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1、新疆工业高等专科学校毕业论文（设计）2012 届题 目：乙醇-水精馏塔工艺设计与塔顶冷凝器选型设计专 业：煤炭深加工与利用 学生姓名：武婷学 号: 090010小组成员:郭泽红指导教师: 完成日期: 新疆工业高等专科学校教务处印制（乌鲁木齐市 830091）新 疆 工 业 高 等 专 科 学 校毕 业 论 文（设 计） 任 务 书班级 专业 姓名 日期 1、论文（设计）题目： 2、论文（设计）要求：（1）学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量，最好是独立完成。（2）选题有一定的理论意义与实践价值，必须与所学专业相关。（3）主题明确，思路清晰。（4）文献工作扎实，能够较为全面地反映论文研
2、究领域内的成果及其最新进展。（5）格式规范，严格按系部制定的论文格式模板调整格式。（6）所有学生必须在5月15日之前交论文初稿。3、论文（设计）日期：任务下达日期 完成日期 4、指导教师签字： 新 疆 工 业 高 等 专 科 学 校毕 业 论 文（设 计）成 绩 评 定 报 告序号评分指标具 体 要 求分数范围得 分1学习态度努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按期完成规定的任务。010分2能力与质量调研论证能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。015分综合能力论文能运用所学知识和技能，有一定见解和实用价值。025分
3、论文（设计）质量论证、分析逻辑清晰、正确合理，020分3工作量内容充实，工作饱满，符合规定字数要求。绘图(表)符合要求。0 15分4撰写质量结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，字迹工整，书写格式规范， 0 15分合计0100分评语：成 绩：评阅人（签名）： 日 期：毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况自 述 情 况清 晰、完 整流 利简 练清 晰完 整完 整熟 悉内 容基 本完 整熟 悉内 容不 熟悉 内容提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩小组评语及建议成绩：答辩委员会综合成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日前言1.1精馏原理及其在化工
4、生产上的应用实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述部分气化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。1.2精馏塔对塔设备的要求精馏设备所用的设备及其相互联系，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，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下： 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
5、塔内保持充分的密切接触，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，易于达到所要求的真空度。 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，而且不会使效率发生较大的变化。 五：结构简单，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。1.4常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质
6、设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金 。实际操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。 浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两者的优点。所以在此我们使用浮阀塔，浮阀塔的突出优点是结构简单，造价低，制造方便；塔板开孔率大，生产能力大等。 乙醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。所以有必要做好本次设计1.4本设计所选塔的特性浮阀塔的优点是： 1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大
7、 20%40%，与筛板塔接近。 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出
8、来，浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适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
9、，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，以浮阀塔为精馏设备分离乙醇和水。浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对
