乙醇-水

1化学化工学院《化工原理》课程设计设计题目乙醇—水精馏搭的设计学生姓名班级学号指导教师姓名2化学化工学院设计题目乙醇—水精馏塔的设计设计条件及任务：设计体系：乙醇—水体系设计条件：1.进精馏塔料液含乙醇25%（质量）。2.产品含量不得低于94%（质量）。3.残液中乙醇含量不高于0.1%（质量）。4.生产能力：日产（24小时）20吨94%（质量）的乙醇产品。操作条件：精馏塔顶压力4kPa（表压）进料状况q=1回流比R/Rmin=1.3单板压降不大于0.7kPa加热蒸汽压力低压蒸汽设备型式筛板塔3设计内容一．设计方案的确定及流程说明（一）分离方式的选择待分离的体系为乙醇-水体系，对于均相混合物的分离，采用简单的机械分离过程是没有用的，必须采用传质分离过程才能将其分开，而由于乙醇和水可以以任意比例互溶，溶解度很大，一般不能采用萃取操作将其分离，因此最终选用精馏作为分离乙醇和水的方法（二）选塔依据筛板塔是现今应用最广泛的一种塔型，设计比较成熟，具体优点如下：1）结构简单，金属耗量少，造价低廉2）气提压降小，板上液面落差也较小3）塔板效率较高4）改进的大孔筛板能提高气速和生产能力（三）塔压精馏可以在减压、常压、加压的条件下进行，常压下为气态或泡点为室温的混合物，可以采用加压精馏；常压下泡点为室温至150℃左右的混合液，一般采用常压精馏；对于常压下泡点较高或热敏性物质，宜采用减压精馏，以降低操作温度。乙醇和水的沸点分别为78℃和100℃，因此采用常压精馏，塔顶压力为（101.3+4）kPa。(四)进料状态进料状态分五种，包括冷夜进料、泡点进料、气液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸汽进料。在实际生产中，以接近泡点的冷进料和泡点进料者居多，泡点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，因此选择加料方式为泡点进料。（五）塔釜加热方式一般塔釜都设置再沸器，输入一定热量使部分液体气化，产生上升蒸汽，使精馏过程得以进行，大多数情况下均采用间接加热，但是对于塔内重组分是水的体系来说，由于水将作为塔釜产品从塔底排除，此时就可以省去一个再沸器，4采用直接蒸汽加热的方式来对塔釜加热，本体系中乙醇为轻组分，水为重组分，因此可采用直接蒸汽加热，提供的蒸汽压力为101.3KPa（表压），可作为加热的热源。（六）塔顶冷凝方式在本工艺中，没有塔顶气相采出，因此采用全凝器即可满足要求。（七）塔板溢流形式对产量做简单估计后，选择单溢流作为塔板溢流形式的初步结果，具体设计视情况而定。（八）操作流程乙醇-水混合液经过预热器，预热到泡点进料。进入精馏塔后分离，塔顶蒸汽冷凝后有一部分作为产品，一部分回流再进入塔中，塔底残留液给再沸器加热后，部分进入塔中，部分液体作为产品排出塔体。二．塔的工艺计算2.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分率M乙=46g/molM水=18g/mol则：XF=18/75.046/25.046/25.0=0.1154XD=18/06.046/94.046/94.0=0.8598XW=18/999.046/001.046/001.0=0.000392.2回流比的确定5要确定回流比，需要计算精馏操作的最小回流比。根据常压下乙醇~水的气液平衡数据在x-y图上描点、连线作出相平衡线，画出对角线作为辅助线。乙醇-水为非理想体系，所以平衡曲线有下凹部分，然后做出进料线，由于为泡点进料，所以进料线方程为x=0.1154。xe=0.1154,求最小回流比自点（xD,xD）作平衡线的切线，这条线对应的就为最小回流比，做出这条线，读出其在纵轴上的截距：1bae-d进料线cd0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.0000xyXDRmin+1=0.264Rmin=2.257由于操作回流比是最小回流比的1.3倍，所以：R=1.3×2.257=2.93412.3物料衡算乙醇产量为20t/day,其每小时的产量为0.8333t/daym乙=0.8333×0.94=0.7833t/h=783.3kg/hm水=0.8333×0.06=0.0500t/h=50kg/hD=783.3÷46+50÷18=19.806kmol/h总物料衡算：F=D+W即：F=19.806+W①易挥发组分物料衡算：FXF=DXD+WXW0.1154F=0.8598*19.806+0.00039W②联立①②得:6F=148.013kmol/hW=128.207kmol/h精馏段：L=RD=2.9341×19.806=58.1128kmol/hV=(R+1)D=3.9341×19.806=77.9188kmol/h操作线方程为：219.0746.019341.28598.019341.29341.211xxRXxRRyD提馏段：L′=L+F=58.1128+148.207=206.3198kmol/hV′=V=77.9188kmol/h操作线方程为：0006.065.2'''xVWxxVLyw2.4操作温度的计算常压下乙醇和水的气液平衡表(t—x—y)txy1000095.50.0190.1789.00.07210.389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23370.544582.30.26080.558081.50.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943由常压下乙醇和水的气液平衡表(t—x—y)内插有：(0.019-0.00039)/(0.019-0)=(95.5-错误!