乙醇精馏塔的设计.doc

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1、1 目录 目目录录.1 前前 言言.3 摘摘 要要.4 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书.5 第第 1 1 章章 绪论及基础数据绪论及基础数据.7 1.11.1 设计基础数据设计基础数据.7 1.1.1 乙醇和水的物理性质.7 1.1.2 常压下乙醇和水的气液平衡数据.7 1.1.3 乙醇和水物性数据.7 1.21.2 精馏流程的确定精馏流程的确定.8 第第 2 2 章章 精馏塔工艺计算精馏塔工艺计算.9 2.12.1 全塔工艺全塔工艺计计算算.12 2.1.1 精馏塔二元物系物料衡算.12 2.1.2 相对挥发度的计算.12 2.1.3 最小回流比的确定.12 2.1.4 确定合

2、适的回流比.13 2.1.5 操作线方程.13 2.1.6 精馏塔理论塔板数及理论加料位置.13 2.1.7 全塔效率.14 2.2.1 操作压强 P.12 2.2.2 操作温度 T.15 2.2.3 物性数据计算.16 2.2.4 气液负荷计算.19 2.32.3 精馏段工精馏段工艺艺设计设计.20 2.3.1 精馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算.20 2.3.2 筛板流体力学验算.22 2.3.3 塔板负荷性能图.23 2.42.4 提馏段工艺设提馏段工艺设计计.27 2.4.1 提馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算.27 2.4.2 筛板流体力学验算.29 2.4.3 塔板负荷性能图.31 2 第

3、第 3 3 章章 板式塔结构及附属设备设计板式塔结构及附属设备设计.34 3.13.1 热量衡算热量衡算.34 3.1.1 进入系统的热量.34 3.1.2 离开系统的热量.34 3.1.3 热量衡算式.35 3.23.2 塔高的计算塔高的计算.35 第第 4 4 章章 设计结果汇总设计结果汇总.35 参参 考考 文文 献献.39 附附 录录.40 3 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

4、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 夜。 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

5、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，使用碳刚的比率较少。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，每板压力降比泡罩塔约低 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 23） 。 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

6、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。 4 摘 要 本次设计对一定量的乙醇和水的分离设备精馏塔做了较详细的叙述，主要包括： 工艺计算，设备泵计算,塔设备等的附图.化工原理是化学工业的理论指导，精馏塔是大型 的设备组装件，分为板式塔和填料塔两大类，其中，筛板精馏塔在实际中应用较为广泛， 它的设计是化工原理课程的重要组成部分，通过对乙醇-水分离的设计，培养学生综合运 用化原理论知识，分析、解决实际问题的能力，掌握化工设计的基本程序和方法。并在查 阅文献、准确选用公式和合理利用数据，以及用简洁文字、图表表达

7、设计结果及制图等方 面能力得到基本训练。 关键词：水、乙醇、连续精馏、精馏段、提馏段、筛板塔 5 化工原理课程设计任务书 1.设计题目：乙醇水二元物料板式精馏塔 2.设计条件：常压 P=1atm(绝压) 原料来自粗馏塔，为 9596饱和蒸汽，由于沿途热损失， 进精馏塔时，原料温度约为 90； 塔顶浓度为含乙醇 93.31%（质量分数）的酒精，产量为 25 吨/天； 塔釜为饱和蒸汽直接加热，从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于 0.03%（质量分数） 。 塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比 R=（1.12.0）Rmin 3.设计要求： （1）精馏塔工艺设计计算 （2）全凝器工艺设计计算 （3）精馏

8、工艺过程流程图 （4）精馏塔设备结构图 （5）塔盘结构图 （6）设计说明书 4.设计任务： （1）完成精馏塔工艺设计（包括辅助设备及进出口管路的计算与选型） 。 （2）画出带控制点的工艺流程图、塔板负荷性能图、塔板、精馏塔工艺条件图。 （3）完成精馏塔设计说明书，包括设计结果汇总及设计评价。 5.设计思路： (1) 全塔物料衡算 （2）求理论塔板数 (3) 全塔热量衡算 (4) 气液相负荷及特性参数 (5) 筛板塔设计 (6) 流体力学性能校核 (7) 画出负荷性能 6.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)

