乙醇-水精馏塔设计课程设计.doc
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1、化工原理课程设计说明书设计题目: 乙醇水精馏塔设计设计者: 专业: 化学工程与工艺学号: 指导老师: 2012年11月19日化工原理课程设计任务 设计题目:乙醇水精馏塔设计设计条件系统进料:45C处理量: 38,000吨/年进料浓度:25%乙醇(质量) 处理要求:塔顶乙醇浓度 94% (质量) 塔底乙醇浓度 0.5%(质量)塔顶压强:4kPa(表压)进料状态: 泡点进料回流比: 1.7Rmin冷却水温: 28C加热蒸汽: 0.2 MPa(表压)设备形式: 筛板塔年工作时: 7200小时年工作日: 300天(连续操作)塔顶冷凝器采用全凝器塔低再沸器为间接蒸汽加热目录一、 前言二、 设计方案简介三
2、、 工艺流程图及说明.四、 工艺计算及精馏塔设计1、 工艺条件.2、 汽液平衡数据.3、 物料衡算.4、 实际塔板数确定5、 精馏塔内汽液负荷计算6、 工艺条件及物性数据计算7、 塔和塔板主要工艺尺寸计算8、 塔板负荷性能图五、 辅助设备设选型计算六、 课程设计的其它问题.七、 选用符号说明八、 参考文献.九、 结束语前言 乙醇(C2H5OH),俗名酒精,是基本的工业原料之一,与酸碱并重,它作为再生能源犹为受人们的重视。工业上常用发酵法(C6H10O5)n和乙烯水化法制取乙醇。乙醇有相当广泛的用途,除用作燃料,制造饮料和香精外,也是一种重要的有机化工原料,如用乙醇制造乙酸、乙醚等;乙醇又是一种
3、有机溶剂,用于溶解树脂,制造涂料。众所周知,在医药卫生方面,乙醇作为消毒杀菌剂而造福于人类。人类餐饮饭桌上饮用各种酒品,乙醇也是其中不可或缺的组成部分,如:啤酒含35,葡萄酒含620,黄酒含815,白酒含5070(均为体积分数)。据有关资料表明,乙醇对人体具有营养价值。现在,乙醇成为了一种新型替代能源乙醇汽油。按照我国的国家标准,乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以有效改善油品的性能和质量,降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。它不影响汽车的行驶性能,还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料,是目前世界上可再生能源的发展重点,符合我国能源替代战略和可再
4、生能源发展方向,技术上成熟安全可靠,在我国完全适用,具有较好的经济效益和社会效益。乙醇精馏是生产乙醇中极为关键的环节,是重要的化工单元。其工艺路线是否合理、技术装备性能之优劣、生产管理者及操作技术素质之高低,均影响乙醇生产的产量及品质。工业上用发酵法和乙烯水化法生产乙醇,单不管用何种方法生产乙醇,精馏都是其必不可少的单元操作。本次设计的精馏塔是为了精馏乙醇以得到高纯度的乙醇,要求达到塔顶馏出物浓度(94%(wt),塔底浓度(0.5%(wt)。本设计采用填料塔,与板式塔相比,填料塔有一下优点:(1)生产能力大;(2)分离效率高;(3)压力降小;(4)持液量小;(5)操作弹性大。设计方案简介我们知
5、道乙醇和水可以任意比例互溶,于是可以用水把乙醇从有机物中萃取出来,又因为乙醇和水的相对挥发对的差异,可以利用精馏技术进一步提纯乙醇以得到高纯度的乙醇,以作为各种工业原料。可以这样说,乙醇水的精馏是生产乙醇的一个重要工艺单元。本次设计采用板式精馏塔、连续操作,年产量为25,000顿,泡点进料,塔顶全回流,塔底间接蒸汽加热,产品质量分数达到94,釡出液质量分数小于0.1%。由乙醇水二元混合物的相图可知,当乙醇的含量升高到一定值时(摩尔含量约90),相图将非常靠近于y=x线,可知这是一个比较高的分离要求。在设计过程中将先对塔内进行工艺计算分析气液相组成、温度、压力等的变化,得到塔的各种设计尺寸;然后
6、将对本工艺的附属设备进行计算,并选型;对工业生产过程做好理论基础。工艺流程图及说明V101-原料储槽 V102-中间槽 P101-进料泵 P102-回流泵E101-进料预热器 E102-冷凝器 E103-再沸器 TQ101-乙醇精馏塔 1- 原料进料管 2- 塔顶出料管 3- 塔底蒸汽管 4- 回流管5- 产品溜出管 6- 塔底馏出管 图一:乙醇水简易工业流程图乙醇水简易流程如上所示:原料液先存储在V101(原来储槽),再经P101(进料泵)打入E101(原料预热器),原料经过预热后从板式塔的中部打入塔内;塔顶通过E103(全冷器)进行全冷凝,进入V102(中间槽),V102中的产品通过5管溜
