乙醇-水精馏塔课程设计

燕京理工学院YanchingInstituteofTechnology（2017）届制药工程专业课程设计任务书题目：乙醇——水混合液精馏塔设计学院：化工与材料工程学院专业：制药1301学号：130120004姓名：张世宇指导教师：林贝教研室主任（负责人）：林贝2016年09月25日化工原理课程设计乙醇——水混合液精馏塔设计张世宇制药工程1301班学号130120003指导教师林贝摘要本设计是以乙醇――水混合液为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离乙醇和水。筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系乙醇－－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。关键词：乙醇-水精馏筛板塔连续精馏塔板设计目录前言............................................................1第１章设计任务书................................................2第2章设计方案的确定及流程说明..................................3第2.1节设计方案的确定.......................................3第2.2节设计流程..............................................5第3章精馏塔的工艺设计..........................................6第3.1节精馏塔的物料衡算.....................................6第3.2节理论板的计算.........................................7第3.3节平均参数的计算......................................11第3.4节塔径的初步设计.......................................15第3.5节塔高的计算...........................................17第４章塔板结构设计..............................................19第4.1节溢流装置计算.........................................19第4.2节塔板及筛板设计.......................................20第4.3节塔板流体力学验算.....................................21第5章塔板负荷性能图............................................24第5.1节雾沫夹带线...........................................24第5.2节液泛线..............................................24第5.3节液相负荷上限线......................................25第5.4节漏液线..............................................25第5.5节液相负荷下限线......................................26第5.6节塔板负荷性能图......................................26第6章附属设备设计...............................................27第6．1节冷凝器...............................................27第6.2节再沸器................................................28第7章设计结果汇总..............................................30第7.1节各主要流股物性汇总...................................30第7.2节筛板塔设计参数汇总...................................30参考文献.........................................................32附录.............................................................331前言1.1精馏原理及其在化工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。2第１章设计任务书1.设计题目：乙醇——水混合液精馏塔设计2.设计任务及条件2.1生产能力：年处理量3万吨乙醇.。2.2进精馏塔料液含乙醇34%(质量分数)。2.3料液初温：45℃2.4塔顶产品乙醇含量93%(质量分数)。2.5残液中乙醇含量不得高于0.5%(质量分数)。2.6每年实际生产天数：300天（24小时，一年中有两个月检修）2.7设备型式：筛板塔2.8操作条件：精馏塔顶压力4kPa(表压)进料状况泡点进料回流比R/Rmin=2.0单板压降0.7kPa加热蒸汽压力101.325kPa(表压)2.9厂址：廊坊地区3.设计内容及要求3.1设计方案的确定及流程说明3.2精馏塔的工艺计算(包括物料衡算、理论塔板数、回流比、总板效率、平均参数、塔高、塔径设计等)3.3塔板结构设计及流体力学验算3.4塔板负荷性能图的绘制3.5附属设备的设计(包括产品冷却器和接管选型)3.6设计结果汇总(包括主要设备尺寸及衡算结果等)3.7附图：图解理论板，塔板负荷性能图，生产工艺流程图(2号图)。3第2章设计方案的确定及流程说明第2.1节设计方案的确定2.1.1塔的类型选择本设计任务为分离乙醇—水混合物。对二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，因而在工业上应用较为广泛。因考虑到设计、制造及生产技术的成熟稳定性，所以决定采用板式塔进行精馏操作。2.1.2塔板类型的选择板式塔的类型有许多，例如泡罩塔、浮阀塔、筛板塔，筛板塔结构简单，造价低廉，板效率高。所以使用筛板塔。2.1.3塔压确定工业精馏可在常压、加压或减压下进行。确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。一般来说，常压精馏最为简单经济，可减少因加压或减压操作所增加的增、减压设备费用和操作费用，提高经济效益。若无特殊要求，应尽量在常压下操作。加压精馏可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝和冷却费用。在相同的塔径下，适当提高塔的操作压力还可以提高塔的处理能力。减压精馏可以防止某些易分解组分在精馏过程之中受热分解。乙醇——水混合液在操作温度下非常稳定，在综合平衡操作可行性及设备、操作费用各因素之后，确定采用塔顶压力为(101.325+4)kPa进行操作。2.1.4加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加热。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加热，进料受到泵的影响，流量不太稳定，流速液忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便，而且泵还具有以下优点：满足工艺上对流量和能量的要求；结构简单，投资费用低；运行可靠，效率高，日常维护费用低；能适用被输送流体的特性，如腐蚀性、粘性、可燃性等。因此，从实际考虑，使用泵直接加料更为合理，而本设计采用的就是泵直接加料。42.1.5进料热状况的选择工业上均采用接近泡点的液体进料或泡点进料，这样可以保证进料温度不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较容易控制。因此本设计采用泡点进料。2.1.6塔釜加热方式的确定蒸馏塔塔釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。但本设计案例具有其特殊性，塔底产物接近于纯水，而且在实际生产中直接蒸汽加热有更高的热效率。结合设计任务要求，确定其塔釜加热方式为蒸汽直接加热。2.1.7塔顶冷凝方式泡点回流易于控制,设计和控制时比较方便,而且可以节约能源。2.1.8塔板溢流形式U形流的液体流径比较长，可以提高板效率，其板面利用率也高，但是液面落差大，只适用于小塔及液体流量小的场合。单溢流的液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用。双溢流的优点是液体流动的路程短，可降低液面落差，但塔板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于2m的塔中。阶梯式双溢流的塔板结构最为复杂，只适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合。通过对本例中的液体流量、塔径等进行初步估计，确定选用单溢流塔板。2.1.9塔径的选取板式塔的塔径依据流量公式计算，在设计时，一般依据严重液沫夹带时的极限空塔气速来决定。在估算出塔径后，还应按塔径系列标准进行圆整，并进行流体力学验算。精馏段和提馏段的汽液负荷及物性是不同的，故设计时两段的塔径应该分别计算，若二者相差不大，应取较大者作为塔径；若二者相差较大，应采用变径塔。2.1.10适宜回流比的选取适宜的回流比应该通过经济核算来确定，即操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比为最适宜的回流比。确定回流比的方法为：先求出最小回流比Rmin，根据经验取实际操作回流比为最小回流比的1.2--2.0倍。乙醇——水混合物系属易分离物系，最小回流比较小，结合此设计任务要求，操作回流比取最小回流比的2.0倍。5第2.2节设计流程首先，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，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。本设计乙醇——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。6第3章精馏塔的工艺设计第3.1节精馏塔的物料衡算3.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料液