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1、成 绩 大连民族学院 化工原理课程设计说明书 题题 目：目： 乙醇乙醇水连续精馏塔的设计水连续精馏塔的设计 设设 计计 人：人： 1104 系系 别：别： 生物工程生物工程 班班 级：级： 生物工程生物工程 121 班班 指导教师：指导教师： 老师老师 设计日期：设计日期：2014 年年 10 月月 21 日日 11 月月 3 日日 温馨提示：本设计有一小部分计算存在错误，但步骤应该没问题温馨提示：本设计有一小部分计算存在错误，但步骤应该没问题 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书 一、设计题目一、设计题目 乙醇水精馏塔的设计。 二、设计任务及操作条件二、设计任务及操作条件 1.进精馏
2、塔的料液含乙醇 30%（质量） ，其余为水。 2.产品的乙醇含量不得低于 92.5%（质量） 。 3.残液中乙醇含量不得高于 0.1%（质量） 。 4.处理量为 17500t/a，年生产时间为 7200h。 5.操作条件 （1）精馏塔顶端压强 4kPa（表压） 。 （2）进料热状态 泡点进料。 （3）回流比 R=2Rmin。 （4）加热蒸汽 低压蒸汽。 （5）单板压降 0.7kPa。 三、设备型式三、设备型式 设备型式为筛板塔。 四、厂址四、厂址 厂址为大连地区。 五、设计内容五、设计内容 1.设计方案的确定及流程说明 2.塔的工艺计算 3.塔和塔板主要工艺尺寸的设计 （1）塔高、塔径及塔板结
3、构尺寸的确定。 （2）塔板的流体力学验算。 （3）塔板的负荷性能图。 4.设计结果概要或设计一览表 5.辅助设备选型与计算 6.生产工艺流程图及精馏塔的工艺条件图 7.对本设计的评述或有关问题的分析讨论 目录目录 前言1 第一章 概述1 1.1 塔型选择1 1.2 操作压强选择1 1.3 进料热状态选择1 1.4 加热方式2 1.5 回流比的选择2 1.6 精馏流程的确定2 第二章 主要基础数据2 2.1 水和乙醇的物理性质2 2.2 常压下乙醇水的气液平衡数据3 2.3 A,B,CAntoine 常数4 第三章 设计计算4 3.1 塔的物料衡算4 3.1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分
4、率4 3.1.2 平均分子量4 3.1.3 物料衡算4 3.2 塔板数的确定4 3.2.1 理论塔板数 NT的求取.4 3.2.2 全塔效率 ET的求取.5 3.2.3 实际塔板数 N.6 3.3 塔的工艺条件及物性数据计算6 3.3.1 操作压强 Pm6 3.3.2 温度 tm6 3.3.3 平均摩尔质量 Mm6 3.3.4 平均密度 m7 3.3.5 液体表面张力 m8 3.3.6 液体粘度 Lm.8 3.4 气液负荷计算9 3.5 塔和塔板主要工艺尺寸计算9 3.5.1 塔径 D9 3.5.2 溢流装置.11 3.5.3 塔板布置.12 3.5.4 筛孔数 n 与开孔率 .13 3.5.
5、5 塔有效高度 Z13 3.5.6 塔高计算.13 3.6 筛板的流体力学验算14 3.6.1 气体通过筛板压强降的液柱高度 hp14 3.6.2 雾沫夹带量 eV的验算15 3.6.3 漏液的验算.15 3.6.4 液泛的验算.15 3.7 塔板负荷性能图16 3.7.1 雾沫夹带线（1）.16 3.7.2 液泛线（2）.17 3.7.3 液相负荷上限线（3）.18 3.7.4 漏液线（气相负荷下限线） （4）.18 3.7.5 液相负荷下限线（5）.18 3.8 筛板塔的工艺设计计算结果总表20 3.9 精馏塔附属设备选型与计算20 3.9.1 冷凝器计算.20 3.9.2 预热器计算.2
6、1 3.9.3 各接管尺寸计算.21 第四章 设计评述与心得23 4.1 设计中存在的问题及分析23 4.2 设计心得23 参考文献24 1 前言前言 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。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。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。精馏是一种最常用的分离方法，它依据多次部分汽化、多次部分冷凝的原 理来实现连续的高纯度分离。精馏是同时进行传热和传质的过程，为实现精馏过程， 需要为该过程提供物料的贮存、输送、传热、分离、控制等设备和仪表。精馏塔是 化工生
7、产中十分重要的设备。 乙醇在工业、医药、民用等方面，都有广泛的应用，是一种重要的化工原料。 在很多不同的方面，要求乙醇有不同的纯度，甚至是无水乙醇。而因为乙醇极具挥 发性，想得到高纯度的乙醇很困难。要把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，可以 用连续精馏的方法。精馏是同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，可使混合液 得到几乎完全的分离。此次化工原理设计是乙醇水精馏塔的设计。 第一章第一章 概述概述 精馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜（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。 工
8、业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质传热效率高；（3） 气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材 料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。 1.11.1 塔型选择塔型选择 任何塔设备都难以满足上述所有要求，设计者应根据塔型特点、物系性质、生 产工艺条件、操作方式、设备投资操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等 因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。1 筛板塔具有结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀 塔，塔板效率接近浮阀塔的优点。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞， 不适
