酒精生产过程精馏塔的设计课程设计.doc
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1、第34页 共34页 9/16/2023前言3课程设计任务书4酒精精馏过程的生产方法及特点6设计方案的确定7精馏总体结构的选择和材料的选择9精馏塔的辅助设计28结束语32参考文献35前言化工原理课程设计是化工原理学习的一个重要环节,是综合应用化工原理和有关课程所学知识,完成以单元操作为主的一次设计实践。课程设计不同于平实的作业,有较强的综合性和实践性, 是理论联系实际的桥梁,要求在规定的时间内独立完成制定的化工设计任务,能使我们得到化工设计的初步训练,为毕业设计奠定基础。在设计中不仅要联系所学的理论知识,还要与生产相切合,这就要求我们在确定方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备计算时,对选择作
2、出论证和核算,经过反复的分析比较,择优选定最理想的方案和合理的设计.而严肃认真、高度严谨的学习工作态度是必不可少的。具体说通过课程设计可以在下列几个方面的能力得到较好的培养和训练: (1)查阅资料,选用公式和搜集数据的能力。在设计中有许多数据需去搜集,有些物性参数要查取或估算,计算公式也是自行选用,这就要求运用各方面的知识,详细而全面的考虑后方能确定。 (2)正确选用设计参数,树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点,同时还需考虑到操作维修的方便和环境保护的要求。也即对于课程设计不仅要求计算正确,还要求从工程的角度综合考虑各种因素,从总体上得到最佳结果。 (3)正确、迅速地进行工程计算
3、。设计计算是一个反复试算的过程,计算工作量很大,因此正确与迅速(含必要的编程能力)必需同时强调。 (4)掌握化工设计的基本程序和方法,学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设计思想。 化工原理课程设计任务书 专业班级:制药05级 姓名设计题目: 酒精生产过程精馏塔的设计 一.设计条件1、生产能力: 吨日二级酒精其中: 116号 38吨/天;1732号 48吨/天; 2、原料:乙醇含量278(W)的粗馏冷凝液,以乙醇水二元系为主; 3、采取直接蒸汽加热: 4、采取泡点进料(0501班),70进料(0502班): 5、馏出液中乙醇含量95(V),并符合二级酒精标准: 6、釜残液中乙醇含量不大于02
4、(W):7、四级酒精(含乙醇为95(V)其它无要求)的产出率为二级酒精的2;8、塔顶温度 78,塔底温度100-104;9、塔板效率0.3-0.4或更低;10、精馏段塔板数计算值 22层,工厂 32层, 提馏段塔板数计算值 10层,工厂 16层;11、二级酒精从塔第三、四、五层提取;12、二、四级酒精的冷却温度为25, 冷却水温度:进口20,出口35-40 13、回流比大致范围 3.5-4.5(通过最少回流比计算) 14、其他参数(除给出外)可自选。 二.设计说明书的内容 1、目录; 2、设计题目及原始数据(任务书); 3、简述酒精精馏过程的生产方法及特点, 4、论述精馏总体结构(塔型、主要结
5、构)的选择和材料选择; 5、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径塔板设计、进出管径等);6、设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等);7、主体设备设计计算及说明;8、主要零件的强度计算(选做); 9、附属设备的计算与选择(泵、换热器); 10、参考文献 ;11、后计及其它三.设计图要求1、 用594841图纸绘制装置图一张:一主视图,一俯视图,一剖面图,两个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。2、 用420594图纸绘制设备流程图一张;3、 用坐标纸绘制乙醇水溶液的y-x图一张,并用图解法求理论塔板数。四.设计目的1 增强专业适用性。
