乙醇-水精馏塔化工设计9

设计题目：乙醇－水精馏塔设计系统进料：25ºC处理量：25，000吨/年进料浓度：28%乙醇（质量）处理要求：塔顶乙醇浓度94%（质量）塔底乙醇浓度0.1%（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：25ºC加热蒸汽：0.2MPa（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）一、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3％～5％，葡萄酒含6％～20％，黄酒含8％～15％，白酒含50％～70％（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（0.1%（wt％））。本设计采用筛板塔，板式塔有一下优点生产能力大，塔板效率高，压降低，操作弹性大，结构简单。二、设计方案简介我们知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。三、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。四、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：25ºC处理量：25，000吨/年进料浓度：28%乙醇（wt％）处理要求：塔顶乙醇浓度94%（质量）塔底乙醇浓度0.1%（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：25ºC加热蒸汽：0.2MPa设备形式：筛板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、汽液平衡数据及相图2.1乙醇和水的汽液平衡数据如下：温度t/ºC乙醇的摩尔分数/%温度t/ºC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：乙醇－水二元汽液平衡数据2.2作t-x-y和x-y图用Origin作图，并将图象附于下：图二：乙醇－水混合液的t-x-y图图三：乙醇－水混合液的x-y图3、全塔物料衡算3.1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=18.02g/mol进料、塔顶、塔底质量分数：Fa=29%(wt%)；Da=94%；Wa=0.1%1320.002.18/)28.01(07.46/28.007.46/28.0/1//BFAFAFFMaMaMax8597.002.18/)94.01(07.46/94.007.46/94.0/1//BDADADDMaMaMax0004.002.18/)001.01(07.46/001.007.46/001.0/1//BWAWAWWMaMaMax将以上计算结果列为下表物料位置进料口Fx塔顶Dx塔釜Wx摩尔分数0.13200.85970.0004表二：进料、塔顶、塔釡物料摩尔分数3.2全塔物料衡算进料平均相对分子量：)1(DBDAxMxMM21.723kg/kmol进料量：F=平均分子量总生产时间年处理量1=6.3723.21172001000000,2544.4mol/s物料衡算：1320.04.44W0.0004D8597.04.44WDWxDxFxWDFWDF解得：D=6.8mol/s,W=37.6mol/s4、工艺条件物性计算工艺条件物性的计算包括：操作压强、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。4.1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Ft，Dt，WtFt：FFtt,38.1220.133.8561.1638.121.843.85=85.07ºC(Fx=0.1320)Dt：DDtt,43.8979.8515.7872.7443.8941.7815.7878.21ºC(Dx=0.8579)Wt：WWtt,004.010090.105.9510099.905ºC(Wx=0.0004)可知塔内的各温度为下：塔顶Dt78.21ºC；进料口07.85FtºC；塔釡905.99WtºC；精馏段平均温度64.812/)(1FDtttºC；提馏段平均温度487.922/)(2WFtttºC。4.2操作压强乙醇、水的饱和蒸汽压可以用下式计算：tCBApslg式中：p为蒸气压mmHg；A、B、C为常数；t为摄氏温度（ºC）物质名称温度范围t/ºC安托尼常数ABC乙醇-30~1508.044941554.3222.65水0~608.107651750.286235.0水60~1507.966811668.21228.0表三：乙醇、水安托尼常数（摘自：物化实验）4.2.1塔顶压力：Dt78.21ºC，Dx=0.8579由安托尼公式可以计算出该温度下，sAp100.845KP，sBp44.034KP假设该物系为理想物系：034.44)8579.01(845.1008579.0)1(sBDsADDPxPxP92.77KP4.2.2进料处：07.85FtºC，Fx=0.1320同上，可以计算出该温度下，sAp131.469KP，sBp57.964KP964.57)132.01(469.131132.0)1(sBFsAFFPxPxP67.667KP4.2.3塔釡：99.905WtºC，Wx=0.0004（同上计算可得）sAp224.455KP，sBp100.98KP98.100)0004.01(455.2240004.0)1(sBWsAWWpxpxP101.029KP4.2.4精馏段：64.811tºC平均液相组成：73.325.8164.8108.2673.323.825.811x1x0.3157所以有sAp115.315KP，sBp50.598KP598.50)3157.01(315.1153157.0)1(111sBsApxpxP70.94KP4.2.5提馏段：487.922tºC平均液相组成：9.15.95487.9221.790.10.895.952x2x0.0436所以有sAp172.863KP，sBp76.998KP998.76)0436.01(863.1720436.0)1(222sBsApxpxP81.18KP4.3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。4.3.1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：1x0.3157，2x0.0436。汽相组成精馏段：73.325.8164.8108.2673.323.825.811y1y0.5783提馏段：,00.175.95487.9291.3800.170.895.952y2y0.2716所以精馏段和提馏段的平均液相组成分别为1x0.3157，2x0.0436，1y0.5783，2y0.2716。4.3.2计算平均分子量精馏段：kmolkgMxMxMMyMyMBALBAV/86.2602.18)3157.01(07.463157.0)1(ol34.24kg/km02.18)5783.01(07.465783.0)1(111111提馏段：kmolkgMxMxMkmolkgMyMyMBALBAV/24.1902.18)0.04361(07.460.0436)1(/64.2502.18)2716.01(07.462716.0)1(2222224.4平均密度用下式计算密度，混合液密度：BBAALaa1混合气密度：V004.22TPMPT。其中：a为质量分数，M为平均相对分子质量不同温度下乙醇和水的密度如下表(A表示乙醇，B表示水)温度/ºCA/kg/m3B/kg/m3温度/ºCA/kg/m3B/kg/m380735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3表四：不同温度下乙醇和水的密度求64.811tºC，487.922tºC下乙醇和水的平均密度：64.811tºC，7358064.817357308085AA=733.39kg/m38.9718064.818.9716.9688085BB=970.75kg/m3同理：487.922tºC，A'7