乙醇和水的精馏塔设计

徐州工程学院化工原理课程设计设计题目：乙醇-水筛板精馏塔设计学生姓名：郦琪班级：11环2学号：20111702206指导教师：王菊设计时间:2014年10月20日~11月2日完成时间:年月日于徐州一、设计题目：乙醇－水连续精馏塔的设计二、设计任务及操作条件1.进精馏塔料液含乙醇28%(质量分数)，其余为水。2.产品乙醇含量不得低于96%(质量分数)。3.残液中乙醇含量不得高于0.2%(质量分数)。4.生产能力为日产(24小时)30吨96%的乙醇产品。（6）操作条件a)塔顶压强4kPa(表压)b)进料热状态自选c)回流比自选d）加热蒸汽压力低压蒸汽（或自选）e)单板压降小于等于0.7kPa三、设备形式：筛板塔四、设计内容：1、设计说明书的内容1)精馏塔的物料衡算；2)塔板数的确定；3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5)塔板主要工艺尺寸的计算；6)塔板的流体力学验算；7)塔板负荷性能图；8)精馏塔接管尺寸计算；9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。2、设计图纸要求：1)绘制生产工艺流程图（A2号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。五、设计基础数据：1.常压下乙醇——水体系的t-x-y数据；2.乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。。第一章前言化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物。其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作。在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂）。使气、液两相多次直接接触和分离。利用液相混合物中各组分挥发度的不同。使易挥发组分由液相向气相转移。难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。在本设计中我们使用筛板塔。筛板塔的突出优点是结构简单造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性。而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一。五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响。可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成。使用碳钢的比率较少。它的主要优点是：结构简单。易于加工。造价为泡罩塔的60左右。为浮阀塔的80%左右；在相同条件下。生产能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率较高。比泡罩塔高15%左右。但稍低于浮阀塔；气体压力降较小。每板降比泡罩塔约低30%左右。缺点是：小孔筛板易堵塞。不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约2～3）。蒸馏是分离均相混合物的单元操作。精馏是最常用的蒸馏方式。是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练。为以后从事设计工作打下坚实的基础。第二章流程的确定和说明2.1设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。2.1设计流程乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。摘要本设计是以乙醇――水物系为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离乙醇和水。筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系乙醇－－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。通过计算得出xF=0.131,xD=0.88,xW=0.000156,F=137.98kmol/h,实际板数为37块，工艺参数的选定泡点进料、泡点回流。回流比为2.78,进料位置为第11块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1米，有效塔高19.7米，。通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。本次设计过程正常，操作合适。关键词：乙醇，水，二元精馏，筛板连续精馏精馏塔，提馏段1塔的工艺计算查阅文献，整理有关物性数据表1-1年处理原料能力F=30吨/天质量分数28.0F96.0D002.0W分子量kmolkgM07.46乙醇kmolkgM01.18水1.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F：进料量（kmol/s）Fx：原料组成（摩尔分数。下同）D：塔顶产品流量（kmol/s）Dx：塔顶组成W：塔底残液流量（kmol/s）Wx：塔底组成根据公式：BBAAAAAMwMwMwn（1-1）原料液乙醇的摩尔组成Fx=18/7246/2846/28=0.13207塔顶产品乙醇的摩尔组成Dx=18/446/9646/96=0.90377塔底残夜乙醇的摩尔组成Wx=18/8.9946/2.046/2.0=0.000781.2平均摩尔质量根据公式可得：baaaMxMxM)1(_（1-2）原料液的平均摩尔质量：kmolkgMF/698.2118)13207.01(4613207.0馏出液的平均摩尔质量：kmolkgMD/306.4318)90377.01(4690377.0塔釜残液的平均摩尔量：kmolkgMW/021.1818)00078.01(4600078.01.3全塔物料衡算：进料量：F=30吨/天=))1872.04628.0(24/(30000=48.375kmol/h全塔物料衡算式：F=D+W,F*Fx=D*Dx+W*Wx解之得：D=7.051kmol/h，W=41.324kmol/h1．4回流比的确定1.4.1平均相对挥发度的计算由相平衡方程xxy)1(1（1-3）得：)1()1(yxxy（1-4）表1-2由常压下乙醇-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由道尔顿分压定律yiPPBBAABAixPxPVV（1-5）得)1()1(AAAABABAixxyyxxyy（1-6）将上表数据代入得：序号123453.68153.15692.72542.35012.1263序号6789101.91551.72281.54081.41961.3207则04.3...1010321则平衡线方程xxxxxxy04.2104.3)104.3(104.3)1(11.4.2最小回流比的计算和适宜回流比的确定1321.0Fx9038.0Dx因为1q所以1321.0Fqxx相平衡方程：3163.0)1(1qqqxxy泡点进料：qyy最小回流比：189.31321.03163.03163.090377.0minqqqDxyyxR任务要求操作回流比是最小回流比的1.67倍33.5189.367.167.1minRR1.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定精馏段：hkmolRDL/497.37035.733.5hkmolDRV/532.44035.7)133.5()1(111RXxRRyDnn（1-7）精馏段操作线方程：142.0842.01nnxy提馏段：hkmolqlL/532.44035.71497.37DhkmolFFqVV/532.44)11(532.44)1(wmmxVWxVLy1（1-7）提馏段操作线方程：018.1.11mmxy通过精馏段操作线方程和提馏段操作线方程用图解法所得理论塔板数为16块，其中第12块为进料板，精馏段的理论塔板数为12块。提馏段的理论塔板数为4块。得图如下：图1-1理论塔板数图解1.5精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定1.5.1全塔的相对平均挥发度的计算常压下乙醇和水的气液平衡数据表1—3乙醇—水系统t—x—y数据沸点t/℃乙醇摩尔数/%沸点t/℃乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41根据乙醇-水体系的相平衡数据可得：乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：1886.01Dxy67.01xCtd16.78(塔顶第一块板)495.013y140.013xCtf61.83(加料版)103.016y01.016xCtW3.99(塔底)由相平衡方程式（1-3）和（1-4）得由此式可求得02.3102.61337.1116精馏段的相对平均挥发度：26.4131提馏段的相对平均挥发度：27.81613精馏段的平均温度：Ctttfdm9.802提馏段的平均温度：Ctttfwm5.912,,表1-4乙醇和水的粘度温度（℃）2030405060708090100110水的粘度（samp.）1.0020.8020.6620.5920.4690.4000.3300.3180.2480.259乙醇的粘度（samp.）1.221.000.830.690.380.480.450.3510.3050.262在C90.80时，根据上图可知对应的375.0x，由《（液体粘度共线图）》查得spua.m42.0乙醇8.13,5.10yx在C5.91时，根据上图可知对应的041.0,x，由《（液体粘度共线图）》查得su.mp365.0a乙醇(8.13,5.10yx)因为：粘度liiLux所以：精馏段的平均粘度：.s363.0329.0)375.01(42.0375.0aLmpu提馏段的平均粘度：s.311.0308.0)041.01(365.0041.0,aLmpu用奥康奈尔法计算全塔效率1.1)(49.0245.0LTuE得：精馏段的全塔效率：%4.481.1)363.026.4(49.0245.0TE提馏段的全塔效率：%8.421.1)311.027.8(49.0245.0TE3实际塔板数的计