25吨年乙醇-水分离过程连续精馏塔设计

乙醇-水分离过程连续精馏塔设计设计任务书(一)设计题目：试设计一座乙醇-水连续精馏塔提纯乙醇。进精馏塔的料液中含乙醇50%（质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于92%；残液中乙醇含量不得高于10%；要求精馏塔的处理能力为250000吨/年。(二)操作条件1)塔顶压力常压2)进料热状态自选3)回流比自选4)塔底加热蒸气压力为0.5Mpa（表压）(三)塔板类型自选(四)工作日每年工作日为300天，每天24小时连续运行。(五)设计说明书的内容1.设计内容(1)流程和工艺条件的确定和说明(2)操作条件和基础数据(3)精馏塔的物料衡算；(4)塔板数的确定；(5)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；(6)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(7)塔板主要工艺尺寸的计算；(8)塔板的流体力学验算；(9)塔板负荷性能图；(10)主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）(11)塔板主要结构参数表(12)对设计过程的评述和有关问题的讨论。2.设计图纸要求：1)绘制生产工艺流程图（A3号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（A3号图纸）。目录概述1一、设计方案21、设计方案简介21.1设计方案的确定21.1.1物料的储存和输送21.1.2参数的检测和调控21.1.3热能的利用21.2操作条件的确定21.2.1加热方式21.2.2进料状态21.2.3操作压力21.2.4冷却剂与出口温度32、设计条件及主要物性参数表33、工艺设计计算33.1物料衡算与操作线方程33.1.1精馏塔的物料衡算33.1.1.1原料液、塔顶和塔底产品的摩尔分数33.1.1.2全塔总物料衡算33.1.2塔板数的确定43.1.2.1理论塔板数的求取43.1.2.2实际塔板数的求取63.2精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算63.2.1操作压力73.2.2操作温度73.2.3平均摩尔质量73.2.4平均密度计算83.2.4.1气相平均密度83.2.4.2液相平均密度83.2.5液体平均表面张力83.2.6液体平均黏度93.3精馏塔的塔体工艺尺寸计算93.3.1塔径的计算93.3.2精馏塔有效高度的计算103.4塔板主要工艺尺寸的计算103.4.1溢流装置计算103.4.1.1堰长103.4.1.2溢流堰高度103.4.1.3弓形降液管宽度和面积113.4.1.4降液管底隙高度113.4.2塔板布置113.5塔板流体学验算123.5.1气相通过浮阀塔板的降压123.5.1.1干板阻力123.5.1.2板上充气液层阻力123.5.1.3克服表面张力所造成的阻力123.5.2淹塔123.5.2.1液柱高度123.5.2.2压头损失123.5.2.3液层高度123.5.3雾沫夹带133.6.3液相负荷上限线143.6.4漏液线143.6.5液相负荷下限线144、设计结果汇总表155、参考文献161概述在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就板式塔展开叙述。板式塔为逐级接触型气-液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气-液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。[1]其特点为：气、液处理量大；操作稳定，弹性大；流体流动阻力小；结构简单，材料耗用量小；方便操作、调节和检修。精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。[1]精馏装置主要由精馏塔、冷凝塔与蒸馏釜组成。[2]2一、设计方案1、设计方案简介1.1设计方案的确定精馏操作的流程基本分为：1.1.1物料的储存和输送本设计任务为乙醇-水的分离，乙醇-水作为一种二元混合物，分离需要采用连续精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点都送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下，一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属不易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。1.1.2参数的检测和调控设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定，而且质量要稳定，这就要求各流体的流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定[1]，故在原料槽和泵之间安装温度计和阀门。塔顶、塔釜和冷凝回流管处安装温度计。1.1.3热能的利用精馏过程是组分多次气化和多次冷凝的过程，耗能较多，故热能的合理利用尤为重要，必须使过程处于最佳条件下进行，由于最小回流比较小，所以操作回流比取最小回流比的1.5倍。1.2操作条件的确定1.2.1加热方式乙醇-水混合物在低浓度下水的相对挥发度比较大，本设计采用直接蒸汽加热法，其特点为：可利用压力较低的蒸汽进行加热；加热蒸汽的压力高于塔釜压力，克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中的液柱静压力。本设计用饱和水蒸气作为加热剂，提高传热温度差，从而提高传热效率。[1]1.2.2进料状态本设计采用泡点进料，此时塔的操作比较容易控制且不受季节气温的影响，同时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供方便[1]1.2.3操作压力3在正常大气压下操作1.2.4冷却剂与出口温度本设计采用常温水作冷却剂，最经济。