未找到引用7源。)/(95.5-100)塔釜温度tw=99.91℃（0.8943-0.8598)/(0.8943-0.7472)=(78.15-错误!未找到引用源。)/(78.15-78.41)塔顶温度tD=78.21℃（0.1238-0.1154）/（0.1238-0.0966）=（85.3-tF）/（85.3-86.7）进料温度tF=85.73℃精馏段的平均温度：97.81273.8578.21精mT℃提馏段的平均温度：82.92273.8591.99提mT℃塔平均温度为：395.872提精mmmTTT℃2.5理论板数的求取确定理论塔板数采用图解法通过图解理论板，可以看出：理论板数：NT=28进料板位置：NF=2482.6实际板数的求取全塔效率的计算：由物性数据表和液体粘度共线图查得：在87.395℃下，水和乙醇的黏度分别为：µ水=0.326µ乙=0.396µ=0.396×0.1154+0.326×(1-0.1154)=0.334ET=0.17-0.616logµ=0.17-0.616log0.334=0.463精馏段实际板层数N精=23/0.463=49.676≈50提馏段实际板层数N提=5/0.463=10.799≈11三.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.1操作压力计算塔顶操作压力PD=101.3+4=105.3KPa∵△p≤0.7kPa∴取每层踏板压强△p=0.7kPa进料板压力PF=105.3+0.7×46=137.5KPa塔底压力为：5.1447.010FWppkPa精馏段平均压力Pm=(105.3+137.5)/2=121.4KPa提馏段平均操作压力为：p提14125.1445.137kPa3.2平均摩尔质量计算1）精馏塔的汽、液相负荷L=RD=2.9341×19.806=58.1128kmol/hV=(R+1)D=3.9341×19.806=77.9188kmol/hL′=L+F=58.1128+148.207=206.3198kmol/hV′=V=77.9188kmol/h2）平均分子量:精馏段：t1=81.97℃，在这个温度下气液组成分别为：9液相组成x1:3.825.815.8197.8108.2673.3273.32100xx1=0.288气相组成y1:5.813.825.8197.8126.588.5526.58100yy1=0.568所以：MVDM=0.568×46+(1-0.568)×18=33.904MLDM=0.288×46+(1-0.288)×18=26.064提馏段：t2=92.82℃,液相组成x2:0.895.950.8982.9290.121.721.7100xx2=0.1033气相组成y2:0.895.950.8982.9291.3800.1791.38100yy2=0.2603所以：MVWM=0.2603×46+(1-0.2603)×18=25.2884MLWM=0.1033×46+(1-0.1033)×18=20.89243.3相对挥发度的计算由内插法可计算塔顶、塔釜的气液相组成塔顶：0.568yDA，0.432yDB，DAx，0.2880.712xDB，塔釜：WAy，0.2603WBy，0.0.73970.1033xWA，0.8967xWB，DBDBDADAD/xy/xy，，，，3.25WBWBWAWAW/xy/xy，，，，3.05WD*平3.1483.4平均密度计算1)气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，得103/394.1)15.27397.81(314.8904.334.121mkgTRMPmVmV精精精精3/1719.1)15.27382.92(314.82884.25141mkgTRMPmVmV提提提提2）液相平均密度的计算塔顶液相平均密度的计算：由物性数据表查得不同温度下的乙醇和水液相密度（线性插值得到）设A代表乙醇，B代表水tD＝78.21℃：3/31.737mkgA3/874.972mkgBtF＝85.73℃：3/4.727mkgA3/0755.968mkgBtw＝99.91℃:3/5.716mkgA3/46.958mkgB认为混合物的密度为各组分的加权平均值，则有：塔顶：ρL=737.31×0.8598+972.874×0.1402=770.336Kg/m3进料：ρL=727.4×0.1154+968.0755×0.8846=940.3Kg/m3塔底：ρL=716.5×0.00039+958.46×0.99961=958.3656Kg/m3ρL精=23.940336.770=855.318kg/m3ρL提=23656.9583.940=949.3328kg/m33.5液体平均表面张力m1nmiiix乙醇-水各温度下的表面张力数据（由物性数据表和液体表面张力共线图查得）11塔釜温度tW进料温度tf塔顶温度tD99.9185.7378.21乙醇表面张力N/m0.01530.01620.0171水表面张力N/m0.058860.06150.0629tD=78.21℃mND/171.00乙醇，mND/0629.0水，mNDm/0235.00629.01402.00171.08598.0,tf=85.73℃mNf/621.00,乙醇mNf/0615.0,水mNfm/056.00615.08846.00162.01154.0,Wt99.91℃mNW/153.00乙醇，mND/05886.0水，mNWm/0588.005886.099961.00153.000039.0,精馏段液相平均表面张力：mNm/03975.02056.00235.0精