课程方案乙醇正丙醇混合液精馏塔方案.docx

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课程方案乙醇正丙醇混合液精馏塔方案

成绩

华北科技学院

化工原理课程设计

说明书

设计题目：

分离乙醇-正丙醇混合液的精馏塔设计

姓

名：

熊先清

专

业：

化学工程与工艺

班

级：

化工B091

学

号：

200901034112

指导教师：

高丽花李辰明

设计时间：

2018年6月10日至2018年6月22日

完成时间：

2018年6月22日

评语：

目录1

一设计任务书3

二塔板的工艺设计3

<一）设计方案的确定3

<二）精馏塔的物料衡算3

1•原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分数3

2物料衡算4

（三>物性参数的计算4

1•操作温度的确定4

2密度的计算5

3.混合液体表面张力的计算9

4混合物的粘度10

5相对挥发度11

（四>理论板数及实际塔板数的计算12

1•理论板数的确定12

2•实际塔板数确定13

（五>热量衡算14

「加热介质的选择14

2•冷却剂的选择14

3上匕热容及汽化潜热的计算14

4•热量衡算17

（六>塔径的初步设计19

1•汽液相体积流量的计算19

2•塔径的计算与选择20

（七>溢流装置22

1堰长lw22

2•弓形降液管的宽度和横截面积22

3•降液管底隙高度23

（八>塔板分布、浮阀数目与排列24

1•塔板分布24

2.浮阀数目与排列24

二、塔板的流体力学计算26

<一）汽相通过浮阀塔板的压降26

1精馏段26

2提馏段27

<二）淹塔27

1精馏段27

2提馏段28

<三）雾沫夹带28

<四）塔板负荷性能图29

1•雾沫夹带线29

2•液泛线30

3液相负荷上限线31

4•漏液线32

5液相负荷下限线32

三、塔总体高度计算35

1•塔顶封头35

2•塔顶空间35

3•塔底空间35

4.人孔36

5.进料板处板间距366裙座36

四、塔的接管37

1•进料管37

2回流管37

3•塔底出料管37

4•塔顶蒸汽出料管38

5.塔底蒸汽管38

五、塔的附属设备设计38

1•冷凝器的选择38

2再沸器的选择39

六、总结40

七、参考文献40

-设计任务书

【设计题目】分离乙醇-正丙醇混合液的精馏塔设计【设计条件】进料：

乙醇含量40%<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

【设计计算】

二塔板的工艺设计

<一）设计方案的确定

本设计的任务是分离乙醇-正丙醇混合液。

对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。

<二）精馏塔的物料衡算1•原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分数

乙醇的摩尔质量MA=46kg/kmol

丙醇的摩尔质量MB=60kg/kmol

2•物料衡算

原料处理量:

3

l2500010（0.4/460.6/60）-1

F64.92kmolh

7200

物料衡算：

F=DW①

乙醇的物料衡算：

FXf二DXdWXw②

两式联立得：

■1

D=31.96kmolh1

-1

W=32.96kmolh1

（三〉物性参数的计算

表1乙醇〜正丙醇混合液的t-x-y关系

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1的平衡数据摘自：

J.Gmebling,U.onken?

Vapor-liquid?

EquilibriumData

Collection-OrganicHydroxyCompounds:

Alcohols（p.336>。

乙醇沸点：

78.3C;正丙醇沸点：

97.2C。

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:

86.25-88.32

tF-88.32

0.461-0.3580.465-0.358

二tF-86.17C

塔顶温度：

78.4-80.5=tD-8。

579.40C

1-0.8840.945-0.884

塔釜温度:

93.85-97.6°」w-97.6°=tw=97.596C

球（M为平均相对分子量）'计算混

0.126-00.00013-0

精馏段平均温度：

t1」怙二86*1779.40=82.79C

22

提馏段平均温度：

丄tFtw86.1797.60

t2--91.89C

22

2•密度的计算

利

用

1

=aAaB（a为质量分数卜

AB

合液体的密度和混合气体的密度。

（1＞塔顶:

塔顶温度：

tD=79.40C

气相组成yD：

800誥0

79.40-78.40

yD-1

yD二0.9590

进料:

进料温度：

tF=86.17C

88.32-86.25

气相组成yF：

-0^r

塔釜:

