(完整版)年產(chǎn)45萬噸乙醇精餾工段工藝設計畢業(yè)設計.doc

1、年產(chǎn) 45 萬噸乙醇精餾工段工藝設計The Process Design of EthanolRefining Section of 450 kt/a目錄摘要 .Abstract.引言 .第一章緒論 .1.1國內(nèi)乙醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 .1.2精餾塔的相關概述 .1.2.1精餾原理及其在化工生產(chǎn)上的應用 .1.2.2精餾塔對塔設備的要求 .1.2.3常用板式塔類型及本設計的選型 .1.2.4本設計所選塔的特性 .第二章 工藝流程選擇與原材料的計算 .2.1乙醇精餾工藝流程的概述 .2.2乙醇原料的計算 .2.2.1理論玉米秸稈葡萄糖消耗量 .2.2.2實際玉米秸稈耗量 .第三章 精餾設備的設計內(nèi)容

2、 .3.1塔板的工藝設計 .3.1.1精餾塔全塔物料衡算 .3.1.2理論塔板數(shù)的確定 .3.1.3精餾塔操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算 .3.1.4塔板主要工藝結(jié)構尺寸的計算 .3.2塔板的流動性能校核 .3.2.1氣相通過浮閥塔板的壓降 .3.2.2淹塔校核 .3.2.3物沫夾帶校核 .3.2.4漏液校核 .3.3塔板的負荷性能 .3.4塔附件設計 .3.4.1塔頂蒸氣出料管 .3.4.2筒體與封頭 .3.4.3裙座 .3.4.4吊柱 .3.4.5人孔 .3.5塔總體高度的設計 .3.5.1塔的頂部空間高度 .3.5.2塔的底部空間高度 .3.5.3塔體高度 .3.6全凝器的設計 .3.

3、7再沸器的設計 .3.8接管的計算與選擇 .第四章自動控制系統(tǒng) .第五章廠區(qū)布置 .5.1概述 .5.2布置原則及方法 .5.2.1.滿足生產(chǎn)和運輸?shù)囊?.5.2.2滿足安全和衛(wèi)生要求 .5.2.3.滿足有關的標準和規(guī)范.5.2.4 滿足施工和安裝的作業(yè)要求.5.2.5 滿足工廠發(fā)展的要求.5.2.6 滿足豎向布置的要求.結(jié)論.致謝.錯誤！未定義書簽參考文獻.附錄.年產(chǎn) 45 萬噸乙醇精餾工段工藝設計摘要：乙醇已廣泛地應用到國民經(jīng)濟的許多部門，它是許多化工產(chǎn)品不可或缺的基礎原料和溶劑，亦是前景廣闊的可再生替代能源，因此工業(yè)生產(chǎn)乙醇有著廣闊的市場前景， 而乙醇的精餾是工業(yè)化生產(chǎn)中的重要組成部分

4、。本次設計的浮閥塔（單塔）是化工生產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設備。此設計針對二元物系的精餾問題進行分析、選取、計算、核算、繪圖等，是較完整的精餾設計過程，主要包括：乙醇原料的計算，塔體的工藝計算，輔助設備計算，乙醇精餾的自動化控制，廠區(qū)的布局。根據(jù)設計要求及一些基本的數(shù)據(jù)計算得到精餾塔的塔徑4.6m, 塔高 34m, 進料板在第 30 層。本文可為乙醇精餾的實際生產(chǎn)操作提供理論依據(jù)。關鍵詞： 乙醇；水；二元精餾；浮閥精餾塔The Process Design of Ethanol Refining Section of450 kt/aAbstract: Ethanol had been widely

5、applied to many sectors of the national economy, it was the indispensable basis for many chemical products, raw materials and solvents, which also promising alternative energy, industrial production of ethanol had a broad market prospects, and distillation of alcohol was an important component of in

