乙醇水连续浮阀式精馏塔的研究设计.docx
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乙醇水连续浮阀式精馏塔的研究设计
化工原理课程设计任务书
一设计题目:
乙醇-水连续浮阀式精馏塔的设计
二任务要求
设计一连续筛板浮阀精馏塔以分乙醇和水
具体工艺参数如下:
原料加料量F=100kmol/h进料组成xF=273
馏出液组成xD=0.831
釜液组成xw=0.012
塔顶压力p=100kpa
单板压降≤0.7kPa
2工艺操作条件:
常压精馏,塔顶全凝器,塔底间接加热,泡点进料,泡点回流。
三主要设计内容
1、设计方案的选择及流程说明
2、工艺计算
3、主要设备工艺尺寸设计
(1)塔径及提馏段塔板结构尺寸的确定
(2)塔板的流体力学校核
(3)塔板的负荷性能图
(4)总塔高
4、设计结果汇总
5、工艺流程图及精馏塔工艺条件图
参考文献30
摘要
本设计是以乙醇――水物系为设计物系,以浮阀塔为精馏设备分离乙醇和水。
浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备,此设计针对二元物系乙醇--水的精馏问题进行分析,选取,计算,核算,绘图等,是较完整的精馏设计过程。
通过逐板计算得出理论板数为16块,回流比为3.531,算出塔效率为0.518,实际板数为32块,进料位置为第11块,在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1M,有效塔高13.6M,浮阀数(提馏段每块76)。
通过浮阀塔的流体力学验算,证明各指标数据均符合标准。
本次设计过程正常,操作合适。
关键词:
乙醇、水、二元精馏、浮阀连续精馏精馏塔、提馏段
第1章前言
1.1精馏原理及其在化工生产上的应用
实际生产中,在精馏柱及精馏塔中精馏时,上述部分气化和部分冷凝是同时进行的。
对理想液态混合物精馏时,最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的B物质,而残液是沸点高的A物质,精馏是多次简单蒸馏的组合。
精馏塔底部是加热区,温度最高;塔顶温度最低。
精馏结果,塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分,纯高沸点组分则留在塔底。
1.2精馏塔对塔设备的要求
精馏设备所用的设备及其相互联系,总称为精馏装置,其核心为精馏塔。
常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类,通称塔设备,和其他传质过程一样,精馏塔对塔设备的要求大致如下:
一:
生产能力大:
即单位塔截面大的气液相流率,不会产生液泛等不正常流
动。
二:
效率高:
气液两相在塔内保持充分的密切接触,具有较高的塔板效率或传质效率。
三:
流体阻力小:
流体通过塔设备时阻力降小,可以节省动力费用,在减压操作是时,易于达到所要求的真空度。
四:
有一定的操作弹性:
当气液相流率有一定波动时,两相均能维持正常的流动,而且不会使效率发生较大的变化。
五:
结构简单,造价低,安装检修方便。
六:
能满足某些工艺的特性:
腐蚀性,热敏性,起泡性等。
1.4常用板式塔类型及本设计的选型
常用板式塔类型有很多,如:
筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。
而浮阀塔具有很多优点,且加工方便,故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛,是目前新型塔板研开发的主要方向。
近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备,浮阀塔多用不锈钢板或合金。
实际操作表明,浮阀在一定程度的漏夜状态下,使其操作板效率明显下降,其操作的负荷范围较泡罩塔窄,但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。
浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的,它吸收了两者的优点。
所以在此我们使用浮阀塔,浮阀塔的突出优点是结构简单,造价低,制造方便;塔板开孔率大,生产能力大等。
乙醇与水的分离是正常物系的分离,精馏的意义重大,在化工生产中应用非常广泛,对于提纯物质有非常重要的意义。
所以有必要做好本次设计
1.4.本设计所选塔的特性
浮阀塔的优点是:
1.生产能力大,由于塔板上浮阀安排比较紧凑,其开孔面积大于泡罩塔板,生产能力比泡罩塔板大20%~40%,与筛板塔接近。
2.操作弹性大,由于阀片可以自由升降以适应气量的变化,因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔,泡罩塔都大。
3.塔板效率高,由于上升气体从水平方向吹入液层,故气液接触时间较长,而雾沫夹带量小,塔板效率高。
4.气体压降及液面落差小,因气液流过浮阀塔板时阻力较小,使气体压降及液面落差比泡罩塔小。
5.塔的造价较低,浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%~80%,但是比筛板塔高20%~30。
但是,浮阀塔的抗腐蚀性较高(防止浮阀锈死在塔板上),所以一般采用不锈钢作成,致使浮阀造价昂贵,推广受到一定限制。
随着科学技术的不断发展,各种新型填料,高效率塔板的不断被研制出来,浮阀塔的推广并不是越来越广。
近几十年来,人们对浮阀塔的研究越来越深入,生产经验越来越丰富,积累的设计数据比较完整,因此设计浮阀塔比较合适
第二章流程的确定和说明
2.1设计思路
首先,乙醇和水的原料混合物进入原料罐,在里面停留一定的时间之后,通过泵进入原料预热器,在原料预热器中加热到泡点温度,然后,原料从进料口进入到精馏塔中。
因为被加热到泡点,混合物中既有气相混合物,又有液相混合物,这时候原料混合物就分开了,气相混合物在精馏塔中上升,而液相混合物在精馏塔中下降。