10、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。通过逐板计算得出理论板数为16块，回流比为2.78,算出塔效率为0.518，实际板数为32块，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13.6米，浮阀数（提馏段每块76）。通过浮阀塔的流体力学验算，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，浮阀连续精馏精馏塔，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=20000质量分数 分子量 1.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数根据公式 ： （1-1）原料液中易挥发组
11、分的摩尔分数：馏出液中易挥发组分的摩尔分数：塔釜残液中易挥发组分的摩尔分数：1.2 平均摩尔质量根据公式可得： （1-2）原料液的平均摩尔质量： 馏出液的平均摩尔质量： 塔釜残液的平均摩尔量： 1.3全塔物料衡算：设计任务书中给出此精馏塔的年处理能力为20000吨，现对其进行单位转换： 采出率： 塔顶馏出液量为： 塔釜残液量为： 14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 （1-3） 得： （1-4）表1-2由常压下乙醇-水的平衡数据 x0.180.20.250.30.350.40.450.50.550.60.650.7y0.510.5250.5510.5750.5950.6
12、10.6350.6570.6780.690.7250.755由道尔顿分压定律 （1-5）得 （1-6）将上表数据代入得：序号123453.68153.15692.72542.35012.1263序号6789101.91551.72281.54081.41961.3207则 则平衡线方程 1.4.2最小回流比的计算和适宜回流比的确定 因为 所以 相平衡方程： 泡点进料 ： 最小回流比 ： 任务要求操作回流比是最小回流比的1.6倍 1.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定精馏段： （1-7）精馏段操作线方程： 提馏段： （1-7）提馏段操作线方程：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
13、 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13 乙醇水系统txy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99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.28
14、99.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41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：18 (塔顶第一块板)
15、(加料版) (塔底)由相平衡方程式（1-3）和（1-4）得由此式可求得 精馏段的相对平均挥发度： 提馏段的相对平均挥发度： 精馏段的平均温度： 提馏段的平均温度： 表1-4 乙醇和水的粘度温度（）2030405060708090100110水的粘度（）1.0020.8020.6620.5920.4690.4000.3300.3180.2480.259乙醇的粘度（）1.221.000.830.690.380.480.450.3510.3050.262在时，根据上图可知对应的，由化工原理课本附录十二（液体粘度共线图）查得在时，根据上图可知对应的，由化工原理课本附录十二（液体粘度共线图）查得()因为
16、： 粘度所以：精馏段的平均粘度： 提馏段的平均粘度：用奥康奈尔法计算全塔效率 得： 精馏段的全塔效率： 提馏段的全塔效率：3实际塔板数的计算根据公式： （1-8）得：精馏段的塔板数: 取整25块，考虑安全系数加一块为26块提馏段的塔板数： 取十块，考虑安全系数加一块为11块。故进料板为27块，实际塔板数37块。1.6精馏塔主体尺寸的确定1.6.1精馏段的气液体积流量精馏段的已知数据位置进料板塔顶第一块板摩尔分数摩尔质量/温度/液相平均摩尔质量：液相平均温度：在平均温度为时表1-5 乙醇和水的密度温度（）2030405060708090100110乙醇的密度（）79578577776575574
17、6735730716703水的密度（）998.2995.7992.2998.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0用内插法求得： 液相平均密度为： （1-9）其中，平均质量分数则： 所以 精馏段的液相负荷 由 所以： （1-10）精馏段塔顶压强 若取单板压降为， 则：进料板压强： 气相平均压强： 气相平均摩尔质量：气相平均密度： 气相负荷： 精馏段的负荷列于下表：名称气相液相平均摩尔质量/37.9433.02平均密度/1.493800体积流量/2079.7(0.578)2.65（0.00736）1.6.2提馏段的气液体积流量整理提馏段的已知数据列于下表: 位置塔釜进料板
18、质量分数摩尔分数摩尔质量()温度()99.383.61采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的气液相负荷，列于下表：名称液相气相平均摩尔质量()20.0526.18平均密度()924.54.43体积流量()4.59(0.001275)2976.6()1.7塔径的计算由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。由以上的计算结果可以得到：塔的平均蒸汽流量：塔的平均液相流量：塔的气相平均密度: 由塔径公式 （1-11） 可知：由于示意的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。即 （1-12）取塔板间距，板上液高度那么分离空间高度：气液动能参数： 从化工原理的史密斯关联
