乙醇精馏塔设计_毕业设计(编辑修改稿)

乙醇精馏塔设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

低了主精馏塔的负荷，并目常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源， 所以三塔精馏既节约蒸汽，又节省冷却水。 （ 2）蒸汽消耗。 在消耗方面，由于常压塔加压塔的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏的蒸汽消耗相比双塔精馏要低。 （ 3）产品质量。 三塔精馏制取的精乙醇纯度较高，含有的有机杂质相对较少。 （ 4）设备投资。 三塔精馏的流程较双塔精馏流程要复杂，所以在投资方面，同等规模三塔精 馏 的设备投资要比双塔精馏高出 20%～ 30%。 （ 5）操作方面。 由于双塔精馏具有流程简单，运行稳定的特点，所以在操作上较三塔精馏要方便简单。 本设计中乙醇产量为 20 万 t/a，属于中型产量， 由于生产能力小，蒸汽消 耗量对全厂成本及蒸汽平衡影响比较小，可选用二塔流程。 乙醇与水共沸 物 浓度为 %，双塔精馏大可满足精馏纯度的要求。 通过上述比较可知，三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高出 20%到 30%。 乙醇精馏综合考虑各项因素，所以设计可采用 双塔精馏工艺。 粗乙醇降压到 后人闪蒸槽，释放出溶解在粗乙醇中的大部分气体，出来的粗乙醇则进入精馏塔。 其中一个塔为粗馏塔，另一个为精馏塔，两塔之间不直接连通，互相影响较小，操作方便。 乙醇混合液首先通过蒸发得到一定浓度的乙醇溶液，再通过精馏系统达到乙醇的共沸浓度，最后通过分 子筛脱水得到无水乙醇。 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 5 精馏塔是粗乙醇精馏工序的关键设备，它直接制约着生产装置的产品质量、消耗、生产能力及对环境的影响。 所以要根据企业的实际条件选择合适的高效精馏塔。 目前常用的精馏塔主要有四种塔型：泡罩塔，浮阀塔，填料塔和新型垂直筛板塔。 其各自结构及特点如下： （ 1）泡罩塔 泡罩塔十多层板式塔，每层塔板上装有一个活多个炮罩。 该类型塔塔板效率高，操作弹性大，塔阻力小，但单位面积的生产能力低，设备体积大，结构复杂，投资较大。 该塔已经逐渐被其他塔代替。 （ 2）浮阀塔 浮阀塔的塔板结构与泡 罩相似，致使浮阀代替了泡罩及其伸气管。 该类型塔板效率高，单位面积生产能力大，造价较低。 但浮阀易损坏，维修费用高。 （ 3）填料塔 填料塔是在塔内装填新型高效填料，如不锈钢网波纹填料，每米填料相当 5 块以上的理论板。 塔总高一般为浮阀塔的一半。 该塔生产能力大，压降小，分离效果好，结果简单，维修量极小，相对投资较小，是目前使用较多的塔型之一。 （ 4）新型垂直筛板塔 新型垂直筛板塔的传质单元，是由塔板开有升气孔及罩于其上的帽罩组成。 该塔传质效率高，传质空间利用率好，处理能力大，操作弹性大，结构简单可靠， 抗结垢、防堵 塞性能好 ,由于操作气速高，气流自清洗能力强且升气孔直径大，很不容易堵塞，投资省，传质单元的间距较大，便于布置加热和冷却排管。 板上液面梯度小，液面横向混合好、无流动及传质死区。 综合比较上面四种塔，可以知道 浮阀 塔和新型垂直筛板塔性质更加优越，同时 浮阀塔技术更 成熟 ，操作简单，而且维修费用较低，所以设计选用了 浮阀 塔。 乙醇精馏流程 精馏系统采用双塔蒸馏流程，其中一个塔为粗馏塔，另一个为精馏塔，两塔之间不直接连通，互相影响较小，操作方便。 乙醇混合液首先通过蒸发得到一定浓度的乙醇溶液，再通过精馏系统达到乙醇的 共沸浓度，最后通过分子筛脱水得到无水乙醇。 来自合成工段的粗乙醇，经减压进入粗乙醇贮槽。 经粗乙醇预热器加热到 45℃ 后进入预精馏塔。 从塔顶出来的气体先经过一级冷凝器冷却，冷凝液体进入预精馏塔回流槽，通过预塔回流泵回流到预精馏塔顶部，未冷凝气体进入二级冷凝器，其中不凝气体通过预塔水封放空。 其中冷凝液进入二级冷凝液储槽，进行脱盐水萃取，萃取后的乙醇水进入预精馏塔回流槽进行回流，预塔回流槽中需要通过碱液泵加入 2%到 5%的碱液，用于防腐蚀。 