化工原理课程设计--筛板式精馏塔分离乙醇—水.doc
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1、化工原理课程设计筛板式精馏塔分离乙醇水学生姓名学院名称化学化工学院学号20131301139班级13应化1专业名称应用化学指导教师2016年5月26日 1徐州工程学院化工原理课程设计说明书 摘要 精馏是分离液体混合物最常用一种操作,在化工、炼油等工业中应用很广。它通过汽、液两相的直接接触,利用组分挥发度的不同,使易挥发组分由液相向汽相传递,难挥发的由汽相向液相传递,是汽、液两相之间的传质过程。国际上制造乙醇的原料可分为四类。第一类是淀粉质原料,主要有玉米、甘薯、马铃薯、大麦、大米、高粱等;第二类是糖质原料,主要是甘蔗、甜菜、糖蜜;第三类是纤维素原料,是地球上最有潜力的乙醇生产原料,包括农作物秸
2、秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃物;第四类是其他原料,如造纸厂的硫酸盐纸浆废液、淀粉厂的甘薯淀粉渣、奶酪工业的副产品。其中,以玉米、小麦和甘蔗为原料的生产技术最为成熟,巴西和美国已经有大规模的制造基地。本设计采用的是筛板精馏塔来分离乙醇和水。精馏的基本原理是根据液体在混合液中的挥发度不同,采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。同时,精馏出来的乙醇易燃,具刺激性。 储存于阴凉、通风仓间内。远离火种、热源。关键词:精馏;筛板塔;分离;乙醇水目录第一部分 概述4 一、设计目标4 二、设计任务4 三、设计条件 4 四、设计内容5 五、工艺流程的说明5 第二部分 工艺
3、设计计算7 一、设计方案的确定7 二、精馏塔的物料衡算7 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数7 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均相对分子质量7 3.物料衡算原料处理量7 三、塔板数的确定8 1.理论板层数的求取8 2.全塔效率10 3.实际板层数的求取10 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算10 1.操作压强计算10 2.操作温度计算10 3.平均摩尔质量计算11 4.平均密度计算11 5.液相平均表面张力计算11 6.液相平均粘度计算12 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算12 1.塔径的计算12 2.精馏塔的有效高度的计算13 六、塔板主要工艺尺寸的计算13 1.溢流装置计算13 2.塔
4、板布置15 3.筛孔数与开孔率15 七、筛板的流体力学验算16 1.气体通过筛板压降相当的液柱高度16 2.雾沫夹带量的验算16 3.漏液的验算16 4.液泛验算17 八、塔板负荷性能图17 1.漏液线17 2.雾沫夹带线18 3.液相负荷下限线18 4.液相负荷上限线18 5.液泛线19 6. 操作线20 九、设计一览表20 十、操作方案的说明:21 总结21 参考文献21 附录22 24第一部分 概述乙醇是一种有机物,俗称酒精,分子式为CH3CH2OH,是带有一个羟基的饱和一元醇,相对分子质量为46.07。在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体,有酒的气味和刺激的辛辣味。乙醇液体密
5、度是0.789g/cm3 ,沸点是78.4,熔点是-114.3,其蒸汽能与空气形成爆炸性混合物。能溶于水、甲醇、乙醚、丙酮和氯仿,能溶解许多有机化合物和无机化合物,具有吸湿性,能与水形成共沸混合物。 乙醇-水是工业上最常见的溶剂,也是非常重要的化工原料之一,是无色,无毒,无致癌性、污染和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能,而被广泛应用于化工、日化、食品饮料和医药卫生等行业。将无水乙醇与汽油混合(俗称汽油醇)可作为内燃机的燃料,随着世界石油资源的减少,作为生物燃料的无水乙醇可能在今后的动力燃料中占一席之地。长期以来,乙醇多以蒸馏法生产,但是乙醇-水体系有共沸现象,普通的精馏对于得到高纯度的
6、乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液,因此,研究和改进乙醇-水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常见的精馏装置,无论是板式塔还是填料塔都在化工生产过程中得到了广泛应用,在此我们作填料塔的设计,必须要熟悉单元操作设备的设计流程与注意事项。一.设计目标分离水和乙醇的混合液的筛板塔的设计二. 设计任务 1.完成该精馏塔的工艺设计,包括辅助设备及进出口管路的计算和选型;2.画出带控制点工艺流程图、xy相平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图; 3.写出该精馏塔的设计说明书,包括设计结果汇总和设计评价。三 设计条件1.常压p=1atm(绝压)。2.原料来自粗馏塔,为9596饱和
7、蒸汽,由于沿程热损失,进精馏塔时,原料温度约为90;3.塔顶浓度为含乙醇92.41%(质量分数)的药用酒精,产量为25吨/天;4.塔釜采用饱和蒸汽直接加热,从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于0.3%(质量分数);5.塔顶采用全凝器,泡点回流,回流比R=1.12.0Rmin;6.厂址:徐州地区 表1-1 设计条件 操作压力/K pa进料热状况回流比与最小回流比比值要求产量/天原料组分/%塔釜残液乙醇浓度/%乙醇水1露点进料1.12.025t40600.3四设计内容编制一份设计说明书,主要内容包括:1、摘要2、流程的确定和说明3、生产条件的确定和说明4、精馏塔的设计计算:(1)工艺条件及有关物性