19、图查得： 图1-2 史密斯关联图表面张力：,因为,需先求平均表面张力表1-6 乙醇和水的表面张力温度（）2030405060708090100110水的表面张力（）72.771.069.367.766.064.362.760.058.456.8乙醇的表面张力（）22.321.220.419.818.818.017.116.215.214.4根据上图使用内插法得：塔顶： 塔顶平均表面张力：进料板 进料板的平均表面张力：塔底 塔底的平均表面张力： 精馏段液体平均表面张力：提馏段液体平均表面张力：全塔液相平均表面张力：取空塔速率为最大允许速率的0.7倍，则空塔速率为：则塔径为： 根据标准塔径圆整为：
20、 此时，精馏塔的上升蒸汽速度为：提馏段的上升蒸汽速度为：安全系数： 和均在0.6-0.8之间，符合要求。1.8塔高的计算1.8.1 塔的高度可以由下式计算: 一直实际塔板数N=37块，板间距，由于料液较轻的话，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔数目S为： 取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度： ，那么全塔高度： 1.8.2塔板结构尺寸的确定由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分。取无效边缘区宽度,泡沫区宽度查得堰长： 弓形溢流管宽度: 弓形降液管面积: 降液管面积与塔截面积之比：堰长与塔径之比 降液管的体积与液相流量之比，即液体在降液管中停留时间一般应大于
21、5S,液体在精馏段降液管内的停留时间：符合要求液体在提馏段降液管内的停留时间：符合要求1.8.3弓形降液管采用平直堰，堰高板上液层深度一般不宜超过6070堰上液流高度堰上液流高度可根据如下公式计算：E液体的收缩系数 液相的体积流量 堰长精馏段：由 查手册知 则 降液管底部离塔板距离,考虑液封取比小即 同理提馏段: 由 查手册 E=1.038 1.8.4开孔面积的计算已知 近取无效边缘区宽度 泡沫区宽度阀孔总面积可由下式得： （1-13） 所以 （1）筛板的筛孔和开孔率因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用的碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角排列：图1-3 筛孔的排列方式孔中心距筛孔数目：个开孔率： (在5
22、-15%范围内)气体通过筛孔的气速为： （1-14）则精馏段： 提馏段： 1.9塔体的流体力学验算1.9.1气体通过塔板的压力降气体通过塔板的压力降（单板压降） （1-15）-气体通过每层塔板压降相当的液柱高度-气体通过筛板的干板压降-气体通过板上液层的阻力-克服液体表面张力的阻力（1）干板阻力干板压降，由此公式计算： （1-16）根据 查干筛孔的流量系数图图1-4 孔流系数 得 精馏段：液柱提馏段：液柱（2）板上充气液层阻力板上液层阻力用此的公式计算： （1-17）-板上清液层高度-反应板上液层充气程度的因数（充气因数）降液管横截面积，塔横截面积精馏段：动能因子： 查充气系数与的关联图可得则
23、提馏段：动能因子：查充气系数与的关联图可得 则 （3）由表面张力引起的阻力液体表面张力的阻力计算公式 ： （1-18）精馏段：提馏段：综上，故精馏段 液柱 压降 提馏段 液柱 压降 1.9.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和流量均不大，故可忽略液面落差的影响。1.9.3液沫夹带板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象，叫做液沫夹带。为保证板式塔能维持正常的操作效果，通常塔板上液沫夹带量，可按下式计算： （1-19）精馏段：提馏段：故在本设计中液沫夹带量在允许范围内，不会发生过量液沫夹带。1.9.4漏液漏液验算，根据公式： （1-20）稳定系数： -筛孔气速-漏液点气速精馏段：实
24、际孔速：稳定系数为提馏段：实际孔速：稳定系数：故在本设计中无明显漏液。1.9.5液泛为阻止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从的关系： （乙醇-水不易分离的体系）精馏段： 又因为 板上不设进口堰： 提馏段： 故在本设计中不会发生液泛现象。1.10.塔板负荷性能图1.10.1精馏段塔板负荷性能图（1）漏液线据此可以做出与流体流量无关的水平漏液线（2）液沫夹带线以则解得 计算所得： 0.0020.0040.006O.0080.00940.00880.00830.0078（3）液相负荷下限线对于平直堰，取堰上清液层高度作最小液体负荷标准，由 则：据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限3（4）液相负
25、荷上限线 以 作为液体在降液管管中停留时间的下限 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线4（5）液泛线令联立的： （1-21）整理得： 0.1620.2241.434 (1-14)列表计算如下0.0040.0060.0080.0101.061.010.9450.88由此表数据即可做出液泛线5根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能曲线:图1-5 精馏塔负荷曲线图1.11提馏段塔板的负荷性能图1.11.1漏液线0.816据此可得出与流体流量无关的水平漏液线。1.11.2液沫夹带线以为限，求如下： （1-22）， ，则解得：1.358-13.70.0020.0040.0060.0081.358