在预塔中脱除轻馏分后进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，从塔顶或侧线 采出。 经精馏乙醇冷却器冷却至常温后，通 过分子筛脱水得到无水乙醇。 塔底的废水经常压塔废水冷却器冷却，并经过常压塔废水泵送到废水处理工段，工艺流程如图 21：123大学 2020届本科毕业论文（设计） 6 图 21 精馏段工艺流程图 Figure 21 Flow chart of rectifying section 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 7 第 三 章 物料和能量衡算 物料衡算 粗乙醇精馏的物料平衡计算 (1) 进料 ： kg/h。 根据以上计算列表 31： 表 31 进料量 Table 31 feed rate 组分 乙醇 乙醛 异丁醇 水 合计 流量： kg/h 25000 10652 组成： (wt)% 100 ：据资料，碱液浓度为 8%时，每吨粗乙醇消耗 kg 的 NaOH。 则消耗纯 NaOH：   换成 8%为： ：据资料记载。 软水加入量为粗乙醇的 20%计，则需补加软水：  20%－  (1－ 8%)=据以上计算列表 32： 表 32 预塔进料及组成 Table 32 Pretower feeding and position 物料量： kg/h C2 H5OH H2O NaOH CH3CHO C4H9OH 合计 粗乙醇 25000 10652 碱液 软水 合计 25000 (2) 出料。 乙醇： 25000kg/h。 粗乙醇含水： 10652kg/h 碱液带水： kg/h 补加软水： kg/h 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 8 合计： ： ： 由以上计算列表 33： 表 33 预塔出料流量及组成 Table 33 Pretower discharge flow rate and position 物料量 kg/h C2 H5OH H2O NaOH CH3 CHO C4H9OH 合计 塔顶 塔底 25000 合计 25000 主塔的物料平衡计算 (1) 进料 预后粗乙醇： (2) 出 料 主塔塔釜液中的乙醇占乙醇总量的 %。 塔顶乙醇含量 94%（质量分数）（经分子筛脱水后达到 %）： 塔顶出料： G顶 94 %=25000%% 则塔顶出料 G顶 = 塔釜 G醇 =25000%=125kg/h G水 =(%) =表 34 塔釜组成 Table 34 tower reactor ponents 塔釜 乙醇 水 NaOH 高沸物 塔釜 kg/h 125 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 9 总出料：由以上计算，得表 34 甲醇精馏塔物料平衡汇总表：单位： kg/h，总物料为 25000+++=得乙醇精馏塔物料平衡汇总表 35： 表 35 乙醇精馏塔物料平衡汇总表 Table 35 Summary of ethanol distillation column material balance 物料 总物料 塔顶出料 塔釜出料 乙醇 25000 24875 125 NaOH 水 高沸物 合计 主精馏塔能量衡算 带入热量计算 查《化工工艺设计手册》，乙醇露点温度 t=78℃ 操作条件：塔顶 ℃ ，塔釜 100℃ ，进料温度 ℃ ，回流液温度 40℃ ，取回流液与进料的比例为 :1。 带入热量见表 36： Q 入 =Q 进料 +Q 回流液 +Q 加热 = 4993800++1942102 +Q 加热 = 12913417+ Q 加热 表 36 主塔入热 Table 36 the heat bring into the main column 物 料 进 料 回流液 加热蒸汽 组分 乙醇 水 +碱 乙醇 流量： kg/h 25000 温度： ℃ 40 比热： kJ/kg℃ 热量 :kg/h 4993800 1942102 Q 加热 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 