乙醇—水的混合溶液, 其中乙醇含量质量分数: 29.98%;
原料处理量: 质量流量=5000㎏/h (3)摩尔分率: XD=0.95, XW=0.03 。
工艺操作条件: 常压精馏塔塔底间接加热, 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, 不但较为方便, 而且不受环境温度的影响, 同时又能保证精馏段与提留段塔径基本相等, 制造方便。
进料热状态有五种, 即
q1时, 为低于泡点温度的冷凝进料;
q1时, 为泡点下的炮和液体;
q0, 为露点下的炮和蒸汽;
1q0, 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, 将原料液经过预热器至饱和点进入精馏塔。

2.2.2 回流方式及回流比的选择
泡点回流易于控制, 设计和控制时比较方便, 而且能够节约资源。因此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=( 1.2～2.0) Rmin。
本设计回流比取最小回流比的1.4倍。

3. 设计计算
3.1 物系计算

表一: 乙醇—水系统t—x—y数据
沸点
乙醇摩尔百分数
沸点
乙醇摩尔百分数

x
y
相对挥发度α

x
y
相对挥发度α
99.9
0.004
0.053
13.26
81.3
33.24
58.78
2.87
99.8
0.04
0.51
12.81
80.6
42.09
62.22
2.26
99.7
0.05
0.77
15.51
80.1
48.92
64.70
1.91
99.5
0.12
1.57
13.28
79.85
52.68
66.28
1.77
99.2
0.23
2.90
12.96
79.5
61.02
70.29
1.51
99.0
0.31
3.725
12.44
79.2
65.64
72.71
1.39
98.25
0.39
4.51
12.06
78.95
68.92
74.69
1.33
97.65
0.79
8.76
12.057
78.6
75.99
79.26
1.21
95.8
1.61
16.34
11.94
78.4
79.82
81.3
1.099
91.3
4.16
29.92
9.83
78.27
83.87
84.91
1.07
87.9
7.14
39.16
8.37
78.2
85.97
86.4
1.04
85.2
12.64
47.49
6.25
78.5
89.47
89.41
1.0003
83.75
17.41
51.67
5.07
78.75
72.36
76.93
1.27
82
27.3
56.44
3.49

3.1.1 平均挥发度的计算
挥发度计算公式:
经计算, α1~α27 值如表一所示。
因此有公式得:

得
3.2 全塔的物料衡算
乙醇( CH4CH3OH) 的相对分子质量为46, 水的相对分子质量为18
乙醇的含量=
=29.98%
水的含量=
=70.02%
原料液组成: XF=
=
=0.14348
釜液组分: XW=1-0.14348
=0.85752
原料液的平均相对分子质量:
MF=
=22.004
原料液流量:
F===227.2
由全塔物料衡算: F=D+W
F·XF=D·XD+W·XW
带入已知数据可得: D=27.91
W=199.29
3.3 操作线方程的计算
3.3.1 精馏段气液相流量及操作线方程计算
由物系计算知:
因为是泡点进料:
有平衡方程式: ==0.3962
因此得: =
因为本设计取回流比R为最小回流比Rmin的1.4倍

由回流比得

带入数据可知:

因此精馏段的操作线方程:

因此第五层为理论进料板, 精馏段所需理论层数为五层。
3.3.2 提留段气液相流量及操作线方程计算
由
提留段的操作线方程为:

提留段所需理论板层数为三层
因此总的理论层数为5+3=8层
精馏塔所需实际板层数为:
由得:

NP=16
因此实际板层数为16层。
3.4 精馏塔的计算
精馏段上升蒸汽的体积流量:
E: 40%~60%, T=( 78℃+85℃) / 2, P为常压: 101.3KP, U=1.5~2.0得:
因为:
因此:
因此塔径:
对于提留段:
因此:
查表可知:
由此可知气液接触的有效段高度为:

因为:
因此:
由:
Np: 实际塔板数
HT: 板间距
HW: 塔底部空间( 0.7~1.5m)
HD: 塔顶部空间( 1~1.5m)
HF: 进料板超高( 0.3~0.5m)
本设计中
带入公式:

因此塔高为8.6m
4. 总结
本次课程设计历时两周, 在这两周的设计中, 经历了从一头雾水, 到网上查找资料, 同学讨论, 再进行整个设计的计算, 再到电子稿的编写。我深刻体会到理论与实际结合的重要性。
经过本次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性, 更重要的是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计, 对实际单元操作设计中涉及的各方面的问题都有所了解。经过这次对精馏塔的设计, 不但让我将所学的知识应用到实际中, 而且对知识也是一种巩固和提升充实。本次设计使我受益非浅, 它将会给我以后的学习和工作打下坚实的基础。我十分庆幸有这样一次机会, 能够将理论知识与生产实际联系起来, 使我们的知识不局限于理论, 切实提高了我们解决问题的动手能力。
再次诚恳的感谢黄老师的指导与同组同学的帮助!
参考文献:
[1].杨祖荣主编. 《化工原理》.—北京: 高等教育出版社, .6( .6重印)
[2].高职高专化学教材编写组.《有机化学》( M) .出版地: 高等教育出版社
[3].高等高专化学教材编写组.《无机化学》( M) .出版地: 高等教育出版社
[4].上海师范大学.《化工基础》上( M).出版地: 高等教育出版社
图1: 乙醇—水连续精馏操作流程示意图