6、dustrial production. This design of float valve tower (a single tower) was a gas-liquid mass transfer. This design for a distillation of a binary system to undertake analysis, select drawing, computing, accounting, and so on, was a complete distillation of the design process, including: ethanol calc

7、ulations of the raw material, process calculation, calculation of auxiliary equipment, automatic control of alcohol distillation, the plant layout. According to the design requirements and some basic data calculated by distillation diameter 4.6m, high 34m, feed on the 30th floor. This paper provided

8、 a theoretical basis for the actual production of ethanol distillation operation.Key words: Alcohol; water; binary distillation column; float valve tower引言由于我國石油資源短缺，能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實問題，尋求替代能源已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的關鍵。乙醇作為石油資源的補充已經(jīng)成為現(xiàn)實，發(fā)展乙醇工業(yè)對于我國經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。目前，在汽油中添加 5%20%無水乙醇而成的汽油乙醇應運而生， 能夠緩解石油資源短缺所帶來的壓力。另外

9、，乙醇還可以作為抗爆劑添加到汽油中代替四乙基鉛。此外，乙醇也已廣泛地應用到國民經(jīng)濟的許多部門，它是許多化工產(chǎn)品不可或缺的基礎原料和溶劑，利用乙醇可以合成橡膠、聚氯乙烯、聚苯乙烯、乙二醇、冰醋酸、苯胺、乙醚、酯類、環(huán)氧乙烷等；它也是生產(chǎn)油漆和化妝品不可缺少的原料。在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療事業(yè)中，乙醇用來配制提取醫(yī)藥制劑和作為消毒劑；染料工業(yè)，國防工業(yè)等其他工業(yè)部門也大量使用乙醇；在食品工業(yè)中，乙醇是配制各類白酒、果酒、葡萄酒、藥酒和生產(chǎn)食用醋酸及食用香精的主要原料。為此，研究開發(fā)經(jīng)濟適用的乙醇精餾生產(chǎn)技術具有重要意義。第一章緒論1.1 國內(nèi)乙醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀長期以來，乙醇多以蒸餾法生產(chǎn)，但是乙醇 -水體

10、系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產(chǎn)量不夠高。但是又由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進乙醇 -水體系的精餾設備亦為關鍵所在。目前，我國的乙醇工業(yè)是上世紀 50 年代發(fā)展起來的。我國于 1958 年從前蘇聯(lián)引入年產(chǎn) 20kt 的間法生產(chǎn)技術， 1962 年我國開展了直接水合法的研究共工作， 到 70 年代建立起年產(chǎn) 3kt 和 5kt 的生產(chǎn)裝置。合成乙醇工業(yè)是在 80 年代開始投入大規(guī)模的生產(chǎn)， 如吉化公司是乙烯合成乙醇年產(chǎn)能力已達 120kt。1949 年我國乙醇年產(chǎn)量只有 10kt，而到 1987 年，總產(chǎn)量超過 1000kt，近幾年的發(fā)展更是迅速， 2010 年，我國

11、燃料乙醇的年產(chǎn)量已達到 2000kt，預計到 2020 年達到 10000kt。我國常用的板式塔型仍為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌形塔等，加強了對篩板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮動噴射塔等新塔形。對多降液管塔盤、導向篩板、網(wǎng)孔塔盤等也都做出了較多的研究，并推廣應用于生產(chǎn)。其他如大孔徑篩板、雙孔徑篩板、穿流式可調(diào)開孔篩板、浮閥 -篩板復合塔盤等多種塔型的試驗工作也在進行，有些已取得了一定的成果并用于生產(chǎn)。1.2 精餾塔的相關概述1.2.1 精餾原理及其在化工生產(chǎn)上的應用實際生產(chǎn)中，在精餾塔中精餾時， 部分氣化和部分冷凝是同時進行的。對理想液態(tài)混合物精餾時，最后得到的餾液(氣相冷卻而成 )是沸點低