10 带出热量计算 所以 Q 出 ＝ 25834230＋ ＋ 30750＋ ＋ 5%Q 入 = +5%Q 入 带出热量见表 37： 表 37 主塔物料 带出热量 Table 37 Pylons materials bring out the heat 物料 精乙醇 回流液 残液 热损失 组分 乙醇 乙醇 乙醇 水 +碱 流量： kg/h 24875 125 温度： ℃ 100 100 比热： kJ/kg℃ 潜热： kJ/kg 热量 :kg/h 25834230 30750 5%Q 入 因为： Q 出 ＝ Q 入 所以： Q 入 = Q 出 = 所以： Q加热 = － 12913417 = 已知水蒸气的汽化热为 kJ/kg 所以 ： 需蒸汽 G3 蒸汽 =247。 = 2062kg/h 冷却水用量计算 对热流体： Q 入 ＝ Q 产品精乙醇 +Q 回流液 = 4993800+＋ 1942102=12913417kJ/h Q 出 = Q 精乙醇 (液 )+Q 回流液 (液 ) =25834230+=46509793= 46509793kJ/h Q 传 =  (15%)－ 46509793= 冷却水温： 30℃ 到 50℃ t / . 1 8 720 7 2 6 6 0 7 4 . 9 6  所以：每吨精乙醇消 耗 G3 水 =  t 水 /t 精乙醇 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 11 第 四 章 精馏塔的设计 主精馏塔的设计 表 41 乙醇精馏塔物料平衡汇总表 Table 41 Summary of ethanol distillation column material balance 物料 总物料 塔顶出料 塔釜出料 乙醇 25000 24875 125 NaOH 水 高沸物 合计 精馏塔全塔物料衡算及塔板数的确定 F：原料液流量（ kmol/s） xF ：原料液组成（摩尔分数，下同） D：塔顶产品组成（ kmol/s） xD ：塔顶组成 W：塔底残夜流量 （ kmol/s） xW ：塔底组成 原料乙醇组成： xF =18)(46250004625000 =% 塔顶组成： xD =18%941*D4694*D46%94*D ）（  =% 塔底组成： xW =181 2 55 9 6 5 4 9461 2 5 461 2 5）（ =% F= 3 6 0 0 182 5 0 0 2 8 8 0462 5 0 0 0 ）（  =D= 3600 4 8 7 5  =W= 3 6 0 0 181 2 55 9 6 5 4 9461 2 5 ）（  =123大学 2020届本科毕业论文（设计） 12 求最小回流 比 及操作回流比 采用作图法求最小回流比 ∵ 泡点进料 所以 q=1 根据 xy 图过（ Dx ， Dx ）作与气液平衡的一条切线，如图所示， 点 h（ %,%） ∴ % % inm in  DDxxR R 得： minR = 操作回流比 : m in  RR 气液相负荷 L=RD= =V=(R+1)D== kmol/s L’=L+qF=+1= kmol/s V’=V= 求操作线方程 1. 精馏段操作线： 1 111n n DRy x xRR  式中： nx —精馏段中第 n 层板下降液体中易挥发组分的摩尔分数； 1ny —精 馏段第 n+1 层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分数。 化简得： y= 1RR x+ 1xRD =+ 其中， R=L／ D 为回流比。 2. 提 馏 段方程： 39。 39。 1 39。 39。 m m WLWy x xL W L W  式中： 39。 mx —提馏段第 m层板下降液体中易挥发组分的摩尔分数； 123大学 2020届本科毕业论文（设计） 13 39。 1my —提馏段第 m+1 层板上升蒸 汽 中易挥发组分的摩尔分数。 简化得： y=WL FL qFqxWL W WqFx= 图解法求理论板 塔板、气液平衡相图 由精馏段方程可得在 y 上的交点 (0,),连接两点，得精馏段操作线。 由提馏段操作线方程任意取两个点（ ， ）、（ ,），连接两点得提馏段操作线。