乙醇混合物化工原理設計方案

乙醇混合物化工原理設計方案設計計算1設計方案選定本設計任務為分離水－乙醇混合物。原料液由泵從原料儲罐中引出,在預熱器中預熱至84℃后送入連續(xù)板式精餾塔〔篩板塔,塔頂上升蒸汽流采用強制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液,其余作為產(chǎn)品經(jīng)冷卻至25℃后送至產(chǎn)品槽；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供氣相流,塔釜殘液送至廢熱鍋爐。

1精餾方式：本設計采用連續(xù)精餾方式。原料液連續(xù)加入精餾塔中,并連續(xù)收集產(chǎn)物和排出殘液。其優(yōu)點是集成度高,可控性好,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。由于所涉濃度圍乙醇和水的揮發(fā)度相差較大,因而無須采用特殊精餾。2操作壓力：本設計選擇常壓,常壓操作對設備要求低,操作費用低,適用于乙醇和水這類非熱敏沸點在常溫〔工業(yè)低溫段物系分離。3塔板形式：根據(jù)生產(chǎn)要求,選擇結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,造價低廉的篩板塔,篩板塔處理能力大,塔板效率高,壓降較低,在乙醇和水這種黏度不大的分離工藝中有很好表現(xiàn)。4加料方式和加料熱狀態(tài)：加料方式選擇加料泵打入。5由于蒸汽質(zhì)量不易保證,采用間接蒸汽加熱。6再沸器,冷凝器等附屬設備的安排：塔底設置再沸器,塔頂蒸汽完全冷凝后再冷卻至65度回流入塔。冷凝冷卻器安裝在較低的框架上,通過回流比控制期分流后,用回流泵打回塔,餾出產(chǎn)品進入儲罐。塔釜產(chǎn)品接近純水,一部分用來補充加熱蒸汽,其余儲槽備稀釋其他工段污水排放。3.2精餾塔的物料衡算原料液處理量為200t/d,塔頂產(chǎn)品純度90%。原料70%〔w/w乙醇水溶液,釜殘液含乙醇0.1%〔w/w的水溶液。分子量M水=18kg/kmol；M乙醇=46kg/kmol。1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率原料摩爾分數(shù)：xF=〔0.70/46/<0.70/46+0.30/18>=0.4773塔頂摩爾分數(shù)：xD=〔0.9/46/〔0.9/46+0.1/18=0.779塔釜殘液的摩爾分數(shù)：xW=<0.001/46>/<0.001/46+0.999/18>=0.0004原料及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.4773*46+<1-0.4773>*18=31.363kg/kmolMD=0.779*46+<1-0.779>*18=39.812kg/kmolMW=0.0004*46+<1-0.0004>*18=18.0112kg/kmol物料衡算原料的處理量F=200*1000/31.363/24=265.706kmol/h總物料衡算F=D+W乙醇的物料衡算解得：塔頂采出量D=162.852kmol/h塔底采出量W=102.854kmol/h3.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1.理論塔板數(shù)NT的求取=1\*GB2⑴確定回流比R乙醇—水屬于理想物系,可采用圖解法求回流比R和理論塔板數(shù)。⑵確定理論塔板數(shù)。結(jié)果見上圖,得理論塔板數(shù)NT=10塊〔不包括再沸器,精餾段5塊,提餾段5塊〔不包括再沸器2．精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算.1精餾段、提餾段平均溫度計算用拉格朗日差值法,求2.密度的計算已知：混合液密度〔為質(zhì)量百分率混合氣密度〔為平均相對分子質(zhì)量精餾段：液相組成:氣相組成：3氣液相平均摩爾質(zhì)量分別為提餾段：液相組成：氣相組成：所以,氣液相平均摩爾質(zhì)量分別為4液體平均表面力的計算

塔頂表面平均力由T=78.35℃查手冊由插值法得：

σ水=62.9mN/m,σ乙醇=18.0mN/mσmd=18.0×0.779+62.9×<1-0.779>=27.923mN/m

進料板的表面力由T=80.047℃查手冊得：

σ水=61.8×103N/m,σ乙醇=18.28×103N/m

σmF=18.28×0.4773＋61.8×<1-0.4773>＝41.028mN/m

精餾段的液相平均表面力

σLM1=〔27.923+41.028/2=34.475mN/m塔釜表面力由T=99.905查圖表得：σ水=58.9σ乙醇=15.3σmw=15.3*0.0004+58.9*〔1-0.0004=58.883提餾段的液相平均表面力σLM2=<σmF+σmw>/2=49.956