9、 气体压降小、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，且不易堵塞塞孔. 7.化工原理课程设计的基本内容： (1) 设计方案的选定：对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要的论述。 6 (2) 主要的设备工艺设计的计算：物料衡算、热量衡算、工艺常数的选定、设备的结构 设计和工艺尺寸的设计计算。 (3) 辅助设备的选型：典型辅助设备主要工艺尺寸的计算、 ；设备规格型号的选定。 (4) 工艺流程图： 以单图线的形式描绘，标出主体设备和辅助设备的物料方向、物 流量、能流量、主要测量点。 (5) 主要设备的工艺条件图：图面应包括设备的主要工艺尺寸，

10、技术特性表和接管 表。编写设计说明. (6) 筛板精镏塔设计任务及说明在常压连续筛板精馏塔中精馏分离含乙醇 17%的 乙醇水混合液，要求塔顶馏出液中含乙醇量不低于 84.51%，塔底釜液中含苯量不低于 0.0117%（以上均为摩尔分率）. 8.设计意图： （1）使两相在塔板上充分接触. （2）汽液两相总体上呈逆流，每一层塔板上均匀错流接触. 7 第 1 章 绪论及基础数据 1.1 设计基础数据 1.1.1 乙醇和水的物理性质 表 1-1 乙醇和水物性表 项 目分子式分子量沸 点临界温度临界压强 KPA 乙醇 A 25 C H OH 46.0778.4240.9960148 水 B 2 H O

11、18.02100373.9122.05 1.1.2 常压下乙醇和水的气液平衡数据 表 1-2 气液平衡数据表 温度 t液相中乙醇的摩尔分率%气相中乙醇的摩尔分率% 1000.000.00 95.50.01900.1700 89.00.07210.3891 86.70.09660.4375 85.30.12380.4704 84.10.16610.5089 82.70.23370.5445 82.30.26080.5580 81.60.32730.5826 8 80.70.39650.6122 79.80.50790.06564 79.70.51980.6599 79.30.57320.6841

12、 78.740.67630.7385 78.410.74720.7815 78.150.89430.8943 1.1.3 乙醇和水物性数据 乙醇和水各种物性数据见表 1-3 到表 1-6。 表 1-3 液相密度 温度 t, 708090100110 ,kg/m3 A 754.2742.3730.1717.4704.3 ,kg/m3 B 977.8971.8965.3958.4951.6 表 1-4 液体的表面张力 温度 t, 708090100110 ,mN/m A 21.2720.0618.817.6616.49 ,mN/m B 64.3362.5760.7158.8456.9 表 1-5

13、液体的粘度 L 温度 t, 708090100110 mPa LA 0.5230.4950.4060.3610.324 9 mPa LB 0.4061 0.35650.31650.28380.2589 表 1-6 液体气化热 温度 t, 708090100110 ,kJ/kg A 506.3493.8480.7467.0452.7 ,kJ/kg B 2331.22307.82283.2258.42232.0 注：表中乙醇以 A 表示，水以 B 表示，以下相同。表中数据摘自石油化工基础数据手册 （P494495）和天津大学化工原理上册及化工原理课程设计指导书 1.1.4 乙醇的生产方法和粗醇精制