塔釜温度：

tw=97.60°C

气相组成yw：

97.60-93.85

0-0.24

97.596-93.85

yW—°・24

yw二0.000256

（2＞精馏段平均液相组成xi：

xi

XDXF0.9450.465=0.7050

精馏段平均汽相组成

yi：

yi

0.9590.6539

2

=0.8065

精馏段液相平均相对分子量ML1：

ML1=460.70560（1-0.705）=50.13kgkmol1

精馏汽相平均相对分子量MV1:

Mv1=460.806560（1-0.8065）=48.71kgkmol-1

（3＞提馏段平均液相组成X2:

X2二汇电二0.465°.°0013二0.2326

22

提馏段平均汽相组成y2:

y2二丝」W=0.65390.000256=0.327122

提馏段液相平均相对分子量ML2:

Ml2=460.232660（1-0.2326）=56.74kgkmol-1

提馏汽相平均相对分子量MV2：

Mv2=460.327160（1-0.3271）=55.42kgkmol1

（4＞进料、塔顶及塔釜混合液的密度

表2:

不同温度下乙醇和正丙醇的密度

温度/C

70

75

80

85

90

95

100

乙醇kgm-3

748.87

739.87

735.87

731.87

728.87

723.87

715.87

正丙醇kgm3

762.56

755.86

750.86

745.87

740.87

735.87

730.87

利用表2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密度

①进料温度tF:

tF=86.17C

100-95

正丙醇=733.27kgm-3（釜残液中正丙醇的密度）

-733.27kgm-3（釜残液的密度）

100-97.60

—

730.87-735.87730.87-'正丙醇

1aAaB0.00011-0.0001

—=—+—=+二

匚匚订719.71733.27

（5＞精馏段液相平均密度和提馏段液相平均密度

精馏段液相平均密度：

CPf+Pd739.25+737.39-3

L1738.32kgm

22

提馏段液相平均密度：

DPf+Pw739.25+733.27-3

Pl2=2=2=736.26kgm

（6＞精馏段和提馏段混合液的平均摩尔质量

塔顶混合液的平均摩尔质量：

Mld二Xd46（1-xd）60二0.94546（1-0.945）60二46.77kgkmol

进料液的平均摩尔质量:

MLF=XF46（1-xF）60=0.46546（1-0.465）60=53.49kgkmol-1塔底

釜残液的平均摩尔质量:

-1

Mlw=xW46（1-xW）60=0.0001346（1-0.00013）60=60.00kgkmol

所以,

精馏段混合液的平均摩尔质量:

=50.13kgkmol-1

Ml_MldMlf=46.7753.49

22

提馏段混合液的平均摩尔质量:

（7＞精馏段汽相平均密度和提馏段汽相平均密度

塔顶混合液汽相平均密度:

进料液汽相平均密度:

塔底釜残液汽相平均密度:

所以,

精馏段汽相平均密度：

C%十Pvf1.66+1.78-3

:

、1二1.72kgm

22

提馏段汽相平均密度：

cPvw+Pvf2.03+1.78,皿-3

■V21.91kgm

22

3•混合液体表面张力的计算

表3:

不同温度下乙醇和正丙醇的表面张力

温度/C

70

75

80

85

90

95

100

乙醇mNm-1

18.2

17.9

17.4

17.0

16.4

16.1

15.7

正丙醇mN-m1

19.8

19.5

18.9

18.5

18.1

17.6

17.2

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下的乙醇和正丙醇的表面张力。

液相平均表面张力按下式计算：

人二（1＞混合液体表面张力

1原料液的表面张力

乙醇的表面张力：

90-85二90-86.17二,「16.86mNm-1

16.4-1716.4-二乙醇F

正

丙醇

的

表面

90

-85

90-86.17

-1

二正丙醇F

二18.41mNm

18.1-

-18.5

18・1-匚正丙醇醇F

原料液的表面张力

；「lfm八XiG二xF二乙醇F（1-xF）二正丙醇F=0.46516.86（1-0.465）18.41=17.69mNm

塔顶液的表面张力

二LDM八x&j二xD二乙醇D（1-XDK正丙醇D=0.94517.46（1-0.945）18.97=17.54mNm

③釜残液的表面张力

乙醇的表面张力：

100-95100-97.60-1

乙醇W=15.89mNm

15.7-16.115.7-“_'乙醇W

丙醇的表面张力：

100-95100-97.60-1

==>口正丙醇W=17.39mNm

17.2-17.617.2-二正丙醇w

釜残液的表面张力

；「lwm八KG=Xw匚乙醇W（1-Xw）匚正丙醇W=0.0001315.89（1-0.00013）17.39=17.39mNm

（2＞提馏段和精馏段的平均表面张力

4•混合物的粘度

表4:

不同温度下乙醇和丙醇的粘度

温度

70

75

80

85

90

95

100

乙醇mPaS

0.51

0.480

0.426

0.410

0.370

0.345

0.325

正丙醇mPaS

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：

廿二82.79C，该温度下

乙醇的粘度为：

0.41-0.42^0.41-乙醇=」乙醇=0.417mPaS

85-8085-82.79

精馏段混合液的粘度为:

叫二X[“乙醇•（1-xj“正丙醇二0.7050.417■（1-0.705）0.660二0.489mPaS

（2＞提馏段的平均温度为：

ti-82.79C,该温度下

乙醇的粘度为：

O.345-0.37/345」乙醇」乙醇=0.361mPaS

95-9095-91.89

正丙醇的粘度为:

0.495-0.5650.495-J正丙醇

正丙醇

95-91.89

95-90

=0.539mPaS

提馏段混合液的粘度为:

J2=X2七醇（1-X2）"正丙醇

=0.23260.361（1-0.2326）0.539=0.498mPaS

5•相对挥发度

0.6539

由Xf=0.465,yF=0.6539得。

乂46?

]。

6539=2・仃

1-0.465

0.9590

由Xd=0.945,y°=0.9590得。

d=9590=〔止

1-0.945

0.000256.

由Xw=0.00013,yw=0.000256得。

w=加001%0000256=〔切

1-0.00013

平均相对挥发度"3「f--w--D=32.091.361.97=1.78

（四〉理论板数及实际塔板数的计算

1•理论板数的确定

设计条件已确定回流比R=5，并且是泡点进料,q=1

贝卩，L=RD=531.96=159.80kmolh-1

-1

V=（R1）D=（51）31.96=191.76kmolh1

L=LqF=159.80164.92二224.72kmolh-1

.-1

V=191.76kmolh

1中乙醇和正丙醇的气

本设计采用图解法求解理论板数。

由表

液平衡数据，绘出x-y图，如下图：

①操作线方程

精馏段操作线方程为:

R151

yn1XnXdXn0.945=0.833Xn0.158

R1R15151

L.W

ym1=VXm-VXW

提馏段操作线方程为:

二224.72xm-32.960.00013=1.172xm-0.0000223

191.76191.76

2利用逐板计算法计算理论板数

层数

x值

y值

备注

1

0.908522809

0.945

2

0.861233883

0.9147995

3

0.802425399

0.875407825

4

0.733478938

0.826420357

5

0.65802022

0.768987956

6

0.581405194

0.706130843

7

0.509320232

0.642310527

8

0.446197085

0.582263753

进料板

9

0.350625986

0.522920684

10

0.255738892

0.410911356

11

0.174114202

0.299703682

12

0.112119541

0.204039544

13

0.069342595

0.131381802

14

0.04174412

0.081247222

15

0.024702485

0.048901808

16

0.014463037

0.028929012

17

0.008411351

0.01692838

18

0.004869525

0.009835803

19

0.002808487

0.005684783

20

0.001613142

0.003269246

21

0.000921219

0.001868302

22

0.000521151

0.001057369

23

0.000289983

0.000588489

24

0.000156459

0.00031756

25

7.9351E-05

0.000161069

塔釜

由上表看出全塔理论板数为Nt=25块<包含再沸器）

加料板为第8块理论板

NT2（25-7）-^17

精馏段理论板数：

N"=7块；提馏段理论板数:

块

2•实际塔板数确定

精馏段：

已知：

冷=1.73，S=0.489mPas

Np精二詈二胡刊4块

提馏段：

已知：

亠=2.03，叫=0.498mPas

Et2=0.49（：

2"L2）4245=049（2.030.498）亠245=0.49

Np提二Nt2=17=35块

Et20.49

则全塔所需的实际板数为：

Np二Np精Np提=1435=49块

N251

全塔效率：

1。

。

％=育100%皿.98%实际加料板的位置在第15块板（五〉热量衡算

1•加热介质的选择

常用的加热介质有饱和水蒸汽和烟道气。

由于水蒸气清洁易得，不易结垢，不腐蚀管道的优点，本设计采用饱和水蒸汽作为加热介质。

饱和水蒸汽压力越高，冷凝温差越大，管程谁相应减少，但是压力不宜过高。

2•冷却剂的选择

常用的冷却剂式水和空气，本设计考虑用冷凝水作为冷却剂

3•比热容及汽化潜热的计算

表5:

不同温度下乙醇和正丙醇的比热容

温度C

60

70

80

90

100

乙醇KJ/（KgC>

3.07

3.25

3.48

3.69

3.89

正丙醇KJ/（KgC>

2.86

3

3.13

3.26

3.34

表6:

不同温度下乙醇和正丙醇的汽化热

温度C

70

80

90

100

乙醇kJ/kg

810

820.5

840.8

860.9

丙醇kJ/kg

673

690.5

703.5

745.5

（1）塔顶温度tD下的比热容

塔顶温度tD=79.40C，使用内插法求该温度下乙醇和正丙醇的

比热容

乙醇的比热容:

Cp乙醇，8oc-Cp乙醇，70c3.48-3.25Cp乙醇，8°c-Cp乙醇，79.40c3.48-Cp乙醇,79.40c

80-70-80-70一80-79.40-80-79.40

—Cp乙醇,79.40c=3.466kJ/（kgK）

正丙醇的比热容:

Cp正丙醇,80C-Cp乙醇，70C3.13-3.00Cp正丙醇,80C-Cp正丙醇，79.40C

=■Cp正丙醇,79.40c=3.122kJ/（kgK）

CpD二XDCp乙醇，79.40c■（1-XD）Cp正丙醇，79.40c

=0.9453.466-（1-0.945）3.122=3.447kJ/（kgK）=161.22kJ/（kmolK）

（2＞进料温度tF下的比热容

进料温度：

tF=86.17c

乙醇的比热容：

Cp乙醇，90c-Cp乙醇，80c3.69-3.48Cp乙醇,90c-Cp乙醇，86.17c_3.69-Cp乙醇，86.17c

90-80-90-80—90-86.17-90-86.17

=Cp乙醇,86.仃c-3.610kJ/（kgK）

正丙醇的比热容:

Cp正丙醇,90c-Cp乙醇，80cp正丙醇,90c-Cp正丙醇，86.17c_3.26-Cp乙醇，86.17c

90-80-90-80一90-86.17-90-86.17

=Cp正丙醇，86.17c=3.210kJ/（kgK）

CpF=XFCp乙醇,79.40c'（1—Xf）Cp正丙醇，79.40c

=0.4653.610（1-0.465）3.210=3.396kJ/（kgK）=181.65kJ/（kmolK）

（3＞塔底温度tW下的比热容

塔釜温度：

tW=97.60c

乙醇的比热容:

Cp乙醇,100C-Cp乙醇，90C3.89-3.69Cp乙醇，100C-Cp乙醇，97.60C3.89-Cp乙醇，97.60C

100-90-100-90一100-97.60-100-97.60

—Cp乙醇,97.60c=3.842kJ/（kgK）

正丙醇的比热容：

CP正丙醇,100c-Cp乙醇，90Cp正丙醇,100c-Cp正丙醇，97.60C3.34-Cp乙醇，97.60C

100-90一100-90一100-97.60一100-97.60

=?

Cp正丙醇，978c=3.321kJ/（kgK）

CpW-xwCp乙醇,97.60c（1-xw）CP正丙醇，97.60c

=0.000133.842-（1-0.00013）3.321=3.321kJ/（kgK）=199.26kJ/（kmolK）

（4＞塔顶温度tD下的汽化潜热

内插法计算出塔顶温度下的汽化潜热。

乙醇的汽化潜热：

乙醇,80c-乙醇，70c乙醇，80c-乙醇，79.40c820.5-810.1820.5-乙醇，79.40c

80-7080-79.480-7080-79.40

=乙醇，79.40c-=819.9kjkg

正丙醇的气化潜热：

正丙醇，80c-正丙醇，70c_正丙醇，80c-正丙醇，79.40c690.5-673.3690.5-正丙醇，79.40c

80-7080-79.480-7080-79.40

=正丙醇,79.40c-=689.5kjkg-1

二乙醇，79.4+（1—Xd）?

正丙醇，79.4=0.945汉819.9+（1-0.945）^689.5=812.7kJkg

4•热量衡算（1>0C时塔顶上升的热量Qv塔顶以0C为基准

Qv=VCPDtDVDMVD

=191.76161.2279.40191.76812.746.57=9712319.35kJh

（2>回流液的热量Qr注：

此