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1、本科毕业论文（设计） 题题 目：目：乙醇乙醇-水精馏塔工艺设计与原料液水精馏塔工艺设计与原料液 预热器选型设计预热器选型设计 专专 业：业： 化学工程与工艺化学工程与工艺 年年 级：级： 2010 级级 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 职职 称：称： 答辩日期：答辩日期： 二二一四年六月七日一四年六月七日 - 0 - 目目 录录 前言 4 摘要 5 1 设计方案的确定及流程说明 6 2 精馏塔的物料衡算 7 2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率.7 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量.7 3 塔板数的确定 7 3.1 理论板层数的求取.7 3.1.1 相对挥发度的求取 .7 3
2、.1.2 求最小回流比及操作回流比 .9 3.2 实际板层数的求取11 3.2.1 液相的平均粘度 11 3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度12 3.2.3 全塔效率 ET 和实际塔板数 12 4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .12 4.1 操作压力的计算12 4.2 操作温度计算 .12 4.3 平均摩尔质量计算13 4.3.1 塔顶平均摩尔质量计算 13 4.3.2 进料板平均摩尔质量计算13 4.3.3 精馏段平均摩尔质量13 4.4 平均密度计算13 4.4.1 气相平均密度计算 13 4.4.2 液相平均密度计算 13 4.5 液体平均表面张力的计算14 4.5.1 塔
3、顶液相平均表面张力的计算 14 4.5.2 进料板液相平均表面张力为14 4.5.3 精馏段液相平均表面张力14 - 1 - 4.6 液体平均粘度14 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .14 5.1 塔径的计算14 5.2 精馏塔有效高度的计算 .16 5.3 溢流装置计算 .16 5.4 降液管底隙高度 .18 5.5 塔板布置 .18 5.5.1 塔板的分块18 5.5.2 筛孔计算及排列18 5.6 塔板的流体力学验算塔板压降19 5.6.1 干板阻力计算 19 5.7 液面落差 .20 5.8 漏液 .21 5.9 液泛 .21 6 塔板负荷性能图 .22 6.1 漏液线22 6.2 液
4、沫夹带线 .22 6.3 液相负荷下限线 .23 6.4 液相负荷上限线 .23 7 辅助设备的计算及选型 .25 7.1 原料贮罐 .25 7.2 产品贮罐 .25 7.3 管径的设计26 7.3.1 塔顶蒸气出口管的直径 dV .26 7.3.2 回流管的直径 dR .26 7.3.4 进料管的直径 dF .26 8 原料预热器选型及计算 .27 8.1 试算并初选换热器规格 .27 8.1.1 确定流体通入空间 27 8.1.2 确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式27 - 2 - 8.2 计算热负荷 Q 28 8.3 计算两流体的平均温度差，并确定壳程数 .29 8.
5、4 初步选择换热器规格 .29 8.5 核算总传热系数29 8.5.1 计算管程对流传热系数 29 8.5.2 计算壳程对流传热系数30 8.5.3 确定污垢热阻 31 8.5.4 计算总传热系数31 8.6 计算压强降 .31 8.6.1 计算管程压强降31 8.6.2 计算壳程压强降32 8.7 换热器主要结构尺寸33 8.7.1 管子的规格和排列方法33 8.7.2 管程和壳程数的确定33 8.7.3 外壳直径的确定33 8.7.4 折流板形式的确定34 8.7.5 主要附件的尺寸设计34 9 筛板塔设计计算结果 .36 9.1 筛板塔的主要结果汇总 .36 9.2 换热器工艺设计计算结
6、果汇总表 .37 附表 主要符号说明 38 参考文献 .39 致 谢 .40 - 3 - 前言 化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大 部分是均相混合物。生产中为满足需求将混合物分离成较纯的物质。互溶液体混合物 的分离有多种方法，精馏是其中最常用的一种，在化工、炼油、石油化工等行业中得 到广泛应用，它利用混合液中各组分的挥发性不同来实现分离目的的。在操作中，将 混合液体部分汽化，沸点低，挥发性能好的组分（轻组分）较沸点高，难挥发组分 （重组分）更易汽化进入气相，结果使液相中难挥发组分的含量提高，再将汽化的部 分蒸汽部分冷凝，即使得到轻组分含量高于原混合液的产品，从
7、而得到了分离。该过 程同时也是传质传热的过程。 在本设计中我们采用的是筛板塔，其最大的优点是结构简单造价低。合理的设 计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高采用筛板塔可解决堵塞问 题适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后通过大量 的工业实践逐步改进了设计方法和结构，近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传 质设备为减少对传质的不利影响可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降 低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳刚 的比率较少。实际操作表明，筛板塔在一定程度的漏夜状态下操作使其板效率明显下 降其操作的负荷范围较袍罩塔
8、窄，但良好的塔其操作弹性仍可达到 3-4。 蒸馏是分离均相混合物的单元操作。精馏是最常用的蒸馏方式。是组成化工生 产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的 就是为了哦诶样综合运用所学知识来解决实际化工问题的能力，做到能独立进行化工 设计初步训练，为以后从事设计工作打下坚实基础。 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热 量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作 的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。管壳式换热器又称列管式换热 器，它适用于冷却、冷凝、加热、换热、再沸、蒸发和废热回收等方面。