6、培养创新能力,树立工程意识,建立“效益”观念。2 初步了解化工设备,并进行简单的设计。3 培养学生理论结合实践,独立运用各种文献,资料的能力。4 让学生尝试运用计算机及其它学科的知识,向交叉学科方向发展,争做新世纪的工程师。5 培养同学吃苦耐劳,实事求是,求真务实,积极进取,一丝不苟的工作精神和态度。酒精精馏过程的生产方法及特点酒精精馏与化工精馏过程不同点就在于它不仅是一个将酒精浓缩的过程,而且还担负着把粗酒精中50多种挥发性杂质除去的任务,所以浓缩酒精和除去杂质的过程在酒精工业中称为精馏。物料中的杂质基本上是在发酵过程中生成的,只有很少数的杂质是在蒸煮和蒸馏过程中生成的。酒精生产工艺流程图如
7、下图所示:淀粉(红薯干、玉米)冲碎细碎润湿加压蒸馏糖化成葡萄糖发酵生成酒精(7%-8%)醪液粗馏(提馏段)酒槽、水、乙醇精馏二级酒精四级酒精杂油醇废水低沸点酮醛热水糖化酶酵母菌图: 酒精的生产工艺流程图设计方案的确定(一)装置流程的确定本设计任务为分离水乙醇混合物。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。典型的连续精馏流程是这样的:原料液(粗馏塔导来的酒精蒸气或冷凝酒精液)经预热器加热到指定的温度后,送入塔的进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后,逐板下降,最后流入塔的再沸器中。在每层塔板上,回流液体与上升蒸气互相接触,进行传质、传热。操作时,连续地从塔底再沸器取出部分液体作为塔底产品(或为
8、塔釜残液排出),部分液体气化,产生的蒸气依次上升通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部(酒精生产中则大部分)冷凝,并将部分冷凝液用泵或靠位差送回塔顶作为回流液体,其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品(馏出液体,可视质量好坏分别采出)。 连续精馏的特点是,可以连续大规模生产,产品浓度、质量可以保持相对稳定,能源利用率高,操作易于控制。(二)进料状况的选择设计任务书中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至塔内。塔顶上升蒸汽采用两个换热器对原料预热,冷凝液在泡点下一部分回流到塔内,塔顶其余的部分是设计任务书中的四级酒精,冷却后送到储罐。在第3层板上流出,并经过冷却后送至储罐。根据任务书中的要求选择
9、适当的回流比。因为塔釜中酒精的含量非常小,所以在塔釜采用直接蒸汽加热,塔底的产品可以经过适当处置排放。在本设计中,液相进塔,酒精浓度比气相进塔时要高,进料塔板上的气液两相平衡,因此当采用液相进塔时的进料位置,应比气相进料时应高23层,以防止提留段含酒多,造成精馏塔釜废液逃酒。采用液相进料时,粗馏塔顶蒸出的酒气经预热器,冷凝器变成液相,由精馏塔中部进塔,在进料层以下第2、4、6层塔板上以酒精浓度为42%(容量)左右区域内气相提取杂醇油。塔顶蒸出的酒气经第1、2、3冷凝器冷凝后回流入精馏塔顶。在第4冷凝器排除醛酒,与粗馏塔第4冷凝器排除的醛酒汇集一起,送入主发酵罐中,在塔顶下第46层塔板上液相提取
10、酒精产品,粗馏塔和精馏塔的底温一般控制在104度左右,塔顶温分别控制在95与79左右。(三)加热方式的选择 由于蒸馏釜残液中主要组分是水,且在低浓度下乙醇的相对挥发度较大,所以采用直接蒸汽加热。采用直接蒸汽加热可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用,并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入,对釜内溶液起一定稀释作用。在进了和产品纯度一定的前提下,釜液浓度相应降低,需要在提留段增加塔板以达到生产要求. (四) 回流比的选择回流比是精馏操作的重要工艺条件,其选择的原则是使设备费和操作费用最低,设计时根据实际需要确定最少回流比, 最少回流比下理论板数为无穷大,实际回流比要根据经济衡算决定,操作费用
