化工原理课程设计

化工原理。

课程设计。题目年处理64000吨乙醇-水精馏塔设计。

专业应用化学。

学生姓名。年级。

指导教师。化学与化工学院。

精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸馏，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化，经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离。精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。

精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成。

精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。

一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定地进行。而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也叫残液），一部分则经再沸器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸气气流。

实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，部分气化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的b物质，而残液是沸点高的a物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。

精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。

精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：

一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。

二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。

三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。

五：结构简单，造价低，安装检修方便。

六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。

筛板塔是板式塔的一种，内装若干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。其结构特点有：

1.结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60%左右，为浮阀塔的80%左右。

2.在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%~40%。

3.塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但低于浮阀塔。

4.气体压力较小，每板压力比泡罩塔约低30%左右。第二章设计方案的确定课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其热能的利用。

课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其热能的利用。

精馏可在常压，加压或减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压先操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。

在相同的塔径下，适当提高操作压力还可提高塔的处理能力，但增加塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度也有所下降。降低操作压力，组分的相对挥发度增大，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低温位的加热剂。

但降低压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。

故我们采用塔顶压力为常压进行操作。

进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料温度就不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，设计制造均比较方便。但泡点进料需预热，热耗很大。

在此次设计中，我们选用30°c冷夜进料。

精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量，若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样操作费用和设备费用均可降低。但在塔顶轻组分**率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需塔板数略有增加。

综合考虑，我们采用间接蒸汽加热的方式。

蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被有效利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的，但其能位较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。

此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可取得节能的效果。例如，可采用设置中间再沸器和中间冷凝器的流程。

乙醇-水精馏分离板式塔设计。

乙醇－水溶液的分离。

年处理量：64000吨进料乙醇含量：42% 操作温度：30℃

塔顶产品的乙醇含量不少于90％（质量分率）

塔底残液的乙醇含量不大于0.5％（质量分率）

每年实际生产时间 7200小时/年。

乙醇的摩尔质量：

水的摩尔质量：

处理量：64000吨/年。

进料质量分数：

塔顶馏出液质量分数：

塔底釜残液质量分数：

进料组成：

塔顶馏出液组成：

塔底釜残液组成：

进料平均摩尔质量：

塔顶馏出液平均摩尔质量：

进料量流量：

根据全塔总物料衡算式。

解得：乙醇-水属理想物系，可以采用**法求理论塔板数。由设计任务书给出的乙醇-水物系的气液平衡数据绘出 t-xy图。

乙醇-水物系的气液平衡数据。

进料热状态参数：

由化工原理教材附录可以查到常压下乙醇和水的汽化热分别为：

乙醇的汽化热：

水的汽化热：

其平均摩尔汽化热为：

当进料时，进料温度为30℃时，混合物的比热容为3.85kj/(kg/kmol）

q线方程：代入数据解得：

相对挥发度：经查表，乙醇和水的安托因常数为：

注：antoine公式：

p纯组分的的饱和蒸气压。mmhg

a b c 公式中的常数。

t热力学温度。

水：解得：p水=31.30mmhg

乙醇：解得：p乙醇=77.63mmhg

低压下乙醇，水混合体系可按近似理想体系处理，其相对挥发度可用如下公式计算。

相平衡方程为：代入数据得：

将相平衡方程与q线方程联立解得交点坐标解得：

最小回流比：

代入数据：

水的沸点：373.2k 乙醇的沸点：351.5k,该物系属易分离物系，最小回留比不大，故操作回流比取最小回流比的2倍。

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