乙醇水连续精馏系统设计.doc

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“” 产品规定： 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=（1.22.0） 二、提交内容： （一）、设计说明书一份（涉及封面书、任务书、摘要、关键词、目录、正文、成绩评估表） （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，一方面必须要能使气(汽)、液两相得到充足的接触，以达成较高的传质效率。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规定，抓住重要矛盾，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规定，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11.1 乙醇水物系11.1.1 乙醇性质及用途11.1.2 乙醇水物系特点31.2 精馏的方法31.3 选题的意义41.4 设计任务51.4.1 设计任务51.4.2 设计思绪62. 工艺流程和工工艺设备的选择72.1 工艺设备的选择72.2 工艺参数的选择92.2.1 进料参数92.2.2 回流方式及回流比的选择93. 设计计算103.1 物系计算103.1.1 平均挥发度的计算123.2 全塔的物料衡算123.3 操作线方程的计算133.3.1 精馏段气液相流量及操作线方程计算133.3.2 提留段气液相流量及操作线方程计算153.4 精馏塔的计算174. 总结191. 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、令人快乐的香味，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：与金属反映2CH3CH2OH+2Na=2CH3CH2ONa+H2结论： 可以与金属钠反映，产生氢气，但不如水与金属钠反映剧烈；活泼金属（钾、钙、钠、镁、铝）可以将乙醇羟基里的氢取代出来。与氢卤酸反映C2H5OH+HBr=C2H5Br+H2OC2H5OH+HX=C2H5X+H2O注意：通常用溴化钠和硫酸的混合物与乙醇加热进行该反映。故常有红棕色气体产生。氧化反映燃烧：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）消去反映分子内消去制乙烯（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足，可避免污染，并且燃烧热值较大。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，青少年特别不宜饮用含酒精的饮料；工业酒精中具有毒性的甲醇，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，所以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%必须改用其他方法，才干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重要有恒沸精馏、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 简朴的蒸馏和平衡蒸馏，都是单级分离过程，不能得到纯度较高的产品。并且，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成满意的分离效果。 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毕精馏操作，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干实现整个操作，如图11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（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长，到达塔顶时，蒸气将成为高纯度的易挥发组分。因此，塔的上半部分完毕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（涉及进料板），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，塔的下半部分完毕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涉及精馏段和提镏段，才干达成较高的限度分离。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，规定乙醇有不同的纯度，有时规定纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很困难的，由于乙醇极具挥发性，所以们要想把低纯度的乙醇水溶液提高到高浓度，要用连续精馏的方法，由于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“” 产品规定： 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=（1.22.0） 二、提交内容： （一）、设计说明书一份（涉及封面书、任务书、摘要、关键词、目录、正文、成绩评估表） （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）设计方案拟定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、重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，拟定塔高和塔径。（3）塔板设计：计算塔板各重要工艺尺寸，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 设计思绪本设计按以下几个阶段进行：（1）设计方案拟定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、重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，拟定塔高和塔径。（3）塔板设计：计算塔板各重要工艺尺寸，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互相联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程同样，精馏塔对塔设备的规定大体如下： 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足的密切接触，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，易于达成所规定的真空度。 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，并且不会使效率发生较大的变化。 五：结构简朴，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。气液传质设备重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(182023)、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，重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，它的重要优点有：（1）结构比浮阀塔更简朴，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。（2）解决能力大，比同塔径的泡罩塔可增长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。筛板塔的缺陷是：（1）塔板安装的水平度规定较高，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。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%；原料解决量：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。当进料组成一定期，流量也一定期，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，并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，将原料液通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，并且可以节约资源。所以本设计选择泡点回流。选择回流比，重要从经济观点出发，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）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xy相对挥发度99.90.0040.05313.2681.333.2458.782.8799.80.040.5112.8180.642.0962.222.2699.70.050.7715.5180.148.9264.701.9199.50.121.5713.2879.8552.6866.281.7799.20.232.9012.9679.561.0270.291.5199.00.313.72512.4479.265.6472.711.3998.250.394.5112.0678.9568.9274.691.3397.650.798.7612.05778.675.9979.261.2195.81.6116.3411.9478.479.8281.31.09991.34.1629.929.8378.2783.8784.911.0787.97.1439.168.3778.285.9786.41.0485.212.6447.496.2578.589.4789.411.000383.7517.4151.675.0778.7572.3676.931.278227.356.443.493.1.1 平均挥发度的计算挥发度计算公式：经计算，127 值如表一所示。所以有公式得： 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 FXF=DXD+WXW带入已知数据可得：D=27.91 W=199.293.3 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：由于是泡点进料：有平衡方程式：=0.3962所以得：=由于本设计取回流比R为最小回流比Rmin的1.4倍 由回流比得 带入数据可知： 所以精馏段的操作线方程：所以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所以总的理论层数为5+3=8层精馏塔所需实际板层数为：由得：NP=16所以实际板层数为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=1.52.0得：由于：所以：所以塔径：对于提留段： 所以：查表可知：由此可知气液接触的有效段高度为： 由于：所以：由： Np：实际塔板数HT：板间距HW：塔底部空间（0.71.5m）HD：塔顶部空间（11.5m）HF：进料板超高（0.30.5m）本设计中带入公式： 所以塔高为8.6m4. 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。通过本次课程设计使我充足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。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，并且对知识也是一种巩固和提高充实。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，可以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，2023.6（2023.6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