5混合物黏度的計算對乙醇,有黏度公式：精餾段：t1=79.2根據(jù)插值法可得：μ1=μ乙醇1*x1+μ水1*〔1-x1=0.5*0.5916+0.357*〔1-0.5916=0.4416提餾段：t2=89.976,μ2水=0.321,μ2乙醇=0.429

μ2=μ乙醇2*x2+μ水2*〔1-x2=0.429*0.0637+0.321*〔1-0.0637=0.32796相對揮發(fā)對的計算相對揮發(fā)對精餾段：x1=0.5916y1=0.6938a1=1.564提餾段：x2=0.0637y2=0.3546a2=8.0767全塔效率和實際塔板數(shù)8操作壓強故進料板為從塔頂往下的第6層理論板即=6總理論板層數(shù)NT=10不包括再沸器塔頂壓強：PD=101.3kpa取每層塔板壓降:ΔP=0.7kpa則進料板壓力:PF=101.3+0.7*10=108.3KPa塔釜壓力:Pw=101.3+0.7*22=116.7kpa則精餾段的平均操作壓強:Pm1=<101.3+108.3>/2=104.8提餾段的平均操作壓強:Pm2=<116.7+108.3>/2=112.59>精餾塔各組分的密度氣相平均密度由計算：精餾段的氣相平均密度：=104.8*37.43/8.314/<79.2+293.15>=1.27提餾段的氣相平均密度：=112.5*27.93/8.314/<90+273.15>=1.04液相的平均密度由計算〔1.對于塔頂tD=78.35查文獻,質(zhì)量分率aB=1-aA=0.1則=769.2〔2.對于進料板tF=80.047查文獻,質(zhì)量分率則〔3.對于塔釜查文獻,質(zhì)量分率則則精餾段的液相平均密度：提餾段的液相平均密度：10>氣液相體積流量計算精餾段：R=2.62L=DR=426.672L’=L=426.672V=<R+1>D=3.62*162.852=589.524V=V’+FV’=V-F=323.82體積流量草稿紙3提餾段：體積流量4.25塔徑和塔高的計算塔徑的初步設計取板間距,板上液層高度,安全系數(shù)。精餾段：流動參數(shù)草稿紙4查史密斯關(guān)聯(lián)圖則塔徑,圓整塔截面積實際空塔氣速提餾段：流動參數(shù)查史密斯關(guān)聯(lián)圖則塔徑,圓整塔截面積實際空塔氣速5.2精餾塔有效高度的計算精餾段的有效高度

Z精=〔N精-1HT=<10-1>×0.45=4.05m提餾段的有效高度

Z提=〔N提-1HT=〔13-1×0.45=5.4m

在進料板的上方開人孔其高度為φ=0.8m,故精餾段的有效高度為：

Z=Z精+Z提+0.8=10.25︽11m6.塔板主要工藝尺寸的計算

6.1溢流裝置的計算：因塔徑和流體量適中,選取單溢流弓形降管。⑴堰長取=0.66*D=0.66*1.9=1.25m⑵溢流堰高度由選用平直堰,堰上液層高度采用弗蘭西斯溢流堰經(jīng)驗公式求堰上液層高度精餾段：草稿5堰高提餾段：堰高⑶弓形降液管寬度和截面積由查《化工原理課程設計》圖5-7得

