分离乙醇正丙醇二元物系浮阀式精馏塔设计.docx

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分离乙醇正丙醇二元物系浮阀式精馏塔设计

成绩

华北科技学院环境工程学院

《化工原理》课程设计报告

设计题目分离乙醇-正丙醇二元物系浮阀式精馏塔设计

学生姓名张森

学号2

指导老师高丽花

专业班级化工B112班

教师评语

设计起止日期：

2014年6月02日至2014年6月15日

化工原理课程设计任务书

1.设计题目：

分离乙醇—正丙醇二元物系浮阀式精馏塔的设计

2.原始数据及条件：

进料：

乙醇含量45%（质量分数，下同），其余为正丙醇

分离要求：

塔顶乙醇含量93%；塔底乙醇含量0.01%

生产能力：

年处理乙醇-正丙醇混合液25000吨，年开工7200小时

操作条件：

间接蒸汽加热；塔顶压强1.03atm（绝压）；泡点进料；R=5

3.设计任务：

（1）完成该精馏塔的各工艺设计，包括设备设计及辅助设备选型。

（2）画出带控制点的工艺流程图、塔板版面布置图、精馏塔设计条件图。

（3）写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。

第一章绪论

精馏塔的选择：

精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。

在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域，并取得了良好的效益。

其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是浮阀塔。

精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。

提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。

所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。

精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法。

本次课程设计是分离乙醇—正丙醇二元物系。

在此我选用连续精馏浮阀塔。

具有以下特点：

（1）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。

（2）操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。

（3）塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

（4）压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。

（5）液面梯度小。

（6）使用周期长。

粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。

（7）结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。

本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图，是较完整的精馏设计过程。

精馏设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。

通过对精馏塔的运算，可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件、物性参数及接管尺寸是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。

本次设计结果为：

理论板数为25块，塔效率为48.0%，精馏段实际板数为17块，提馏段实际板数为33块，实际板数50块。

进料位置为第19块板，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1.4米，设置了个人孔，塔高28.58米，通过浮阀板的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。

关键词：

浮阀精馏塔、物料衡算、流体力学检验

第二章精馏塔相关计算

2.1精馏塔全塔物料衡算

F:

进料量（Kmol/s）XF:

原料组成

D:

塔顶产品流量（Kmol/s）XD:

塔顶组成

W:

塔底残液流量（Kmol/s）XW:

塔底组成

原料乙醇组成:

XF==51.63%

塔顶组成:

XD==94.54%

塔底组成:

XW==0.013%

进料量:

F=25千吨/年=

=0.0183Kmol/s=65.88Kmol/h

物料衡算式:

F=D+W

FXF=DXD+WXW

联立代入求解:

D=0.010Kmol/s=36Kmol/h

W=0.0083Kmol/s=29.88Kmol/h

2.2精馏段和提馏段的工艺条件及有关物性数据的计算

表2.1乙醇～正丙醇混合液的t-x-y关系

（x表示液相中乙醇摩尔分率，y表示气相中乙醇摩尔分率）

t

97.60

93.85

92.66

91.60

88.32

86.25

84.98

84.13

83.06

80.50

78.38

x

0

0.126

0.188

0.210

0.358

0.461

0.546

0.600

0.663

0.884

1.0

y

0

0.240

0.318

0.349

0.550

0.650

0.711

0.760

0.799

0.914

1.0

表2.1的平衡数据摘自：

J.Gmebling,U.onkenVapor-liquidEquilibriumDataCollection-OrganicHydroxyCompounds:

Alcohols（p.336）。

乙醇沸点：

78.3℃；正丙醇沸点：

97.2℃。

2.2.1操作温度的确定

利用上表中数据利用数值插入法确定进料温度tF、塔顶温度tD塔釜温度tW

进料温度：

塔顶温度：

塔釜温度：

精馏段平均温度：

提馏段平均温度：

表2.2塔顶产品、塔底产品、进料液的泡点温度以及相对挥发度

塔顶产品

塔底产品

进料液

xD=0.9454

xW=0.00013

xF=0.5163

tD=79.38℃

tW=97.60℃

tF=85.42℃

αD=1.365

αW=2.000

αF=2.084

（1）塔顶：

塔顶温度：

tD=79.38℃

气相组成yD:

进料：

进料温度：

tF=85.42℃

气相组成yF:

塔釜：

塔釜温度：

tW=97.60℃

气相组成yW:

（2）精馏段平均液相组成

:

精馏段平均汽相组成

:

2.2.2密度

（1）精馏段

液相组成:

气相组成:

所以

（2）提馏段

液相组成：

气相组成:

所以

表2.3醇类密度表

温度t,℃

7

754.2

742.3

730.1

717.4

704.3

759.6

748.7

737.5

726.1

714.2

已知:

混合液密度:

（为质量分数）

混合气密度:

由不同温度下乙醇和丙醇的密度,内差法求tFtDtW下的乙醇和丙醇的密度：

所以

2.2.3混合液体平均表面张力

表2.4醇类液体表面张力mN/m

名称

温度，℃

60

80

100

乙醇

20.25

18.28

16.29

正丙醇

21.27

19.40

17.50

塔顶液相平均表面张力的计算:

进料板液相平均表面张力的计算:

=17.73

塔底液相平均表面张力的计算:

（1）精馏段的平均表面张力：

（2）提馏段的平均表面张力：

2.2.4混合物的粘度

表2.5醇类液体粘度

不同温度下乙醇和丙醇的粘度mPa.s

温度

7

100

乙醇

0.51

0.480

0.426

0.410

0.370

0.345

0.325

正丙醇

0.85

0.750

0.685

0.640

0.565

0.495

0.460

利用表4中的数据利用数值插入法确定进料温度tF、塔顶温度tD塔釜温度tW下的乙醇和正丙醇的粘度。

（1）混合液体粘度

精馏段的平均温度为：

该温度下

乙醇的粘度为：

正丙醇的粘度为：

精馏段混合液的粘度为：

（2）提馏段的平均温度为：

该温度下

乙醇的粘度为：

正丙醇的粘度为：

提馏段混合液的粘度为：

2.2.5气液相体积流量计算

kmol/s

（1）精馏段

kmol/s

kmol/s

已知：

kg/kmolkg/kmol

质量流量：

体积流量：

（2）提馏段饱和液体进料q=1

已知：

kg/kmolkg/kmol

质量流量：

体积流量：

2.3理论塔板数的计算

相对挥发度

（1）精馏段的平均相对挥发度:

（2）提留段的平均相对挥发度:

取操作回流比R=5

精馏段操作线方程为:

y=

精馏段气液平衡方程

提馏段操作线方程为

提馏段气液平衡方程

采用逐板计算法，运用Excel快捷、准确地计算出理论塔板数。

其Excel表格设计原理如下：

精馏段理论塔板数的计算（交替使用相平衡方程和精馏操作线方程）：

相平衡操作线相平衡操作线

xD=y1x1y2x2y3…xn-1

计算到xn-1

提馏段理论塔板数的计算（交替使用相平衡方程和提馏操作线方程）：

.......

计算到xN

由Excel计算结果见表2.6：

表2.6逐板法计算理论塔板数结果

x编号

x的值

y编号

y的值

x1

0.909401348

y1

0.9454

x2

0.86250499

y2

0.915404143

x3

0.804216111

y3

0.876325408

x4

0.73585993

y4

0.827753286

x5

0.660957052

y5

0.77079208

x6

0.58474433

y6

0.708375511

x7

0.512828845<0.5163

y7

0.644867451

x8

0.407139227

y8

0.583735074

x9

0.297239675

y9

0.463428582

x10

0.200259182

y10

0.338329922

x11

0.126316619

y11

0.227937027

x12

0.075979653

y12

0.143768207

x13

0.044300271

y13

0.086469639

x14

0.025337855

y14

0.050408998

x15

0.01432633

y15

0.02882408

x16

0.008044174

y16

0.016289662

x17

0.004496327

y17

0.009138683

x18

0.002504151

y18

0.005100169

x19

0.001389116

y19

0.002832475

x20

0.00076615

y20

0.001563231

x21

0.000418453

y21

0.000854109

x22

0.0002