14、的目的 1 乙醇的生产方法 发酵法乙醇的工业生产方法可以归纳为发酵法和水合法两大类。发酵法有粮食发酵法、 木材水解发酵法、亚硫酸盐废碱液法；水合法有乙烯间接水合法和 乙烯直接水合法。 此外,最近美国、日本、意大利等国家正在开发一种用一氧化碳、氢气（或甲烷）进 行羰基合成制 1.粮食发酵法 粮食发酵法是最早发明的乙醇生产方法，该法至今仍被采用，特别是饮用酒均采 用此法，其基本原理是将葡萄糖（）在有能引发发酵的物质的物质存在的情 6126 OHC 况下，经蒸馏、糖化等阶段而转化成乙醇。 61252122211 12221126126 6126252 11 ()( 22 2 22 m C H OmH

15、 Om C H O C H OH OC H O C H OC H OHCO 糖化酶 ） 麦芽糖酶 酒化酶 2.木材水解发酵法 10 为了制备乙醇，要用硫酸或盐酸处理（水解）木材，将纤维变成葡萄糖。然后再 进入制醇的发酵阶段。 612526126x C H OxH OxC H O（） （纤维） （葡萄糖）3.亚硫酸盐废碱液制取乙醇法 在用纤维造纸的企业中，有大量的废亚硫酸盐碱液产生，对这种废液经过蒸煮等 过程的处理后得到乙醇。这种乙醇通常称作亚硫酸盐乙醇。这种酒精溶液是很稀的溶 液，大约含 1的乙醇，经蒸馏后便可得到纯度为 95的乙醇。 总之，发酵法由于受到原料来源限制和乙醇成本高的原因，其发展

16、就受到限制，同时 这种方法也不适应大规模的乙醇生产。 一、一、乙烯水合法 1.乙烯间接水合法 2224322 2224322 32222524 32222524 22 CHCHH SOCHCHOSO OH CHCHH SOCHCHO SO CHCHOSO OHH OC H OHH SO CHCHO SOH OC H OHH SO 第一步： 或（） 第二步： （） 2.乙烯直接水合法 乙烯直接水合法系乙烯和水在催化剂、高温、加压条件下直接加成得到乙 醇的方法： 24225 2303007080 C HH OC H OH C 。 催化解 ，大气压 该法又称为一步法。 11 二、二、其他方法 1 乙

17、醛加氢法： 3225 CH CHOHC H OH催化剂 2 粗醇精制的目的 利用乙烯直接水合法合成的乙醇溶液中大部分是水，乙醇浓度仅为 1015 左右，其中还含有少量的乙醚、乙醛、丁醇及其他有机化合物。这种没有经 过精制的乙醇简称粗醇。 我国目前的乙醇标准还是以酿造法为依据而制定的，分为精馏级、医药级和 工业级三种。 1.2 精馏流程的确定 乙醇水的混合液用机泵经原料预热器加热后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采 用全凝器冷凝后，冷凝液部分利用重力泡点回流；部分连续采出经冷却器冷却后送 至产品罐。塔釜采用直接蒸汽（110水蒸汽）加热，塔底废水经冷却后送入贮槽， 具体流程参见附图（1-1） 。 在流程

18、确定方案选择上，本设计尽可能的减少固定投资，降低操作费用，以期 提高经济效益。 加料方式的选择： 设计任务年产量虽小，但每小时 2833.98Kg 的进料量，为维持生产稳定，如采 用高位槽进料，就需要一个约 45的高位槽，这是不太常见的。从减少固定投 3 m 资，提高经济效益的角度出发，选用强制进料的加料方式。 图 1-1 精馏过程简图 第 2 章 精馏塔工艺计算 12 2.1 全塔工艺计算 2.1.1 精馏塔二元物系物料衡算 查表可知，乙醇水的进料组成，由条件可知，塔顶产品质量， 0.17 F x 8184 . 0 D X ，所以0.000117 W x 因为要求设计的生产能力是 25T/天

19、，所以 25 10001041.67 25/1041.6724.965 2441.725 kg kmol D hh 吨天 FqDRS XWXDSXF WDSF WDF ) 1() 1( FS WF WSF ) 1626 . 0 (965.24) 185. 3( 000117. 0965.248184 . 0 17 . 0 965.24 解得： 1 1 1 23.171 967.75 303.120 hkmolW hkmolS hkmolF 2.1.1 操作温度的计算 利用乙醇-水的汽-液平衡数据，有插值法可以求得： C TD 54.78C TW 100C TF 04.84 2.1.3 相对挥发