9、由于其具有 结构牢固、操作弹性大、可靠程度高、适应性强、适用范围广等优点，所以在工程上 有广泛使用，特别在高温高压下，列管换热器将继续获得发展。列管式换热器的基本 结构主要有：固定管板式，浮头式换热器，U 形管式换热器，填料函式换热器，薄管 板换热器。 本设计为浮头式列管换热器的设计。浮头式换热器是用法兰把管束一端的管板 固定到管壳上，另一端管板可以在壳体内自由伸缩并在这端管板上加一顶盖后成为 “浮头” 。它是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。其优点是：管 束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压工作，一 般温度450，压力6.4MPa；可用于结垢较严重
10、的场合；可用于管程易腐蚀的场 合。缺点：小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高 20%；结构复杂。 - 4 - 乙醇-水精馏塔工艺设计与原料液预热器选型设计 摘要摘要：筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对乙醇-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、生产操作条件及物性参数是合理的， 以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。此外对原料液预热器进行选型设 计。 关键词关键词：筛板塔，精馏段，提馏段，预热器 Ethanol-water distillation process desi
11、gn and material liquid selection and design of preheater Abstract: Sieve plate tower is the main chemical production gas-liquid mass transfer equipment, the design for the ethanol water distillation problem analysis, selection, calculation, accounting, drawing, is a complete distillation design proc
12、ess. Through the distillation tower operation, can draw the distillation tower design such as tower process, production operating conditions and physical parameters is reasonable, to ensure the smooth process of distillation and to improve efficiency as much as possible. In addition, selection of de
13、sign of the material liquid preheater. Key word:Sieve plate tower, distillation section, stripping section, preheater - 5 - 1 设计方案的确定及流程说明 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 2.36t/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，选用筛板塔。 乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后， 部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至
14、贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供 热，塔底产品经冷却后送入贮槽。 精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器 等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由 冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。 乙醇水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板 上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回 流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。 - 6 - 图 1-1 工艺流程图 2 精馏塔的物料衡算 2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 乙醇的摩尔质量 =46kg/kmol A M 水的摩尔质量
15、=18kg/kmol B M 进料摩尔分数 243 . 0 1855 . 0 4645 . 0 4645 . 0 F x 塔顶摩尔分数 839. 0 1807 . 0 4693 . 0 4693. 0 D x 塔釜摩尔分数 020 . 0 1895 . 0 4605 . 0 4605 . 0 w x 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量 =0.243 46+（1-0.243） 18= 24.80kg/kmol F M M= 0.83946+ (1-0.839) 18=41.49kg/kmol D M=0.02046+（1-0.020）18=18.56kg/kmol W - 7 - 总物
16、料衡算 WDF 易挥发组分物料衡算 F = D + WW F x D x 由上式联立得到 272 . 0 020 . 0 839 . 0 020 . 0 243 . 0 WD WF XX XX F D h/kg2361 24300 17000000 处 G hkmol M G F /21.95 80.24 2361 处 hkmoiFD/90.25272 . 0 3 塔板数的确定 3.1 理论板层数的求取 3.1.1 相对挥发度的求取 由，再根据表 3-11任取十组数据可得到不同温度下的挥发度，见 )1 ( )1 ( AA AA yx yx 表 3-2。 表 3-1 乙醇-水的 t-x-y 表 沸点沸点 t/C 乙醇分子
