分离工程课程设计

IANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本科课程设计（论文）双塔共沸精馏系统脱除正丁醇中的水及热泵节能系（院）名称：化学与环境工程学院专业班级：11-1化学工程与工艺学生姓名：张亚东指导教师姓名：樊晓芳2014年11月3号IIIII目录中文摘要、关键词………………………………………………………………1引言…………………………………………………………………………………2第1章设计条件………………………………………………………………2第2章精馏塔物料衡算………………………………………………………32.1双塔物料衡算……………………………………………………………32.1.1物料衡算…………………………………………………………………32.1.2操作线和理论板数的确定………………………………………………32.2直接采用水蒸气加热……………………………………4第3章热泵节能………………………………………………………………5结论…………………………………………………………………………………7致谢…………………………………………………………………………………8参考文献…………………………………………………………………………91双塔共沸精馏脱除正丁醇中的水及中间再沸器节能摘要：本文针对含丁醇-水体系的分离过程进行研究，通过考察二元共沸物的特性及汽-液-液相平衡的特点，提出了采用以原料水为夹带剂的自夹带双塔共沸精馏回收正丁醇的工艺流程。采用NRTL模型计算正丁醇-水混合物的汽液平衡数据，对正丁醇-水混合物双塔精馏流程进行了稳态模拟和优化，考察了塔板数、进料板位置以及冷凝温度对塔釜热负荷的影响，确定了适宜的工艺条件，得到了各物流的温度、压强、流量和组成以及精馏塔板上的温度分布、汽（液）相流量分布和组成分布及再沸器的热负荷。该计算对正丁醇-水系统双塔精馏工艺的设计和操作具有实际意义关键词：正丁醇；水；共沸精馏；NRTL；模拟2第一章前言共沸现象是液体混合物的一种特殊的非理想溶液状态，即在一定的压力下进行汽化或冷凝时，平衡的汽相组成和液相组成相等，温度始终不变。对于由A、B两组分构成的二组分混合液，当分子A-B间的吸引力小于A-A和B-B间吸引力时称为对拉乌尔定律有正偏差，如甲醇-水。若分子A-B间的吸引力进一步减小，即活度系数大于1时，就会出现最低共沸组成和最低共沸点，如乙醇－水；与此相反，当分子A-B间的吸引力大于A-A和B-B间吸引力时称为对拉乌尔定律有负偏差，并且当相互吸引力达到一定程度，即活度系数小于1时，就会形成最高共沸组成和最高共沸点，如硝酸-水。第一章设计条件用双塔共沸精馏系统脱除正丁醇中的水。进料量F=5000kmol/h,原料汗水28％，气液进料，气相分率为30％，操作压力101.3kp。饱和液体回流。规定丁醇塔中L1/V1=1.23(L/V)。水塔中2V/B2=0.123.要求丁醇中汗水量不大于0.04摩尔分数，废水中含正丁醇不大于0.005摩尔分数。计算：①产品流速；②两个塔的平衡级数和适宜进料位置第二章精馏塔物料衡算2.1双塔物料衡算2.1.1两塔均采用加热方式的方案①进料位置的判断由气液平衡数据可知xa=0.537，x=0.975，故xxxf，故应在丁醇塔（1塔）进料。3②物料计算对于整个系统作水的衡算和总物料衡算。解的hkmol/5.37431;hkmol/5.12562③1塔的操作线和理论板数的确定a.若夹点出现在进料板处，则画图得到q线和平衡线的交点坐标。11qxqqyxF将q=0.7和xF的值代入上式得：933.033.2xy，将其绘与y-x图，与平衡线交与J1点，53.0,17.011yxJJ若夹点出现在塔顶，设为J2点，因回流液组成75.0,537.022yJxy值，故流液组成平衡的点的气相组成应是与回故回.2.2最小气液比的确定一般来说，连接对角线上组成为在绘图误差范围内。乎为一条直线，其差别由于两个夹点操作线几作线计算点，按斜率大的夹点操和点与,min212VJJxB1塔的精馏段操作线可由第n块板和第n+1块板之间至2塔一起作物料衡算得出BxLyVnn2111995.0若夹点在进料板，则将代入上式和y11JJxhkmolVBLV/5.2879,955.017.053.0min,12min1min,1故若夹点在塔顶，则将代入和对应的平衡气相组成回,75.0y573.0x式BBVBLV22min,12min,1min,1995.0)(573.0995.0573.075.0.