20、度的计算 由,则，17 . 0 xF 511 . 0 yF 092 . 5 F 由，则，8184 . 0 D X8361 . 0 D y132 . 1 D 由， 则， 0.000117 W x00105 . 0 yw952 . 8 W 精馏段的平均挥发度112 . 3 2 132 . 1 092 . 5 1 Ct Ct 02.92 2 10004.84 29.81 2 54.7804.84 提留段 精馏段 13 提留段的平均挥发度042 . 5 2 132 . 1 952 . 8 2 全塔的平均相对挥发度183 . 3 042 . 5 112 . 3 21 2.1.4 确定合适的回流比 min

21、 Dq qq xy R yx = 107 . 0 276 . 0 276 . 0 8184 . 0 =3.209 操作回流比取 R=（1.12.0） min R 取操作回流比 R=1.2R min=1.23.209=3.85 (1.2 由优化得到) 2.1.5 操作线方程 1 11 d nn xR yx RR 精馏段操作线方程： 提馏段操作方程 2.1.6 精馏塔理论塔板数及理论加料位置 由逐板法计算，编程计算出精馏塔理论塔板数及理论加料位置 精馏段 4 块 提馏段 20 块 第 5 块加料 yx 10.8184 0.5860 20.6339 0.3523 30.4483 0.2034 40.

22、3301 0.1341 50.2752 0.1066 60.239998 0.090256 1687 . 0 7938 . 0 1 n n xy 14 70.203200 0.074177 80.166973 0.059242 90.133326 0.046102 100.103722 0.035082 110.078893 0.026203 120.058889 0.019280 130.043291 0.01407 140.031433 0.010093 150.022592 0.007209 160.016096 0.005113 170.011373 0.003601 180.0079

23、66 0.002517 190.005523 0.001742 200.003777 0.00190 210.002533 0.000797 220.001649 0.000519 230.01021 0.000321 240.000576 0.000181 250.000261 0.000082 2.1.7 全塔效率 全塔效率 ET=0.170.616Lgm 根据塔顶和塔底液相组成查表 1-2 ，求得塔平均温度。 塔顶 TD=78.54 ， 塔底 TW=100 塔平均温度: （78.54+100）/2=89.27 该温度下进料液相平均粘度为 m=0.17A+(1-0.17)B =0.17 0

24、.406+0.83 3166 =0.3317mPas 其中 A=0.406 mPas，B=0.3165mPas 该数据由石油化工基础数据手册和天津大学化工原理教材上册附录七查得。 ET=0.170.616Lg0.3317=0.4652=46.52% 筛板塔的板效率为： 15 1.1 0.46520.511752% T E 2.1.8 实际塔板数及实际加料位置 精馏段 N1=5/0.52=9.62，取 10 块 总板数 N=25/0.52=48.1，取 49 块 实际进料位置为第 10 块板。 2 2.2 塔的工艺条件及物性数据计算 塔顶压强 取每层塔板压降为 p=0.7kPa,则 进料板压强

25、PF=101.325+0.7 5=104.8Pa 塔底压强 PW=101.325+0.7 18=113.925kPa 精馏段平均操作压强: kpaPm05.103 2 8 . 104325.101 1 提馏段平均操作压强: kpaPm3625.109 2 925.113 8 . 104 2 2.2.2 操作温度 T 乙醇水的饱和蒸汽压可用 Antoine 方程求算，即： CT B A ln 式中 T物系温度，K； P饱和蒸汽压，mmHg; A,B,CAntoine 常数， 式中 A、B、C 为常系数，对于乙醇水物系，其值见表 2-3 表 2-3 组分 ABC 乙醇 18.91193083.98