7、出,另一部分回流液通过P102(回流泵)打入板式塔的顶部;塔底通过E104(再沸器)间接蒸汽加热,塔底馏出物通过管6溜出。工艺计算及精馏塔设计1、工艺条件 正如前面设计任务书,本次设计工艺条件如下:进料温度: 45C处理量: 38,000吨/年进料浓度: 25%乙醇(wt)处理要求: 塔顶乙醇浓度 94%(质量) 塔底乙醇浓度 0.5%(质量)塔顶压强: 4kPa(表压)进料状态: 泡点进料回流比: 1.7Rmin 冷却水温: 28C加热蒸汽: 0.2 MPa设备形式: 填料塔塔顶冷凝采用全凝器塔低再沸器为间壁加热年工作日:300天(连续操作)年工作时:7200小时2、汽液平衡数据及t-x-y
8、, x-y图(1) 乙醇和水的汽液平衡数据如下:温度t / C乙醇的摩尔分数/ %温度t / C乙醇的摩尔分数/ %液相xA汽相 yA液相xA汽相 yA1000.000.0081.532.7358.2695.51.9017.0080.739.6561.2289.07.2138.9179.850.7965.6486.79.6643.7579.751.9865.9985.312.3847.0479.357.3268.4184.116.6150.8978.7467.6373.8582.723.3754.4578.4174.7278.1582.326.0855.8078.1589.4389.43表一:
9、乙醇水二元汽液平衡数据(2)作t-x-y 和 x-y图3、全塔物料衡算(1)由质量分数求摩尔分数 乙醇相对分子质量 MA=46.07g/mol;水的相对分子质量 MB=18.02 g/mol。 进料、塔顶、塔底质量分数: =25%(wt%);=94%;=0.5%。将以上计算结果列为下表物料位置进料口塔顶塔釜摩尔分数0.11490.85970.0204表二:进料、塔顶、塔釡物料摩尔分数(2)全塔物料衡算 进料平均相对分子量:42.135kg/kmol 进料量:F =34.8mol/s 物料衡算: 解得:D=3.9mol/s, W=30.9mol/s6、工艺条件物性计算 工艺条件物性的计算包括:操
10、作压强、温度、平均分子量、平均密度、液体表面张力、液体黏度及表格。下面分别计算以上各个物性数据。6.1 温度的计算为了考察精馏塔内物质的状态性质,需要计算塔内各部分的温度具体为:塔顶、进料口、塔釡、精馏段平均温度、提馏段平均温度。 利用表一中数据由拉格朗日插值可求得 :=85.55C (=0.1149):78.21 C (=0.8579):95.168C (=0.0204)可知塔内的各个温度为下:塔顶78.21C;进料口 C;塔釡 C;精馏段平均温度 C;提馏段平均温度C。6.2 操作压强乙醇、水的饱和蒸汽压可以用下式计算: 式中:p为蒸气压mmHg;A、B、C为常数;t为摄氏温度(C)物质名
11、称温度范围t/ C安托尼常数ABC乙醇-301508.044941554.3222.65水0608.107651750.286235.0水601507.966811668.21228.0表三:乙醇、水安托尼常数(摘自:物化实验)6.2.1 塔顶压力:78.21 C,=0.8579由安托尼公式可以计算出该温度下,100.845KP, 44.034KP假设该物系为理想物系:92.77KP6.2.2 进料处:C,=0.1149同上,可以计算出该温度下,133.938KP, 59.061KP67.664KP6.2.3 塔釡:C, =0.0204(同上计算可得)190.241KP, 85.056KP87
12、.202KP6.2.4 精馏段:C平均液相组成: 0.2957所以有116.387KP, 51.086KP70.40KP6.2.5 提馏段:C平均液相组成:0.0610所以有 160.031KP, 71.072KP76.50KP6.3 平均分子量的计算 利用拉格朗日插值法,结合表一中数据,计算精馏段和提馏段内平均汽液相组成。6.3.1 液相组成由以上计算可知精馏段和提馏段的液相组成分别为:0.2957,0.0610。汽相组成精馏段: 0.5709提馏段: 0.3433所以精馏段和提馏段的平均液相组成分别为0.2957, 0.0610,0.5709,0.3433。6.3.2 计算平均分子量精馏段
13、: 提馏段:6.4 平均密度 用下式计算密度,混合液密度: 混合气密度:。其中:a为质量分数,为平均相对分子质量不同温度下乙醇和水的密度如下表(表示乙醇,表示水)温度/ C/kg/m3/kg/m3温度/ C/kg/m3/kg/m380735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3表四:不同温度下乙醇和水的密度求C ,C下乙醇和水的平均密度:C, =733.12kg/m3 =970.60 kg/m3同理:C ,723.71 kg/m3 965.05kg/m3精馏段:液相:= =831.21 kg/m3汽相:=1.176 kg/m3 提馏段:液