26、1.3031.2761.248可作出液沫夹带线2。1.11.3液相负荷下限0.000285据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线31.11.4液相负荷上限线 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线41.11.5液泛线0.144可得方程： （1-23）列表计算如下：0.0010.0040.0060.0080.0101.141.1010.9360.8080.624根据以上各线方程，可做出筛板塔提馏段的负荷性能图图1-6 提馏段负荷性能曲线图1.12各接管尺寸的确定即及选型1.12.1进料管尺寸的计算及选型料液质量流率： 进料温度：,在此温度下，则从 可得 则其体积流量： 取管内流速：
27、则进料管管径： 可选择进料管1.12.2釜液出口管尺寸的计算与选型釜液质量流率： 出料温度：,在此温度下，则 体积流率： 取釜液出塔的流速:则釜液出口管管径：可选择釜液出口管。2冷凝器的选型2.1每小时生产能力的计算（1）根据设计任务，乙醇的年生产能力为2000（2）全年365天，除去机械维修等，实际连续工作日为328天。（3）每昼24小时连续生产，则每小时生产能力为:已知：, x D, 2= 0.95，R = 2.78，t1 = 30，t2 = 78.16，qD, 2 根据物料守衡，得精馏塔 qF, 2 x F, 2 = qD, 2 x D, 2 qF, 2 = qD, 2 + qW, 2
28、qL, 2 = RqD, 2代入数据: qF, 260%277.7895%qF, 2 277.78 kg/h +qW, 2qL, 2 2.78277.78kg/h得: qF, 2 439.8 kg/h0.44 t/hqW, 2 162.04 kg/h0.162 t/h qL, 2 833.34 kg/h0.833 t/h精馏塔: qF, 1 x F, 1qD, 1 x D, 1 qD, 1qF, 2 qF, 1qD, 1 + qW, 1 x D, 1x F, 2 qL, 1RqD, 1代入数据得: qF, 1 2638.8 kg/h2.639 t/h qW, 12199 kg/h2.199 t
29、/h qL, 12.78439.8=1222.64 kg/h1.223 t/h（1）总进口谷物浆277.78 kg/h0.95（0.1+0.1+0.8）/0.12638.91 kg/h2.64 t/h水 2638.91 kg/h0.802111.13 kg/h乙 醇2638.91 kg/h0.10263.89 kg/h有机物2638.91 kg/h0.10263.89 kg/h（2）精馏塔1中馏出液中乙醇流量不变，还是为263.89 kg/h0.264 t/h；水的流量：263.890.40/0.60=175.93 kg/h 0.176 t/h鉴残液中水的流量：2111.13175.93= 1
30、935.2kg/h 1.935 t/h；有机物的流量不变还为：263.89 kg/h 0.264 t/h（3）精馏塔2中进口组成也就是精馏塔1的馏出液组分组成。 馏出液，即为产品量：277.78 kg/h0.278t/h，其中水流量为277.78 kg/h0.05=13.89 kg/h0.0139 t/h 鉴残液只含有水，其流量为：175.9313.89162.04 kg/h0.162 t/h2.2.能量衡算原料液：Cp=0.96 ； Cp,c4.174 表1-8乙醇和水的物理性质Cpl()Cpg()沸点()汽化热(kcal/kg)60%乙醇0.850.5680375.095%乙醇0.720.
31、4878361.1一号釜液1.000.50100538.9二号釜液1.000.50100538.92.2.1冷凝器1(1)乙醇有相变传热Q14q n,D180762.23kJ/s(2)水的无相变传热2.22冷凝器2(1)乙醇有相变传热Q2=4q n,D278=466.625kJ/s (2)水的无相变传热2.3设备选型(冷凝器2的选型计算)2.3.1 水的定性温度tm =（30+50）=4054.08的水的物理参数查上册附录五导热系数：=992.2kg/m3 Cp =4.174 kJ/kg =63.3810-2Wm-1K-1 =65.6010-5Pas Pr=4.312.3.2 按热面积设定T1
32、=78.16-30=48.16, T2=78.16-50=28.16T2/T1=0.582(48.16+28.16)=38.16取= 640.0Wm-2K-1根据Q=K选Stm2.3.3 传热系数从中查得与S选 相近的取S=43.5m2得到的参数有:公称直径:0.45m , 中心管数:12, 管长:4.5m , 管子总数:126 , 管程数:2 ,管子尺寸(碳钢): , 管子排列方法:正三角形排列.管内水流通的面积为：且,水被加热:n=0.4管内的对流传热膜系数为:而95%乙醇的参数如下: , , , g=9.81N/kg, =361.14.18681000J/kg管外的对流传热膜系数为:设=19.86污垢参数：自来水，查得 有机化合物气体，查得管壁导热系数=50.0管壁厚度b0.0025m因此K计而所以计算得t计=19.7343.5m2符合要求而所计的K选亦乎合要求。最终冷凝器的型号确定为BES450-1.6-42-2/30-2。