8、数据的计算(2)精馏塔塔体工艺尺寸的计算(3)塔板主要工艺尺寸的计算(4)塔板的流体力学验算(5)塔板负荷性能图(精馏段)(选作)5、设计结果列表6、设计结果的讨论和说明7、主要参考资料8、结论五工艺流程的说明精馏装置包括精馏塔,原料预热器,再沸器,冷凝器。釜液冷却器和产品冷凝器等设备。热量自塔釜输入,物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离,由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中,热能利用率很低,为此,在确定流程装置时应考虑余热的利用,注意节能。另外,为保持塔的操作稳定性,流程中除用泵直接送入塔原料外,也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。原料液由高位槽经过预热器
9、预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品(釜残液)再沸器中原料液部分汽化,产生上升蒸汽,依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体,其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行,流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表(流量计、温度计和压力表)。以测量物流的各项参数。塔顶冷凝装置根据生产状况以决定采用全凝器,以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料,则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面,合理的兼顾
10、设备,操作费用操作控制及安全因素。第二部分 工艺设计计算一设计方案的确定精馏操作的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同,采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。精馏过程与其他蒸馏过程的最大区别,是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流,为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流,使在相同理论板的条件下,为精馏实现高纯度的分离时,始终能保证一定的传质推动力。所以,只要理论板足够多,回流足够大时,在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品,而在塔底获得高纯度的重组分产品。本设计任务书为分离乙醇-水混合物。对于简单的二元混合物的分离,且两组分有较显著的沸点差异,故选用筛板式连
11、续精馏塔进行分离。采用露点进料方式。二精馏塔的物料衡算(1)原始数据 表2-1 乙醇、水的物理性质 项目分子量沸点/乙醇46.0778.3水18.01100(2)物料衡算原料液及塔顶、塔底产品含乙醇的摩尔分数乙醇和水的相对摩尔质量分别为M乙醇=46.07Kg/ mol M水 =18.01Kg/ mol原料含乙醇的百分数为40%,含水的百分数为60%。塔顶乙醇含量为92.41% 塔底乙醇含量小于等于0.3%。根据以上数据:原料液含乙醇的摩尔分率:Xf= =0.2067塔顶含乙醇的摩尔分率:XD= =0.8264塔底含乙醇的摩尔分率:XW= =0.00175 原料液平均摩尔质量Mf=0.20674
12、6.07+(1-0.2067)18.01=23.8100Kg/kmol原料液的摩尔流量:根据所给条件,可知 25t/天qn,f= 25000/(2423.8100)=43.75kmol/hF=D+W(2-1) Fxf=Dxd+Wxw(2-2)D= 7.04 W=41.67表2-2 物料衡算表 项目数值进料流量F,Kmol/h43.75塔顶产品流量D,Kmol/h7.04塔釜残液流量W,Kmol/h41.67进料组成,xF(摩尔分数)0.2067塔顶产品组成,xD(摩尔分数)0.8264塔釜残液组成,xW(摩尔分数)0.00175三塔板数的确定1.理论塔板数NT的求取乙醇-水属于理想物系,可采用
13、M.T.图解法求NT表2-3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 根据乙醇、水的气液平衡数据做y-x及t-x-y图。乙醇-水的x-y相图(图1)乙醇-水的t-x-y相图(图2) 求最小回流比Rmin及操作回流比R。,取操作回流比R=1.3Rmin=1.91 求理论板数NT精馏段操作线方程为 如图3所示,按常规操作M.T.图解法得:NT=(12-1)层(不包括塔釜)。其中精馏段理论板数为4层,提馏段理论板数
14、为8层(不包括塔釜),第5层为进料板。乙醇-水的图解理论板(图3)2.全塔效率ET依式 ET=0.17-0.616lgm根据塔顶、塔底液相组成查图2,求得塔的平均温度为83.87,该温度下进料液相平均黏度为m=0.132A+(1-0.132)B=0.1320.424+(1-0.132)0.346=0.365mPas故 ET=0.17-0.616lg0.365=0.44044%3.实际塔板数的求取精馏段:N1=4/0.528提馏段:N2=8.5/0.5216注:精馏段以1表示,提馏段以2表示四、精馏塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算1.操作压强pm塔顶压强pD=4+101.3=105
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