分离乙醇—正丙醇二元物系浮阀式精馏塔的设计

化工原理课程设计

化工原理课程设计任务书

1.设计题目：

分离乙醇—正丙醇二元物系浮阀式精馏塔的设计 2.原始数据及条件：

进料：乙醇含量45%（质量分数，下同），其余为正丙醇 分离要求：塔顶乙醇含量99%；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，年开工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 3.设计任务：

（1） 完成该精馏塔的各工艺设计，包括设备设计及辅助设备选型。 （2） 画出带控制点的工艺流程图、塔板版面布置图、精馏塔设计条件图。

（3） 写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。

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目录

第一章 绪论 4 第二章 塔板的工艺设计 5

2.1精馏塔全塔物料衡算 5 2.2有关物性数据的计算 5 2.3理论塔板数的计算 12 2.4塔径的初步计算 14 2.5溢流装置 15 2.6塔板分布、浮阀数目与排列 16 第三章 塔板的流体力学计算 18

3.1、气相通过浮阀塔板的压降 18 3.2、淹塔 19 3.3、雾沫夹带 20 3.4、塔板负荷性能图 20 3.4.1物沫夹带线 20 3.4.2液泛线 21 3.4.3相负荷上限 21 3.4.4漏液线 22 3.4.5 相负荷下限 22 3.5 浮阀塔工艺设计计算结果 23 第四章 塔附件的设计 25

4.1接管............................................................................................................... 25 4.2筒体与封头................................................................................................... 27 4.3除沫器........................................................................................................... 27 4.4裙座............................................................................................................... 27 4.5人孔............................................................................................................... 27 第五章 塔总体高度的设计 ....................................................................................... 28

5.1塔的顶部空间高度....................................................................................... 28 5.2塔的顶部空间高度....................................................................................... 28 5.3塔总体高度................................................................................................... 29 第六章 附属设备的计算 ......................................................................................... 29

6.1冷凝器的选择............................................................................................... 28 6.2再沸器的选择............................................................................................... 31 主要符号说明.............................................................................................................. 33 参考文献......................................................................................错误！未定义书签。 总结.............................................................................................................................. 35

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第一章 绪论

精馏的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。在现代的工业生产中已经广泛地应用于物系的分离、提纯、制备等领域，并取得了良好的效益。其中主要包括板式塔和填料塔，而板式塔的塔板类型主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直塔板等等,本次课程设计是浮阀塔。

精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油,化工,轻工等工业生产中,是液体混合物分离中首选分离方法。

本次课程设计是分离乙醇—正丙醇二元物系。在此我选用连续精馏浮阀塔。具有以下特点：

(1) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。 (2) 操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。

(3) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

(4) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。 (5) 液面梯度小。

(6) 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 (7) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。

本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图，是较完整的精馏设计过程。精馏设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。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、物性参数及接管尺寸是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。 本次设计结果为：理论板数为25块，塔效率为48.0%，精馏段实际板数为17块，提馏段实际板数为33块，实际板数50块。进料位置为第19块板，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1.4米，设置了四个人孔，塔高28.58米，通过浮阀板的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。

关键词：浮阀精馏塔、物料衡算、流体力学检验

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第二章 塔板的工艺设计

2.1精馏塔全塔物料衡算

F:进料量(Kmol/s) XF:原料组成 D:塔顶产品流量(Kmol/s) XD:塔顶组成 W:塔底残液流量(Kmol/s) XW:塔底组成

45原料乙醇组成: XF=

464546?5560 =51.63%

90塔顶组成: XD=

469046?10600.01=99.23%

塔底组成: XW=

46=0.013%

0.0199.99?466025?1000?1000?(0.99467200?3600?0.0160)进料量: F=25千吨/年==0183 Kmol/s

物料衡算式:F=D+W

F XF=D XD+W XW

联立代入求解:D=0.0095Kmol/s W=0.0088 Kmol/s

2.2精馏段和提馏段的工艺条件及有关物性数据的计算

2.2.1 温度及平均相对挥发度α的计算

因为乙醇-正丙醇可视为理想物系，故塔的平均相对挥发度的确定可运用安托因方程和拉乌尔定律，采用试差法，通过Excel计算出:

lgp??A?Bt?C?? （2.1）

x?p?pB?

pA?pB （2.2）

[5]

双组分理想溶液相对挥发的计算:

??pApB?? （2.3）

式中：p—纯组分液体的饱和蒸汽压，kPa；

5

°

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t—温度，℃； A、B、C—Antoine常数。由表[5]查得；

x—液相中易挥发组分的摩尔分数； p—总压，kPa；

pA、pB—溶液温度t时纯组分A、B的饱和蒸汽压，kPa；

α—相对挥发度。

因为本设计中为常压操作，所以总压：p=104.36 kPa

乙醇和正丙醇的Antoine常数：A、B、C查液体蒸汽压的安托因常数表[5]

得：

乙醇： A=7.33827 B=1652.05 C=231.48 正丙醇：A=6.74414 B=1375.14 C=193.0

采用试差法，先在Excel中设计好相应表格，表格设计思路为：要计算某一组成下混合液的泡点温度以及相对挥发度，则在Excel中假定一t值，代入公式2.1中计算出pA°、pB°，再将计算得到pA°、pB°值代入公式2.2中，计算出相应的x值，若计算得到的x值与所求的混合液组成x值相同，则假定的t值正确，同时可得到相应的α值。

计算结果见表2.1。

表2.1 塔顶产品、塔底产品、进料液的泡点温度以及相对挥发度 塔顶产品 xD = 0.9923 tD=79.17℃ αD=2.131

(1)精馏段平均温度:t1=(2)提留段平均温度:t2=

tf?td2tf?tw2°

°

塔底产品 xW = 0.00013 tW=97.99℃ αW=2.08224 ==

79.17?86.59286.59?97.992进料液 xF = 0.5163 tF=86.59℃ αF=2.0211

=82.88℃ =92.29℃

2.2.2密度

已知:混合液密度:

1?l?aA?A?aB?B（?为质量分数）

混合气密度:?V?T0PM22.4TP0

塔顶温度: tD=79.17℃

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