14、相 = =921.30kg/m3气相 =kg/m36.5 混合液体表面张力二元有机物水溶液表面张力可用下列各式计算:式中:, , , , , 式中:下角标w,o,s分别代表水、有机物及表面部分,分别表示主体部分的分子含量,指主体部分的摩尔分子体积,为水、有机物的表面张力,对乙醇=2。乙醇、水的表面张力和温度的关系如下表温度/C708090100乙醇的表面张力/ 10-2N/m21817.1516.215.2水的表面张力/ 10-2N/m264.362.660.758.8表五:不同温度下乙醇、水的表面张力精馏段:C =21.81cm3/mol,=46.07/1.177=39.14cm3/mol。
15、乙醇的表面张力: =16.9910-2N/m2水的表面张力: =62.2910-2N/m2=0.661=lg0.661= -0.180 = -0.965= -0.180+(-0.9650)= -1.145 即 = -1.145,连解可以得到:0.234, 0.766带入=0.23462.291/4+0.76616.991/4 23.96510-2N/m2提馏段:C=19.35 cm3/mol, =46.07/0.855=53.88 cm3/mol乙醇表面张力: =15.9510-2N/m2水的表面张力: =60.2310-2N/m2= =6.99=lg6.99=0.8444 = -0.7727
16、=0.8444-0.7727=0.0717 即 0.0717,连解可以得到:0.646, 0.354带入=0.64660.231/4+0.35415.951/4 39.5110-2N/m26.6 液体黏度6.6.1 塔顶:=78.21 C 、=0.8579,查图化工流体流动与传热506页,可查得在改温度下,乙醇和水的粘度分别为:0.48mPa.s,0.33mPa.s0.4587mPa.s6.6.2 塔釡:C 、=0.0004,同(a)可得0.35mPa.s,0.27mPa.smPa.s6.6.3 精馏段平均黏度 由前面计算可知精馏段平均液相组成0.3157,查图化工流体流动与传热506页,可知
17、平均温度下,乙醇和水的粘度分别为:0.46mPa.s,0.36mPa.s。精馏段平均粘度:0.3916mPa.s6.6.4 提馏段平均黏度由前面计算可知提馏段平均液相组成0.0436,查图化工流体流动与传热506页,可知平均温度下,乙醇和水的粘度分别为:0.38mPa.s 0.30mPa.s。提馏段平均粘度:mPa.s全塔平均粘度:0.3475mPa.s7、 塔的物性数据列表位置项目进料口塔顶塔釡精馏段提馏段操作压强/kp66.66792.77101.02970.9481.18温度/ C85.0778.2199.0581.6492.487平均分子量/kg/kmol气相34.2425.64液相2
18、6.8619.24平均密度/kg/m3气相1.1770.855液相826.04931.18表面张力/10-2N/m223.96539.51液体黏度/mPa.s0.45870.27000.39160.3035表六:塔内物性数据4、塔板数的确定(1)从二元气液平衡相图(x-y图)可知,本乙醇水物系的最小回流比在精馏段操作线和x-y线相切的那点。通过CAD作图可知切点Q(0.7473,0.7819),所以 =2.248=1.7=3.82(2)精馏段和提馏段操作线方程精馏段:0.7925+0.1784由精馏段操作线方程和q线方程(=0.1320)可确定提馏段操作线方程:(3)通过作图法确定理论塔板数N
19、T 通过作图法可以求得理论塔板数为NT=21块(包括再沸器),加料板为第五块理论板(从下向上),精馏段为16块,提馏段为4块(不包括再沸器)。(4)求塔板效率 用经验公式 计算塔板效率(a)精馏段 0.3916mPa.s 0.421 (b)提馏段 0.3035 mPa.s 0.489 (5) 实际塔板数 精馏段:16/0.421=39块;提馏段:=4/0.489=9块,=48块。5、精馏塔内汽液负荷计算 根据恒摩尔流假定,可以分别计算出精馏塔内上升蒸汽量和下降液体量。(1)精馏段摩尔流量: 32.778mol/s25.976mol/s质量流量:1.1223kg/s 0.6977kg/s体积流量
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