12、的物質(zhì)，而殘液是沸點高的物質(zhì)，精餾是多次簡單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結(jié)果，塔頂冷凝收集的是純低沸點組分，純高沸點組分則留在塔底。1.2.2 精餾塔對塔設備的要求精餾設備所用的設備及其附屬裝置，總稱為精餾裝置，其核心為精餾塔。常用的精餾塔有板式塔和填料塔兩類，通稱塔設備，和其他傳質(zhì)過程一樣，精餾塔對塔設備的要求大致如下：一、生產(chǎn)能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會產(chǎn)生液泛等不正常流動。二、效率高：氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質(zhì)效率。三、流體阻力?。毫黧w通過塔設備時阻力降小，可以節(jié)省動力費用，在減壓操作是時，易于達到所要求的真空度

13、。四、有一定的操作彈性：當氣液相流率有一定波動時，兩相均能維持正常的流動，而且不會使效率發(fā)生較大的變化。五、結(jié)構簡單，造價低，安裝檢修方便。六、能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。1.2.3 常用板式塔類型及本設計的選型常用板式塔類型有很多，如：篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。而浮閥塔具有很多優(yōu)點，且加工方便，故有關浮閥塔板的研究開發(fā)遠較其他形式的塔板廣泛，是目前新型塔板研開發(fā)的主要方向。近年來與浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質(zhì)設備，浮閥塔多用不銹鋼板或合金。實際操作表明，浮閥在一定程度的漏夜狀態(tài)下，使其操作板效率明顯下降，其操作的負荷范圍較泡罩塔窄，但設計良好的塔其操作彈性仍可

14、達到滿意的程度。浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎上發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點。所以在此我們使用浮閥塔，浮閥塔的突出優(yōu)點是結(jié)構簡單，造價低，制造方便；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大等。1.2.4 本設計所選塔的特性浮閥塔的優(yōu)點是：一、生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大20% 40% ，與篩板塔接近。二、操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。三、塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。四、氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥

15、塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。五、塔的造價較低， 浮閥塔的造價是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的50% 80% ，但是比篩板塔高20% 30。但是其缺點是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價昂貴，推廣受到一定限制。隨著科學技術的不斷發(fā)展， 各種新型填料， 高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。近幾十年來，人們對浮閥塔的研究越來越深入， 生產(chǎn)經(jīng)驗越來越豐富，積累的設計數(shù)據(jù)比較完整，因此設計浮閥塔比較合適。第二章工藝流程選擇與原材料的計算2.1 乙醇精餾工藝

16、流程的概述本設計主要采用玉米秸稈連續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵后成熟的醪液進入醪塔，在醪塔中的酒精蒸汽（主要考慮為水和乙醇的混合物）經(jīng)過冷卻后進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后通過預熱器后進入分子篩塔進一步進行脫水，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流

17、。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。最終，基本完成乙醇和水的分離。圖 1.1 乙醇精餾工段工藝流程圖2.2乙醇原料的計算2.2.1 理論玉米秸稈葡萄糖消耗量玉米秸稈原料生產(chǎn)乙醇的總化學反應式為：C6H12O62C2H5OH 2CO21809288生產(chǎn) 45 萬噸（ 4.5kg）無水乙醇的理論葡萄糖消耗量：4.5kg×（ 342÷ 184）（ kg）生產(chǎn) 45 萬噸（ 4.5 kg）94% 的乙醇理論葡萄糖消耗量：× 94（ k

18、g）2.2.2 實際玉米秸稈耗量生產(chǎn)的乙醇實際葡萄糖消耗量：生產(chǎn)過程中蒸餾率為98，發(fā)酵率為 90，則實際葡萄糖消耗量為：÷ 98÷90（ kg）生產(chǎn) 45 萬噸（ 4.5 kg）96% 的乙醇葡萄糖原料消耗量：秸稈原料含可發(fā)酵性糖45% ，故 45 萬噸 94% 的乙醇葡萄糖消耗為：÷ 45=（kg）÷第三章精餾設備的設計內(nèi)容3.1 塔板的工藝設計3.1.1 精餾塔全塔物料衡算（ 1）料液及塔頂、塔底產(chǎn)品中乙醇的摩爾分數(shù)F：原料液流量（ kmol/s） xF：原料組成（摩爾分數(shù)，下同）D：塔頂產(chǎn)品流量（ kmol/s） xD：塔頂組成W ：塔底殘液流量