故驗算液體在降液管中的停留時間,精餾段,草稿紙6提餾段,故降液管符合要求。⑷降液管底隙高度故降液管底隙高度設計合理6.2塔板布置⑴邊緣寬度的確定,查《化工原理課程設計》取Wc=0.05m,所以開孔的面積代入式中解得：=2.05⑵篩孔的計算篩孔的孔徑,孔中心距t為依式計算塔板上的篩孔數(shù),即2638孔,0.76換成2.05依式計算塔板上開孔區(qū)的開孔率,即每層塔板上的開孔面積為=0.101*2.05=0.207氣體通過精餾段篩孔的氣速u0=Vs/Ao=4.826/0.207=23.31氣體通過提餾段篩孔的氣速u’=v’/Ao=2.416/0.207=11.674.5篩板的流體力學驗算4.5.1氣體通過篩板壓強降相當?shù)囊褐叨染s段：干板壓強降相當?shù)囊褐叨纫纃0/δ=10/3=3.33查圖,得c0=0.73草稿7氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?.282.57查圖得板上液層充氣系數(shù)為0.57則克服液體表面力壓強降相當?shù)囊褐叨?.0018故=0.0845+0.04275+0.0018=0.129單板壓強降=0.129*781.43*9.81=988.89提餾段：干板壓強降相當?shù)囊褐叨炔閳D,得c0=0.730.015氣流穿過板上液層壓強降相當?shù)囊褐叨?.92=0.92*1.04的開方=0.938查圖得板上液層充氣系數(shù)為則克服液體表面力壓強降相當?shù)囊褐叨?.0023故=0.015+0.0435+0.0023=0.06單板壓強降=0.06*875.8*9.81=515.4964.5.2精餾段霧沫夾帶量的驗算精餾段：故精餾段在設計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。提餾段:故提餾段在設計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。4.5.3漏液的驗算精餾段：篩板的穩(wěn)定性系數(shù)故精餾段在設計負荷下不會產(chǎn)生過量漏液。提餾段：篩板的穩(wěn)定性系數(shù)故提餾段在設計負荷下不會產(chǎn)生過量漏液。4.5.4液泛驗算為防止降液管液泛的發(fā)生,應使降液管中清液層高度。精餾段：草稿8取故,在設計負荷下不會發(fā)生液泛。提留段：取故,在設計負荷下不會發(fā)生液泛。根據(jù)以上塔板的各項流體力學驗算,可認為精餾塔塔徑及各工藝尺寸是合適的。4.6塔板負荷性能圖4.6.1霧沫夾帶線草稿9其中,精餾段：近似取取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣,已知解得提餾段：近似取則取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣,已知解得精餾段0.000065.8770.00155.5540.0035.3390.00455.1590.0094.7120.0154.222提餾段0.000066.2770.00155.9140.0035.6730.00455.4710.0094.9690.0154.419依表中數(shù)據(jù)在圖中作出霧沫夾帶線〔1。4.6.2液泛線聯(lián)立式及式得草稿10近似取,,由式得,故,由式由式精餾段：提餾段：由式及式得精餾段：故由式提餾段：故由式精餾段0.000060.4200.00150.3680.0030.3000.00450.206提餾段0.000060.6730.00150.5980.0030.5130.00450.406依表中數(shù)據(jù)在圖中作出液泛線〔2。4.6.3液相負荷上限線取液體在降液管中停留時間為則依上式在圖中作出液相負荷上限線〔3。由圖得知液相負荷上限線〔3在坐標圖上為與氣體流量無關(guān)的垂直線。4.6.4漏液線〔氣相負荷下限線精餾段：提餾段：精餾段0.000060.79830.00150.83510.0030.85870.00450.8780提餾段0.000060.94710.00150.99680.0031.02860.00451.0545依表中數(shù)據(jù)在圖中作出氣相負荷下限線〔4。4.6.5液相負荷下限線取平堰、堰上液層高度作為液相負荷下限條件,取,則整理上式得,依上式在圖中作出液相負荷下限線〔5。由圖得知液相負荷下限線〔5在坐標圖上為與氣體流量無關(guān)的垂直線。