乙醇-水精馏塔设计

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：学号：1指导老师：2013年01月11日化工原理课程设计任务设计题目：乙醇－水精馏塔设计系统进料：30ºC处理量：6000吨/年进料浓度：30%乙醇（质量）处理要求：塔顶乙醇浓度≥94%（质量）塔底乙醇浓度≤0.3%（质量）塔顶压强：4kPa(表压)进料状态：泡点进料回流比：2Rmin单板压降：≤0.7kPa冷却水温：30ºC饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)（1kgf=98.066kPa）加热蒸汽：0.2MPa（表压）设备形式：筛板塔年工作时：7920小时年工作日：330天（每天24h连续操作）塔顶冷凝器采用全凝器目录一、前言……………………………………………………………二、设计方案简介…………………………………………………三、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）操作弹性设计方案简介工艺计算及精馏塔设计1、设计条件系统进料：30ºC处理量：6000吨/年进料浓度：30%乙醇（质量）处理要求：塔顶乙醇浓度≥94%（质量）塔底乙醇浓度≤0.3%（质量）塔顶压强：4kPa(表压)进料状态：泡点进料回流比：2Rmin单板压降：≤0.7kPa冷却水温：30ºC饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)（1kgf=98.066kPa）加热蒸汽：0.2MPa（表压）设备形式：筛板塔年工作时：7920小时年工作日：330天（每天24h连续操作）塔顶冷凝器采用全凝器2、汽液平衡数据及t-x-y,x-y图（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）作t-x-y和x-y图乙醇-水溶液的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=18.02g/mol。进料、塔顶、塔底质量分数：Fa=30%(wt%)；Da=94%；Wa=0.3%。8597.002.18)94.01(07.4694.007.4694.0)1(BDADADDMaMaMax0012.002.18)003.01(07.46003.007.46003.0)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0.14370.85970.0012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：)1(FBFAxMxMM22.05kg/kmol进料量：F=平均分子量总生产时间年处理量1=6.384.22179201000800012.28mol/s1437.002.18)3.01(07.463.007.463.0)1(BFAFAFFMaMaMax物料衡算：1437.054.9W0.0012D8597.054.9WDWxDxFxWDFWDF解得：D=1.58mol/s,W=7.96mol/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FtDtWtFt：FFtt,38.1227.173.8561.1638.121.843.85=84.73ºC(Fx=0.0.1437)Dt：DDtt,43.8997.8515.7872.7443.8941.7815.7878.21ºC(Dx=0.8597)Wt：WWtt,012.010090.105.9510099.72ºC(Wx=0.0012)可知塔内的各个温度为下：塔顶Dt78.21ºC；进料口73.84FtºC；塔釡72.99WtºC；精馏段平均温度47.812/)(1FDtttºC；提馏段平均温度225.922/)(2WFtttºC。4.2操作压强乙醇、水的饱和蒸汽压可以用下式计算：tCBA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=0.8597由安托尼公式可以计算出该温度下，Ap100.866KPa，Bp44.129KPa假设该物系为理想物系：129.44)8597.01(866.1008597.0)1(BDADDPxPxP92.90KPa4.2.1进料处：73.84FtºC，Fx=0.1437同上，可以计算出该温度下，Ap121.551KPa，Bp54.296KPa235.57)1437.01(87.1291437.0)1(BFAFFPxPxP67.672KP4.2.3塔釡：99.72WtºC，Wx=0.0012（同上计算可得）Ap221.190KPa，Bp100.176KPa68.100)0012.01(521.2240012.0)1(BWAWWpxpxP100.828KPa4.2.4精馏段：47.811tºC平均液相组成：65.397.8047.8173.3265.395.817.801x1x0.3298所以有Ap115.305KPa，sBp50.558KPa558.50)3298.01(305.1153298.0)1(111BApxpxP72.97KPa4.2.5提馏段：225.922tºC平均液相组成：9.15.95225.929.121.75.95892x2x0.0458所以有Ap172.863KPa，Bp76.998KPa998.76)0458.01(863.1720458.0)1(222BApxpxP81.38KPa4.3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：1x0.3298，2x0.052。汽相组成精馏段：,73.3215.8147.8126.583.825.81y1y0.5835提馏段：,00.175.95225.9291.3800.170.895.952y2y0.2804所以精馏段和提馏段的平均液相组成分别为1x0.3298，2x0.0458，1y0.5835，2y0.2804。4.3.2计算平均分子量精馏段：kmolkgMxMxMMyMyMBALBAV/27.2702.18)3298.01(07.463298.0)1(kg/kmol38.4302.18)5835.01(07.465835.0)1(111111提馏段：4.4平均密度kmolkgMxMxMkmolkgMyMyMBALBAV/30.1902.18)0458.01(07.460.0458)1(/88.2502.18)2804.01(07.462804.0)1(2222224.5计算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不同温度下乙醇和水的密度求47.811tºC，225.922tºC下乙醇和水的平均密度：47.811tºC，7358047.817357308085AA=734.236kg/m38.97180735.808.9716.9688085BB=967.096kg/m3同理：225.922tºC，A'722.22kg/m3B'965.17kg/m3精馏段：5571.0)02.186702.007.463298.0/(07.463298