11、和设备折旧费用和最低的回流比是最佳的。由于该物系在任务书中属于易分离物系,根据数据表1(天津大学下册P29)用origin 初步画图,在x-y平衡图上对最小回流比所在的切线确定最小回流比。切线截距:y0=2.83即有Rmin=2.004 有因为一般上有R=(1.1-2)Rmin即R=(2.204-4.01)结合本任务书中规定,在此取R=4.0精馏总体结构的选择和材料的选择各种板式塔都具有独特之处,根据具体的数据以多种角度对泡罩塔、浮阀塔、筛板塔进行比较,可以得到以下结论:(1)泡罩塔的蒸气负荷和操作弹性都比较高,液气比范围大不易堵塞,适于处理各种物料,操作稳定.但是结构复杂,造价高,板上液层厚
12、,压降大,生产能力效率低. (2)浮阀塔板在蒸气负荷、操作弹性、效率和造价等方面都比泡罩塔优越,此乃目前浮阀塔被广泛采用的原因。但浮阀塔板上的浮阀随蒸汽速度的高低上下浮动,因此会发生浮阀磨损、卡住。锈死等现象。(3)筛板塔造价较低,加工方便、压降小,生产能力大,气体分散均匀,传质效率高。可筛孔易堵塞,不宜处理易结焦粘度大的物料.但是今年来随着设计和控制水平的提高,它的操作非常精确,同时拥有浮阀塔和自身的优点.参考:大连理工大学 所以本设计采用筛板塔。筛板是在塔板上钻有均布的筛板孔,上升气流经筛孔分散,鼓泡通过液层,形成气液密切接触的泡沫层。塔的外壳为钢板焊制,以每层塔板为一节,然后用法兰连接精
13、馏塔为板式塔,内部装有塔板,降液管及各种物料进出口,还有许多附属设备(人孔,观察孔,换热器,观察孔)。对于塔板有以下要求。如:塔板具有一定的刚度,维持板的水平,塔板之间有一定的密封性,以免气体,液体短路。精馏过程的有关计算(一)物料衡算1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 MA=46.07kg/kmol水的摩尔质量 MB=18.02kg/kmol根据天津大学化工原理上册附表4 及表7 中查得 20时乙醇和水的密度分别为789kg/m3h和998.2kg/m3,故有:25时 p乙醇 p水 利用拉各朗日插值可求:p乙醇780kg/ =997.0kg/塔顶的质量分率为: 0.936 2原
14、料液及其塔顶和塔底的平均摩尔质量3物料恒算因为采用直接蒸汽加热总物料恒算F+V0=D+W (1)F+V0=D+W (2)易挥发组分的物料衡算FxF+V0y0=D xD+WxW (3)FxF+V0y0=D xD+WxW (4)式中:F,F原料液流量,kmol/h, kg/hV0,V0直接加热蒸汽的流量,kmol/h, kg/hD,D塔顶产品的流量,kmol/h, kg/hW,W塔底产品的流量,kmol/h, kg/hxF,xF原料液中乙醇的摩尔分率,质量分率y0,y0加热蒸汽中乙醇的摩尔分率,质量分率(用纯的水蒸气,则y0=y0=0)xD,xD塔顶产品中乙醇的摩尔分率,质量分率,xW,xW塔底产
15、品中乙醇的摩尔分率,质量分率直接蒸汽加热时,若塔内仍然是恒摩尔流,即是V=V0,L=W,同时采用的是泡点进料,则有:V=VqF=V=(R+1)D=5*48.57=242.85kmol/h=4469.06kg/h,L=R*D=4*48.57=194.28kmol/h 所以将R=4, D=48.57kmol/h,xF=0.131,xD=0.850,xW=0.000784代入求解得:F=320.08kmol/h W=514.36kmol/h V0=242.85 kmol/h再剩相印的摩尔质量得:F=6942.52kg/h W=9371.64kg/h D=2039.94 kg/h由F+V0=D+W 得
16、V0=1824.30kg/h将上式代入(1)(2)(3)(4)中计算即可求得其数值,见表 表:精馏塔流率表项目FV0WD质量流率,kg/h6942.524469.069371.642039.94体积流率,kmol/h320.08242.85514.3648.57(二)操作线方程精馏段操作线方程为:=L/V* +D/V*xD=194.28/242.85x+48.57/(242.58*0.850)即=0.8*x+0.170进料线(q线)方程为:x=F=0.131提馏段操作线方程为:=L/V* -W/V*xW=514.36/242.85* -514.36/(242.85*0.000784 ) 即=2
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