由塔板負荷性能圖可以看出：在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點P處在適宜操作區(qū)的適中位置；塔板的氣相負荷上限完全由物沫夾帶控制,操作下限由漏液控制；按固定的液氣比,由圖可查出塔板的氣相負荷上限,氣相負荷下限精餾段操作彈性提餾段操作彈性五、精餾塔附屬設備的設計選型1、換熱器的計算與選型換熱器包括塔頂全凝器、塔底再沸器、原料加熱器,下面分別對各個換熱器進行計算并且選取適合的設備型號。塔頂全凝器假設本設計塔頂采用泡點回流,用25oC的冷卻水循環(huán)冷卻,冷卻水升溫15oC；操作方式為逆流操作。塔頂溫度78.35oC,冷卻水溫度變化為25oC40oC。查圖可知78.35oC下乙醇和水的汽化熱分別為：857kJ/kg=857×46.07=39482kJ/kmol2357kJ/kg=2357×18.02=42473kJ/kmol逆流：塔頂t78.35oC78.35oCoC水t40oC25oC53.35oCoC對塔頂冷凝部分混合物〔溜出液進行熱量衡算,可得到0.1638*[0.779*39482+<1-0.779>*42473]=6575.425kJ/s有機物蒸氣冷凝器設計選用的總體傳熱系數(shù)一般圍為500～1500kcal/<m2.h..oC>本設計中取K＝1000kcal/<m2.h..oC>=2296KJ/<m2.h.oC>所以傳熱面積：m21.2原料加熱器原料液用飽和蒸汽加熱<αF=70%>,逆流操作,原料液溫度從25oC升高到80.047oC。oC,20oC,oC不同溫度下乙醇和水的比熱容為,經(jīng)查圖〔上冊510頁可知oC時2.37kJ/<kg.k>4.179kJ/<kg.k>oC時3.56kJ/<kg.k>4.19kJ/<kg.k>α則平均比熱容為：kJ/<kg.k>kJ/<kg.k>3kJ/<kg.k>所以kJ/s傳熱系數(shù)取K=2996KJ/<m2.h.oC>則m2塔底再沸器選用120oC飽和水蒸氣加熱,逆流操作,傳熱系數(shù)取K＝2996J/<m2.h.oC>,料液溫度變化：99.905oC100oC,蒸汽溫度變化：120oC120oC,oC,20oC,20.05oC。查圖可知99.905oC下乙醇和水的汽化熱分別為：803kJ/kg=803×46.07=36994kJ/kmol2257kJ/kg=2257×18.02=40671kJ/kmol589.524/3600*[0.0004*36994+0.9996*40671]=6661.3kJ/s所以傳熱面積：399.2m22.接管2.1原料進料管進料管的結(jié)構(gòu)類型很多,有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。本設計采用直管進料管,管徑計算如下：,取=1.6m/s,該溫度下kg/m3m3/s=m=48mm查標準,選取熱軌無縫鋼管〔GB8163-87規(guī)格：選取2.2回流管采用直管回流管,?。?.6m3/s,料液冷凝后溫度為78.35℃,查得該溫度下乙醇和水的密度分別為740kg/m3972.87kg/m3,所以kg/m3體積流速：426.672/3.6×[0.779×46+<1-0.779>×18]/769.2=0.00613m3/s=m=70mm查標準,選取熱軌無縫鋼管〔GB8163-872.3塔頂蒸氣出料管塔頂蒸汽密度：則蒸汽流量：V＝0.1638×42.13/1.44＝4.7m3/s,直管出氣,取出氣氣速u=25m/s,則m=240mm。2.4塔釡出料管采用直管出料,取＝1.6m/s,塔釡出料溫度為99.905℃,查得該溫度下乙醇和水的密度分別為710kg/m3958.4kg/m3,所以平均密度：958.3kg/m3體積流速：37.6×〔0.0004×46+0.9996×18/958.3=1.93×10-3m3/s=24mm2.5再沸器蒸氣出氣管采用直管出料,?。?5m/s,采用間接水蒸氣加熱=18kg/kmol蒸氣密度：kg/m332.778×18/0.595=9.79m3/sm=499mm3、儲槽3.1原料液儲槽原料液的存儲量是要保證生產(chǎn)能正常進行,主要根據(jù)原料生產(chǎn)情況及供應周期而定的.一般說來,應保證在儲槽裝液60％～80％,如不進料仍能維持運作24小時.取裝料60％～80％是因為在工業(yè)中為了安全,儲槽一般要流出一定的空間.該設計任務中,取儲槽裝料70％,即裝填系數(shù)為0.7。原料液溫度為t=25℃,此時進料液中各物料的物性是：793.6kg/m3m3/s所需的儲槽體積：m3取359m33.2中間槽中間槽是儲存回流量及出料的儲罐。