气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中,这些气相混合物被降温到泡点,其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中,停留一定的时间然后进入乙醇的储罐,而其中的气态部分重新回到精馏塔中,这个过程就叫做回流。
液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中,一部分进入再沸器,在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。
塔里的混合物不断重复前面所说的过程,而进料口不断有新鲜原料的加入。
最终,完成乙醇和水的分离。
2.1设计流程
乙醇—水混合液经原料预热器加热,进料状况为汽液混合物q=1送入精馏塔,塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,一部分入塔回流,其余经塔顶产品冷却器冷却后,送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。
第三章精馏塔的工艺计算
一、全塔物料衡算
3.1.1原料液及塔顶,塔底产品的摩尔分率
乙醇的摩尔质量
水的摩尔质量
原料加料量F=100kmol/h
进料组成xF=0.275
馏出液组成xD=0.843
釜液组成xw=0.013
塔顶压力p=100kpa
单板压降≤0.7kPa
3.1.2物料衡算
精馏塔二元系物料
解得:
D=31.6W=68.4
精馏段:
L=RD=2.36×31.6=74.51kmol/h
V=(R+1)D=(2.36+1)×31.6=106.08kmol/h
提馏段:
=L+qF=74.51+100=174.51kmol/h
=V+(q-1)F=V=106.08kmol/h
3.2回流比的确定
3.2.1平均相对挥发度的计算
查[1]由相平衡方程得
由常压下乙醇-水溶液的平衡数据
x
0.18
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
y
0.51
0.525
0.551
0.575
0.595
0.61
x
0.45
0.55
0.5
0.6
0.65
0.7
y
0.635
0.678
0.678
0.697
0.725
0.755
由道尔顿分压定律及
得
将上表数据代入得:
序号
1
2
3
4
5
3.6815
3.1569
2.7254
2.3501
2.1263
序号
6
7
8
9
10
1.9155
1.7228
1.5408
1.4196
1.3207
则
则平衡线方程:
3.2.2最小回流比的计算和适宜回流比的确定
xF=0.275xD=0.843xw=0.012=3.04因为q=1所以Xe=xF=0.275
由相平衡方程=0.536
最小回流比
操作回流比取最小回流比的1.6倍
=1.6=2.36
3.3板数的确定
3.3.1精馏塔的气液相负荷
精馏段:
L=RD=2.36×31.6=74.51kmol/h
V=(R+1)D=(2.36+1)×31.6=106.08kmol/h
提馏段:
=L+qF=74.51+100=174.51kmol/h
=V+(q-1)F=V=106.08kmol/h
3.3.2精馏段与提馏段操作线方程
精馏段操作线方程:
提馏段操作线方程:
3.3.3逐板法确定理论板数及进料位置
对于甲醇—水属物系,可采用逐板计算法求理论板层数。
根据求得的相对挥发度可知
相平衡方程为
因为泡点进料,q=1,
第一块板上升的蒸汽组成
第一块板下降的液体组成由式(c)求取
由第二块板上升的气相组成用(a)式求取:
由第二块板下降的液体组成
如此反复计算:
<
因第5块板上升的气相组成由提馏段操作方程(b):
计算
如此反复计算:
<=0.013
根据以上求解结果得:
总理论板数为9(包括再沸器)
进料板位置为4
精馏段理论板数3
提馏段理论板数6
3.3.4全塔效率
由进料组成
经查表得泡点温度℃℃
在此温度下查文献得:
则进料液再该温度下的平均粘度为:
则板效率E由计算
=0.401
则实际塔板数:
精馏段:
提馏段:
3.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
3.4.1操作温度的计算
1.)塔顶温度计算
查文献乙醇-水溶液中乙醇摩尔分数为0.70和0.80时,其沸点分别为78.7℃78.4℃塔顶温度为,则由内插法:
℃
2.)进料板温度
查文献乙醇-水溶液中乙醇摩尔分数为0.20和0.30时,其沸点分别为83.2℃和81.7℃
设塔顶温度为,则由内插法:
℃
3.)塔釜的温度
查文献乙醇-水溶液中乙醇摩尔分数为0.00和0.05时,其沸点分别为100℃和90.6℃设塔顶温度为,则由内插法:
℃
则精馏段的平均温度:
℃
提馏段的平均温度:
℃
3.4.2操作压强
塔顶压强:
PD=100kpa
取每层塔板压降:
ΔP=0.7kpa
则进料板压力:
塔釜压力:
则精馏段的平均操作压强:
提馏段的平均操作压强:
3.4.3塔内各段气液两相的平均分子量
乙醇的摩尔质量
水的摩尔质量
由公式得
1.)对于塔顶
对于气相平均分子量:
对于液相平均分子量:
2.)对于进料板
对于气相平均分子量。
对于液相平均分子量:
3.)对于塔釜
对于气相平均分子量:
对于液相平均分子量:
则精馏段的平均分子量。
气相:
液相:
提馏段的平均分子量。
气相:
液相:
3.4.4精馏塔各组分的密度
1.)气相平均密度
由计算:
精馏段的气相平均密度:
提馏段的气相平均密度:
2.)液相的平均密度
由计算
(1.)对于塔顶
查文献,
质量分率
则
(2.)对于进料板
查文献,
质量分率
则
(3.)对于塔釜
查文献,
质量分率
则
则精馏段的液相平均密度:
提馏段的液相平均密度:
3.4.5液体表面张力的计算
由计算
(1.)对于塔顶
查文献,
则
(2.)对于进料板
(3.)对于塔釜
查文献,
则
则精馏段的液体平均表面张力:
提馏段的液体平均表面张力:
3.4.6液体平均粘度的计算