26、-41.68 水 18.30363816.44-46.13 注：表中乙醇以 A 表示；水以 B 表示。 1 *101.3101.3 1 d atm Pkpakpa atm 16 应用计算机计算塔顶、塔釜、及进料板温度程序见附录 计算结果：进料板温度 90 F t 塔顶温度 80.65296 D t 塔釜温度 100 W t 1 2 80.6529690 85.33 2 90 100 95 2 t t 2.2.3 物性数据计算 1 平均分子量 Mm 乙醇分子量为 MA=46.07 ，水分子量 MB=18.02 塔顶 y1=0.8184，x1=0.8345 D x 则气相平均分子量为： MV，DM

27、=46.070.8184+18.02(1-0.8184)=40.97612KgKmol-1 液相平均分子量为： ML，DM=0.834546.07+（10.8345）18.02=41.428KgKmol-1 进料板 yF=y4 =0.17，xF=x4=0.493 则气相平均分子量为： MV，FM=0.1746.07+18.02(1-0.17)=22.7885KgKmol-1 液相平均分子量为： ML，FM=0.49346.07+18.02(1-0.493)=31.849KgKmol-1 塔底 yW=0.00001174，xW=0.00006 则气相平均分子量为： MV，WM=0.0000117

28、446.071+（10.00001174）18.02=18.023KgKmol-1 液相平均分子量为： ML，WM=0.0000646.07+（10.00006）18.02=18.0217KgKmol-1 精馏段平均分子量： 气相： KgKmol-188.31 2 788.2297612.40 1, mV M 液相： KgKmol-150.29 2 023.1897612.40 1, mL M 提馏段平均分子量： 17 气相： KgKmol-140.20 2 023.187785.22 2, mV M 液相： KgKmol-194.24 2 0217.18849.31 2, mL M 2 平均

29、密度 由式 可求相应的液相密度。 LB B LA A Lm 1 其中 为质量分率， 对于塔顶：tD=78.54，L，A=742.3Kgm-3，L，B=970.9Kgm-3 则 3 46.775 9 . 970 8184 . 0 1 3 . 742 8184 . 0 1 mkg lmD lmD 对于进料板：tF=84.04 ，L，A=737.88Kgm-3，L，B=961.46Kgm-3 则 3 3 . 914 46.961 17 . 0 1 88.737 17 . 0 1 mkg lmF lmF 对于塔底：tW=100，L，A=717.4Kgm-3，L，B=958.4Kgm-3 则 3 36.

30、958 4 . 958 0001174 . 0 1 4 . 717 0001174 . 0 1 mkg lmW lmW 精馏段平均液相密度： 3, 1 , 9 . 844 2 34.91446.775 2 mkg FLmDLm Lm 提馏段平均液相密度： 3, 2, 35.936 2 36.95834.914 2 mkg FLmWLm Lm 对于塔顶气相： 3 1 11 436 . 1 )15.27354.78( 4 . 22 15.273428.41 mkg TR Mp m mm D 对于进料板气相： 18 3 2 22 087 . 1 )15.27304.84( 4 . 22 15.273

31、849.31 mkg TR Mp m mm F 对于进料板气相： 3 2 22 5889 . 0 )15.273100( 4 . 22 15.27302.18 mkg TR Mp m mm W 精馏段平均气相密度： 3 1 , 26 . 1 mkg mv 提馏段平均气相密度： 3 2, 84 . 0 mkg mv 3 液体表面张力 n i iim x 1 对于塔顶：tD=78.54，A=16.72mNm-1，B=65.16mNm-1 M，D=0.891416.72+65.160.1086=21.98mNm-1 对于进料板：tF=84.04，A=15.93mNm-1，B=63.98 mNm-1 M，F=0.5515.93+0.4563.98=37.55mNm-1 对于塔底：tW=100，A=13.10mNm-1，B=59.41 mNm-1 M，W=0.0213.10+0