产品出口温度设为30℃（略高于常温），冷却水的出口温度设为45℃。这样可以减少冷却剂的消耗。2、设计条件及主要物性参数表2.1饱和水的物理性质（书本附录3[2]）2.2有机液体的相对密度（书本附录5[2]）2.3液体饱和蒸气压的安托因常数（书本附录10[2]）2.4水在不同温度下的黏度（书本附录11[2]）2.5液体黏度共线图（书本附录12[2]）2.6气体黏度共线图（书本附录13[2]）2.7液体表面张力共线图（书本附录20[2]）2.8乙醇-水的气液相平衡数据（书本附录24[2]）3、工艺设计计算3.1物料衡算与操作线方程3.1.1精馏塔的物料衡算3.1.1.1原料液、塔顶和塔底产品的摩尔分数乙醇的摩尔质量46kg/kmolMA，水的摩尔质量18kg/kmolMB，则0.28118/50.046/50.046/50.0xF0.8180.08/180.92/460.92/46xD0.0420.90/180.10/4610/46.0xW总物料的平均摩尔质量mol38.384kg/k180.042460.818M0.042M0.818MBAF原料液流量)/kmol904.6038.3842430010102534hF（3.1.1.2全塔总物料衡算总物料F=D+W（a）易挥发组分物料衡算WDWx+Dx=FxF（b）4联立（a）（b）解得：)/(61.27860.904042.0818.0042.0281.0x-xx-xDWDWFhkmolF)/(00.62660.904042.0818.0281.0818.0WhkmolFxxxxWDFD回收率89.66%100%281.060.9040.81861.278100%FDFxDx3.1.2塔板数的确定3.1.2.1理论塔板数的求取乙醇—水属理想体系，可采用图解法求理论板层数。由手册查得乙醇-水物系的气液平衡数据，绘出附图1，如下0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0YX附图1X-Y相图采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，由点（0.818，0.818）点出发作平衡线的切线，由图可知切线截距d=0.3617即3617.01RminxD求得Rmin1.265取操作回流比为89.126.11.5Rmin1.5R（1）操作线方程精馏段上升蒸汽量)/(5.180861.782189.1D1RVhkmol）（）（下降液体量)/(6.572561.78289.1RDLhkmol操作线方程2830.00.6540y1nDnnxxVDxVL提馏段上升蒸汽量)/(18.805V'hkmolV下降液体量)/(17.4311'hkmolFLL操作线方程0327.07775.1'n''n'''1nxxWLWxWLLyW(2)图解法求理论板数6采用图解法求理论板层数，如附图-2所示。求解结果为：总理论板层数NT=14(包括再沸器)，其中12=精TN，，2=,提TN（不包括再沸器）3.1.2.2实际塔板数的求取由相平衡方程式xxy)1(1,得)1()1(yxxy818.01Dxy,797.01x(塔顶第一块板）278.02y,042.02Wxx（塔釜）求得：1.14471-0.8180.7971-0.7970.8181）（）（8.82461-0.2790.0421-0.0420.2792）（）（平均相对挥发度：3.17878.82641.144821依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇-水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶:4278.Dt℃塔底:79.93Wt℃塔顶和塔釜的算术平均温度：℃11.86279.9342.782WDttt查表，在86.11℃下，s0.4050mPa醇，s0.3311mPa水由公式iixL,得：smPa3519.03311.0)281.01(4050.0281.0L由奥康奈尔关联式得全塔效率方程为：%67.47%100)3519.01787.3(49.0%100)(49.0245.0245.0LTE精馏段实际板层数2525.186747012=./=N精提馏段实际版层数44.197674702=./=N提(包括塔釜)总实际板层数2925Np=（包括塔釜）3.2精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算73.2.1操作压力塔顶操作压力pa3.101PkD每层塔板压降0.7kPaP进料板压降118.8kPa257.03.101PPDF精NP精馏段平均压降110.1kPa2/)118.83.101(2/PPDm）（FP3.2.2操作温度依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇-水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度℃tD42.78进料板温度℃tF50.94精馏段平均温度℃tM46.862/)50.9442.78(3.2.3平均摩尔质量塔顶混合物平均摩尔质量计算由818.0x1yD,查相平衡曲线，得797.01xkg/molMLDm32.4018)797.01(46797.0kg/kmol=.－×.=MVDm90.4018)81801(468180进料板混合物平均摩尔质量计算由图解求理论板（见图），得485.0Fy查平衡曲线（见图），得160.0FxmolkgMLFm/48.2218)160.01(46160.0molkgMVFm/34.3018)485.01(46485.0精馏段平均摩尔质量计算molkgMLm/40.312/)48.2232.40(8molkgMVm/62.352/)34.3090.40(3.2.4平均密度计算3.2.4.1气相平均密度由理想气体状态方程计算，即)/(1.312273.1546.86314.862.35110.13mkgRTMPmVmmVm）（3.2.4.2液相平均密度液相平均密度依下式计算，即iim