故hkomlV/7.2995min,1，因按塔顶计算的最小上升气量最大，取58.0,/7.995.2min,1则最小液气比hkomlVC.操作线和理论板的确定45.1256,713.0)/(23.1/1111VLVLVL,hkomlhkomlLV/5.3121;/0.437811故的精馏段操作线285.0713.01xynn在图上画一塔精馏段和提馏段操作线得，2,2,41NNNSR④2塔操作线和理论板数的确定按题意hkomlBBV/5.1256132.0/222及所以hkomlVLhkomlVB/4.1422'',/9.165'2222，得操作线方程54.757.81xymm⑵2塔采用直接水加热若考虑2塔加入水蒸汽后含丁醇仍为0.005摩尔分数，则可列出下列式子：BBSF21,0.28F+S=0.04BB21995.0BV22132.0','2VS解的hkomlvshkomlhkomlBB/2.191',/8.1448,/4.37422212塔的操作线和图解理论板如下xBVxyBBmMLVhkomlL22212222''',/8.1448'，即599.6577.71xymm。当0.121yxxmBm时，,该点为操作线的顶点，在y=x图上画出操作线，由2,975.04NJx开始图解理论板，与操作线的交点回5第三章热泵节能6闭式热泵热泵——将精馏和制冷循环结合起来，把塔顶低温处的热量传递给塔釜高温处的系统。提高精馏过程热力学效率的途径:(1)降低流动过程的P，变板式塔为填料塔是降低提高生产能力的主要途径；(2)减小塔顶冷凝器和塔底再沸器的T,常采用高效换热器或改进操作方式；(3)在较小R或不同R(设中间再沸器或中间冷凝器)下操作，以便降低传热传质的不可逆性（降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，从而提高了热力学效率)；(4)采用双效或多效精馏(各塔采用不同压力，使供入塔内的热量重复使用，重复使用的次数称为效数)；第四章讨论7图1.2对于二元均相共沸物，即使是用无穷多块板，也越不过y-x平衡线与对角线的交点。而二元非均相共沸物，虽然平衡线也与对角线相交，但它有一段代表两个液相共存的水平线，只要气相浓度大于XB，该蒸汽冷凝后便分成两液层，一层为XA，一层为XB。这样，利用冷凝分层的办法，就越过了平衡线与对角线的交点。所以二元非均相共沸物可用一般精馏方法分离，但需采用双塔流程。正丁醇与水在低温下部分互溶，20℃时水中能溶解7.7wt%的正丁醇，正丁醇能溶解20.1wt%的水，蒸馏时形成恒沸物。所以可以采用二元非均相双塔精馏工艺进行分离。另外，该体系的塔顶蒸汽经过冷凝分层，两液相组成的差异较大，可以不加共沸剂，即采用以水作为自夹带剂的非均相共沸精馏。图1.2二元非均相共沸物y-x图双塔流程如图1.3所示。其中A为易挥发组分——正丁醇（组分1），B为难挥发组分——水（组分2），共沸组成为M。组成为XF的物料进入脱水塔，经过分离，塔釜组成为X1W，接近于纯B，塔顶蒸汽组成为Y1D，接近共沸组成M。该蒸汽经冷凝后进入分层器，分为两共扼液层，上层为富B液层，组成为XB，作为脱水塔的回流；下层为富A液层，组成为XA，作为回收塔的进料。回收塔只有提馏段，组成为XA的料液经过分离，塔釜组成为X2W，接近于纯A，塔顶蒸汽8组成为Y2D，亦接近共沸组成，经冷凝后也进入分层器。经过上述分离，即可得到较纯的组成A和B，达到分离二元非均相共沸物的目的。醇相水相进料F正丁醇水脱水塔回收塔XXXXXyyFW1W2BAD1D2图1.3双塔流程示意图致谢历时将近半个月的时间终于将这篇设计写完，在设计的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的设计指导老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦地进行设计的修改。感谢这篇设计所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！参考文献：传质分离过程高等教育出版社刘家祺主编化工原理高等教育出版社天津大学化工学院柴诚敬主编98