乙醇精餾過程為連續(xù)生產(chǎn),中間槽的設計依據(jù)是中間槽裝液60％～80％能保持至少1～2個小時的流量,該設計任務中,槽裝液70％,即取安全系數(shù)為0.7,保持流量2小時。標準號為JB1422-74。4、泵的選型計算該工藝流程有兩個主要的泵裝置,一個為進料泵,負責把液體打進填料塔；另一個為回流泵,負責把回流液打回塔重新進行精餾.由于所設計的泵用于輸送化工液體,與一般泵不同,它要求泵操作方便,運行可靠,性能良好和維修方便.泵的選型首先要根據(jù)被輸送物料的基本性質(zhì),包括相態(tài)、溫度、粘度、密度、揮發(fā)性和毒性等,還要考慮生產(chǎn)的工藝過程、動力、環(huán)境和安全要求等條件.在流量小而壓頭高、液體又無懸浮物且粘度不高的情況下,選用旋渦泵較為適宜.4.1進料泵進料液泵揚程計算：〔為提餾段高度,h為塔支座高度取塊塔板高0.45m,=12×0.45＝5.4m；考慮到再沸器,裙座高度取3m；則H=2×<5.4+3>＝16.8m。原料進料密度為793.6kg/m3,安全系數(shù)取1.3,則流量可計算為：m3/h在此條件下采用IS型單級單吸離心泵,型號：IS80-65-125.其性能參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n＝2900r/min,流量Q=30m3/h,揚程H＝22.5m,效率＝64％,軸功率2.87KW.<2>回流泵回流泵揚程計算：〔為精餾段高度,h為塔支座高度,取塊塔板高0.45m,=9×0.45＝4.05m；塔支座高度取3m；則H=2×<4.05+3>＝14.1m。由前面計算可知,回流液密度為769.2kg/m3,0.00613m3/s安全系數(shù)取1.3,則流量可計算為：m3/h。在此條件下采用IS型單級單吸離心泵,型號：IS80-65-125.其性能參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n＝2900r/min,流量Q=50m3/h,揚程H＝20m,效率＝75％,軸功率3.63KW。5、溫度計根據(jù)該設計任務,溫度圍在150℃。根據(jù)文獻,可選用鎳鉻－銅鎳<WRKK>型熱電偶,分度號為E,套管材料1Cr18Ni9Ti,外徑d=2mm,測量圍0－300℃,允差值3℃,最高使用溫度700℃,公稱壓力P≤500kgf/cm2。也可選用WRK－240型隔爆鎳鉻－銅鎳熱電偶,分度號E,結(jié)構(gòu)特征：固定螺紋安裝,測溫圍0－600℃,公稱壓力P100kgf/cm2。6、壓力計選用壓力測量儀表時,要考慮其量程、精度及介質(zhì)性質(zhì)和使用條件因素,該設計任務壓力不高、變動不大,工業(yè)用精度要求為1.5至2.5級,介質(zhì)無腐蝕性不易堵塞。壓力表安裝的地方,應力求避免振動和高溫的影響,取壓管的墻面與設備或管道的壁應平整,無凸出物或毛刺以保證正確取得靜壓力。被測介質(zhì)溫度超過60℃時,取壓口至閥門見或閥門至壓力表間應有冷凝管。根據(jù)該設計任務,查閱文獻,現(xiàn)選用TG－1200,測量圍為0－1200mmH2O.精度等級1.5,最大工作壓力6kgf/cm2。7、液位計7.1原料槽液位計該設計任務中,原料槽采用臥式橢球形封頭容器,筒體公稱直徑3m,故所選液位計測量圍大致在0～3m,希望實現(xiàn)自動控制,查閱文獻〔4,可選用ULF-2型電遠傳翻板式液位計,該液位計能就地指示和遠傳液位,可與ULFX-2型液位數(shù)字顯示報警儀配套使用.ULF-2-HⅢC防爆遠傳翻板液位計和ULF-2-HⅢC防爆液位數(shù)字顯示報警儀配套使用,可用于爆炸危險場合的液位測量.ULFX-2,ULF-2-HⅢC適合在環(huán)境溫度－10℃～40℃和相對濕度不大于80%下使用,電源電壓為220V,50Hz.7.2中間槽液位計浮筒式液位計,UTQ型氣動浮筒式液位測量儀是對工業(yè)生產(chǎn)過程中容器液位或界面實現(xiàn)就地指示和調(diào)節(jié)基地式液位儀表.調(diào)節(jié)帶變送的UTQ型氣動浮筒式液位測量儀可作為現(xiàn)場的液位變送單元與QDZ－Ⅱ型氣動單位組合儀表配套使用,實現(xiàn)控制室的集中控制.根據(jù)該設計任務,UTQ－151型氣動浮筒液位條件變送器,結(jié)構(gòu)形式：浮筒,頂置法蘭.8流量計化工過程中需經(jīng)常對物料進行流量和總量的測量.流量是指單位時間通過的物料量.所選依據(jù)主要為介質(zhì)的性質(zhì)及流量測量圍.針對該設計