乙醇——水分离过程填料塔设计_板式蒸馏塔化工原理课程设计(编辑修改稿)

乙醇——水分离过程填料塔设计_板式蒸馏塔化工原理课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 操 作条件的确定 确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。 例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。 下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。 操作压力 蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。 确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。 例如， 采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。 对于沸点低、在常压下为气态的物 料，则应在加压下进行蒸馏。 当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。 但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。 有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。 在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。 此外，在泡点进料时 ，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。 加热方式 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。 有时也可采用直接蒸汽加热。 若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大 (如酒精与水的混合液 )，便可采用直接蒸汽加热。 直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。 这样，可节省一些操作费用和设备费用。 然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较 低，因而塔板数稍有增加。 但对有些物系 (如酒精与水的二元混合液 )，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 5 加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。 值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。 对于酒精水溶液，一般采用~（表压）。 冷却剂与出口温度 冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。 如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。 如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。 水的入口温度由气温决定，出 口温度由设计者确定。 冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。 冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过 50℃ ，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。 确定设计方案的原则 确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进 、 经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。 为此，必须具体考虑如下几点： 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务 规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。 其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。 因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。 计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。 再其次，要考虑必需装置的仪表 (如温度计、压强计，流量计等 )及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。 如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。 又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 6 所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。 同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 保证安全生产 例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。 又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。 以上三项 原则在生产中都是同样重要的。 但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。 第三章塔的工艺尺寸得计算 武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 7 精馏塔的物料衡算 摩尔分率 乙醇的摩尔质量 46 /AM kg kmol 水的摩尔质量 18 /BM kg kmol 原料液 4 0 / 4 6 0 .2 0 6 94 0 / 4 6 6 0 / 1 8Fx  塔顶 8 2 8 D 塔底产品 0 2 0 W 平均摩尔质量 原料液 0 .2 0 6 9 4 6 ( 1 0 .2 0 6 9 ) 1 8 2 3 .7 9 /FM k g k m o l      塔顶 k m olkgM D /)8 2 8 (468 2 8  塔底产品 k m o lkgM w /)0 2 0 (460 2 0  物料衡算进料处理量 进料流量 hk m o lF / 3 3243 0 1 0 0 04 0 0 0 0   物料衡算 馏出液流量 hk m o lXXFD DF / 2 0 2 8 0 2 0 0 6 ww  釜液流量 hk m o lDFW / 7 3 3  武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 8 实际回流比 最小回流比及实际回流比确定 由上图可得： 1minmin RR  R 0 m i n  RR 操作线方程 精馏段 方程 :  x 提馏段方程 :  x 理论塔板数确定 F(kg/h) wF wD wW F(kmol/h) xF xD xW MF Rmin R/Rmin R D W S L39。 V39。 武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 9 精馏段方程 R/(R+1) xD/(R+1) 提馏段方程 L39。 /V39。 Wxw/V39。 塔板数 x y [0,] [,5] [,1] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 R/Rmin N (N+1)*R 武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 10 由上图可知 : 13精TN 2提TN 15TN 实际塔板数确定 塔顶温度 : ℃ D 加料处温 度： ℃ 塔釜温度： ℃wt 精馏段平均温度： ℃  FD ttt 提馏段平均温度： ℃  wF ttt 精馏段： ℃t Ax Ay 查表可知：水粘度： SmPa 乙醇粘度： SmPa 4 3 6 1 0  BB AAy 3 6 9 )(3 5 3 9   iiL x  5 0 3 )3 6 9 (  ）（精 LTE  50 13  精精 T RP ENN 提馏段： ℃ Ax A 查表可知：水的粘度 : SP  乙醇粘度： SmPa  BB AAy )(   iiL x  2 武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 11 3 8 6 )3 2 2 4 (  ）（提 LTE  38 6 121  提提 TSP ENN 29326  提精 PPP NNN 全塔效率： 4 8 29 1151  PTT NNE 精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算 操作压力计算 取塔顶表压为 ： 4kPa。 塔顶操作压力 ： k P aP D 3 2 0 543 2 0 1  进料处压力： k P aPF  塔底操作压力： k P aPW  精馏段平均压力： k P aPm 9 7 0 52 6 2 0 63 2 0 5  提馏段平均压力： k P aPm 7 2 0 62 8 2 0 66 2 0 639。  操作温度计算 进料口 Ft ：   ℃Ft 塔顶 Dt ：   ℃ D 塔釜 Wt ：   ℃wt 精馏段平均温度 : ℃  FD ttt 提馏段平均温度 : ℃  wF ttt 平均摩尔质量计算 精馏段： k m o lkgM L /)(  k m o lkgM V /)(  武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 12 提馏段： k m o lkgM L /)(  k m o lkgM V /)3 7 8 (183 7 8  平均密度计算 求得在 1t 与 2t 下乙醇与水的密度。 不同温度下乙醇和水的密度见 下 表。 不同温度下乙醇和水的密度 温度 /℃ 乙 水 温度 /℃ 乙 水 80 735 971 95 720 85 730 100 716 90 724 精馏段平均温度 : ℃  73 573 0 8085   已 , 3/ m已 8590  水 , 3/ m水 提馏段平均温度： ℃  8085   已 , 3/ m已 8590   水 , 3/ m水 在精馏段，液相密度 1L ：   )(1L 31 / mL  气相密度 1V ： 31 /kg2 6 3 ) 7 3(3 1 9 7 0 mV   武汉工程大学 材料科学与 工程学院课程设计说明书 13 在提馏段，液相密度 2L ：   1 6 0 )0 6 9 (18460 6 9。