9、宜处理粘性大的，脏的和带固体粒子的料液。而乙醇水料液完全可以避免这 一缺点，故本设计塔型选择筛板塔。 1.21.2 操作压强选择操作压强选择 精馏操作压强常取决于冷凝温度。一般，除热敏性物料以外，凡能通过常压蒸 馏不难实现分离要求，并能通过江河水或循环水将馏分冷凝下来的系统都应采用常 压蒸馏。故本设计操作压强为常压。 1.31.3 进料热状态选择进料热状态选择 原则上，在供热量一定情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流 2 在全塔发挥作用，即宜冷进料。但为使塔操作稳定，免受季节气温影响，精、提馏 段采用相同塔径以便于制造，则常采用泡点进料，需增设原料预热器。本设计即采 用泡点进料。
10、1.41.4 加热方式加热方式 蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽，例如蒸馏 釜残液中的主要组分是水，有时也可采用直接蒸汽，例如蒸馏釜残液中主要组分是 水， 且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时可采用直接蒸汽加热，利用压强较低的加 热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶 液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度 相应降低，故需在提馏段增加塔板以达到生产要求。本设计采用应用更广泛的间接 蒸汽加热。 1.51.5 回流比的选择回流比的选择 选择回流比，主要从经济观点出发，力求使设备费和操作费用之和最低。一般
11、经验值 R =（1.12.0）Rmin 式 R 为操作回流比；Rmin为最小回流比。对特殊物系 与场合，则应根据实际需要选定回流比。本设计参考同类生产的 R 经验值选定，确 定回流比 R = 2Rmin。 1.61.6 精馏流程的确定精馏流程的确定 乙醇、水混合料经原料预热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用 全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜 采用间接蒸汽向再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程简图如图 1 所示。 图 1 连续精馏装置流程简图 第二章第二章 主要基础数据主要基础数据 3 2.12.1 水和乙醇的物理性质水和乙醇的物理性质 乙
12、醇和水的基本参数见表 1，液相密度见表 2，液体表面张力见表 3。 表 1 水和乙醇的基本参数 名称分子式分子量沸点/临界温度/临界压强/kPa 水H2O 18.02100 373.9122.05 乙醇C2H5OH 46.0778.3 240.776.148 表 2 乙醇和水液相密度 温度/ 2030405060708090100110 乙醇密度 kg/m3 795785777765755746735730716703 水密度 kg/m3 998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0 表 3 乙醇和水液体表面张力 温度/ 20304050
13、60708090100110 乙醇表面张力 103/N/m 22.321.220.419.818.818.017.1516.215.214.4 水表面张力 103/N/m 72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9 2.22.2 常压下乙醇常压下乙醇水的气液平衡数据水的气液平衡数据 常压下乙醇水的气液平衡数据如表 4 所示 表 4 乙醇水系统 txy 数据 沸点 t， 乙醇分子， % 液相 乙醇分子，% 液相 沸点 t， 乙醇分子， % 液相 乙醇分子，% 液相 99.90.0040.0538227.356.44 99.80.040.5181.333.24
14、58.78 99.70.050.7780.642.0962.22 99.50.121.5780.148.9264.70 99.20.232.9079.8552.6866.28 99.00.313.72579.561.0270.29 98.750.394.5179.265.6472.71 97.650.798.7678.9568.9274.69 95.81.6116.3478.7572.3676.93 91.34.1629.9278.675.9979.26 4 87.97.4139.1678.479.8281.83 85.212.6447.4978.2783.8784.91 83.7517.41
15、51.6778.285.9786.40 82.325.7555.7478.1589.4189.41 2.32.3 A,B,CA,B,CAntoineAntoine 常数常数 A,B,CAntoine 常数，其值见表 5。 表 5 A,B,CAntoine 常数 第三章第三章 设计计算设计计算 3.13.1 塔的物料衡算塔的物料衡算 3.1.1 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分率 0.144 18/%)301 (46/%30 46/%30 )/MW1 (/MW /MW =x FF F F 水乙醇 乙醇 828 . 0 18/%) 5 . 921 (46/% 5 . 92 46/% 5 . 92
16、)/MW1 (/MW /MW =x DD D D 水乙醇 乙醇 00039 . 0 18/%)1 . 01 (46/%1 . 0 46/%1 . 0 / )-1/ / =x w W 水乙醇 乙醇 （MWMW MW w w 3.1.2 平均分子量 kg/kmol 22.032 = 180.144）-（1+460.144=MF kg/kmol 41.184 = 18 0.828)-(1 +460.828 =MD kg/kmol 18.011 = 180.00039)-(1+460.00039 =MW 3.1.3 物料衡算 年处理量 F=17500t/a 总物料衡算 F=D+W 易挥发组分物料衡算 FXF = DXD + WXW kmol/h32.110 kg/kmol032.22h/a7200 kg/t10t/a17500 F
