46000吨年乙醇水蒸馏装置设计课程设计学士学位论文.docx
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46000吨年乙醇水蒸馏装置设计课程设计学士学位论文
《化工原理课程设计》报告
46000吨/年乙醇~水
精馏装置设计
年级
专业
设计者姓名
设计单位
完成日期
2013年1月1日
目录
一、概述1
1.1设计依据1
1.2技术来源1
1.3设计任务及要求2
二：
计算过程3
1.塔型选择3
2.操作条件的确定3
2.1操作压力3
2.2进料状态3
2.3加热方式3
2.4热能利用4
3.有关的工艺计算4
3.1最小回流比及操作回流比的确定5
3.2塔顶产品产量、釜残液量的计算5
3.3全凝器冷凝介质的消耗量6
3.4热能利用6
3.5理论塔板层数的确定7
3.6全塔效率的估算8
3.7实际塔板数
9
4.精馏塔主题尺寸的计算9
4.1精馏段与提馏段的体积流量9
4.1.1精馏段9
4.1.2提馏段11
4.2塔径的计算12
4.3塔高的计算14
5.塔板结构尺寸的确定15
5.1塔板尺寸15
5.2弓形降液管16
5.2.1堰高16
5.2.2降液管底隙高度h016
5.2.3进口堰高和受液盘16
5.3浮阀数目及排列16
5.3.1浮阀数目16
5.3.2排列17
5.3.3校核17
6.流体力学验算18
6.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）
18
6.1.1干板阻力
18
6.1.2板上充气液层阻力
18
6.1.3由表面张力引起的阻力
18
6.2漏液验算18
6.3液泛验算19
6.4雾沫夹带验算19
7.操作性能负荷图19
7.1雾沫夹带上限线19
7.2液泛线20
7.3液体负荷上限线20
7.4漏液线20
7.5液相负荷下限线20
7.6操作性能负荷图21
8.各接管尺寸的确定23
8.1进料管23
8.2釜残液出料管23
8.3回流液管23
8.4塔顶上升蒸汽管24
8.5水蒸汽进口管……………………………………………24
一、概述
乙醇~水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。
因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。
近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。
山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。
长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇~水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。
但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇`水体系的精馏设备是非常重要的。
塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。
塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。
塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。
在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。
1.1设计依据
本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。
1.2技术来源
目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。
1.3设计任务及要求
原料：
乙醇~水溶液，年产量46000吨
乙醇含量：
38%（质量分数），原料液温度：
45℃
设计要求：
塔顶的乙醇含量不小于92%（质量分数）
塔底的乙醇含量不大于0.8%（质量分数）
表1乙醇~水溶液体系的平衡数据
液相中乙醇的含量
（摩尔分数）
汽相中乙醇的含量
（摩尔分数）
液相中乙醇的含量
（摩尔分数）
汽相中乙醇的含量
（摩尔分数）
0.0
0.0
0.40
0.614
0.004
0.053
0.45
0.635
0.01
0.11
0.50
0.657
0.02
0.175
0.55
0.678
0.04
0.273
0.60
0.698
0.06
0.34
0.65
0.725
0.08
0.392
0.70
0.755
0.10
0.43
0.75
0.785
0.14
0.482
0.80
0.82
0.18
0.513
0.85
0.855
0.20
0.525
0.894
0.894
0.25
0.551
0.90
0.898
0.30
0.575
0.95
0.942
0.35
0.595
1.0
1.0
二：
计算过程
1.塔型选择
根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为6389kg/h，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。
2.操作条件的确定
2.1操作压力
由于乙醇~水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压。
其中塔顶压力为
塔底压力
2.2进料状态
虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料。
2.3加热方式
精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇~水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。
2.4热能利用
精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。
因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。
虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。
为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。
3.有关的工艺计算
由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。
乙醇的摩尔质量
=46
水的摩尔质量
=18
原料液的摩尔组成：
同理可求得：
=0.8182
=0.0031
原料液的平均摩尔质量：
同理，
=40.190
;
=18.087
45℃下，原料液中
由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表2。
表2原料液、馏出液与釜残液的流量与温度
名称
原料液
馏出液
釜残液
38
92
0.8
（摩尔分数）
0.1934
0.8182
0.0031
摩尔质量
23.415
40.190
18.087
沸点温度
/℃
83.83
78.62
99.38
3.1最小回流比及操作回流比的确定
由于是泡点进料，
=
=0.1934，过点
做直线x=0.1934交平衡线于点
，由点
可读得
=0.520，因此：
可取操作回流比R=1.378Rmin=1.378×0.907=1.250
3.2塔顶产品产量、釜残液量的计算
以年工作日为300天，每天开动设备24小时计，进料量为：
由全塔的物料衡算方程可写出：
（蒸汽）
（泡点）
3.3全凝器冷凝介质的消耗量
塔顶全凝器的热负荷：
可以查得
，所以
取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃。
则：
平均温度下的比热
，于是冷凝水用量可求：
3.4热能利用
以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量
可记为：
其中
在进出预热器的平均温度以及
的情况下可以查得比热
，所以，
釜残液放出的热量
若将釜残液温度降至
那么平均温度
其比热为
，因此，
可知，
，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点。
3.5理论塔板层数的确定
精馏段操作线方程：
提馏段操作线方程：
线方程：
在
相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出
块（含塔釜）
其中，精馏段5块，提馏段8块。
3.6全塔效率的估算
用奥康奈尔法（
）对全塔效率进行估算：
由相平衡方程式
可得
根据乙醇~水体系的相平衡数据可以查得：
（塔顶第一块板）
（加料板）
（塔釜）
因此可以求得：
全塔的相对平均挥发度：
全塔的平均温度：
在温度
下查得
因为
所以，
全塔液体的平均粘度：
全塔效率
3.7实际塔板数
块（含塔釜）
其中，精馏段的塔板数为：
块
4.精馏塔主题尺寸的计算
4.1精馏段与提馏段的体积流量
4.1.1精馏段
整理精馏段的已知数据列于表3（见下页），由表中数据可知：
液相平均摩尔质量：
液相平均温度：
表3精馏段的已知数据
位置
进料板
塔顶（第一块板）
质量分数
摩尔分数
摩尔质量/
温度/℃
83.83
78.62
在平均温度下查得
液相平均密度为：
其中，平均质量分数
所以，
精馏段的液相负荷
同理可计算出精馏段的汽相负荷。
精馏段的负荷列于表4。
表4精馏段的汽液相负荷
名称
汽相
液相
平均摩尔质量/
31.25
36.13
平均密度/
814
1.251
体积流量/
2.43（0.000625
）
3804（1.056
）
4.1.2提馏段
整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表6。
表5提馏段的已知数据
位置
塔釜
进料板
质量分数
摩尔分数
摩尔质量/
温度/℃
99.38
83.83
表6提馏段的汽液相负荷
名称
液相
汽相
平均摩尔质量/
20.2
25.6
平均密度/
911
0.816
体积流量/
8.09（0.00225
）
4132（1.15
）
4.2塔径的计算
由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。
有以上的计算结果可以知道：
汽塔的平均蒸汽流量：
汽塔的平均液相流量：
汽塔的汽相平均密度：
汽塔的液相平均密度：
塔径可以由下面的公式给出：
由于适宜的空塔气速
，因此，需先计算出最大允许气速
。
取塔板间距
，板上液层高度
，那么：
分离空间：
功能参数：
从史密斯关联图查得：
，由于
，需先求平均表面张力：
全塔平均温度
，
在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为
，
所以，液体的临界温度：
设计要
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