19、（ kmol/s） xW ：塔底組成40/46x F20.67%40/4669 /18（ 3-1）94/4685.97%xD94/46 6/18（ 3-2）0.1/ 46xW0.040%0.1/ 4699.9 /18（ 3-3）（2）平均摩爾質(zhì)量M F=460.2067+(1-0.2067) 18=21.08kg/kmolM D=460.8597+(1-0.8597) 18=44.60kg/kmol M w=460.0004+(1-0.0004) 18=18.0112kg/kmol（ 3）料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率以 300 天 /a 計有：D =450000t/a=4.5kg/7200h=6

20、2500kg（94%C 2H 5OH ）/h（ 4）全塔物料衡算：D=D / M D=62500/42.60=1467.14kmol/hF=D+W（3-4）（ 3-5）即 0.2067F=0.8597D+0.0004W經(jīng)計算得：F=12711.64kmol/hD=1467.14kmol/hW=11244.5kmol/h3.1.2 理論塔板數(shù)的確定3.1.2.1 理論塔板數(shù) NT 的求?。?1）乙醇 -水相平衡數(shù)據(jù)表 3.1 常壓下乙醇 -水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關系溫溫溫度度液相氣相度液相氣相液相氣相/1000.000.0082.70.230.5479.30.570.68454395.50

21、.010.1782.30.260.5578.70.670.73901846989.00.070.3881.50.320.5878.40.740.78297317286.70.090.4380.70.390.6178.10.890.89787254485.30.120.4779.80.500.65408684.10.1679.70.520.6660.50900本題中，塔內(nèi)壓力接近于常壓（實際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，因為操作壓力偏離常壓很小，所以其對x-y平衡關系的影響完全可以忽略。（ 2）確定操作的回流比R理論板：指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。理

22、論板的計算方法：可采用逐板計算法，圖解法，在本次實驗設計中采用圖解法。根據(jù)下，乙醇 水的氣液平衡組成關系可繪出平衡曲線，即 x-y 曲線圖，泡點進料， q = 1，即 q 為一直線，本平衡曲線具有下凹部分，精餾段操作線尚未落到平衡線前，已與平衡線相切， , ,所以，操作回流比R1.5Rmin1.52.975=4.46圖 3.1 乙醇 -水圖解法示意圖（3）求取理論塔板數(shù)已知：精餾段操作方程：RxDyn 1R1xn + R 10.817x n 0.166提餾段操作方程：ym 12.404xm0.00056在圖上作操作線，由點（ 0.9051, 0.9051）起在平衡線與操作線間畫階梯，過精餾段操

23、作線與 q 線交點，直到階梯與平衡線交點小于 0.0004 為止，由此得到理論板 N T =26 塊（包括再沸器）加料板為第 14 塊理論板。3.1.2.2 實際塔板數(shù) NP板效率與塔板結(jié)構、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體及流體力學性質(zhì)有關，它反映了實際塔板上傳質(zhì)過程進行的程度。板效率計算可用奧康奈爾公式(3-6)其中：塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度；L塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度（ 1）利用表 2.1 中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得tF、 tD 、tWtF ：89.086.7t F 89.0tF = 85.50.0720.0970.20670.072tD ： 78.1578.41t D78.

24、15tD = 78.130.8940.7470.85970.894tW ：tW = 99.90精餾段平均溫度：t1t FtD85.578.1381.8222提餾段平均溫度： t 2t Ftw85.599.9092.722（ 2）精餾塔平均組成：可以由平均溫度計算液相組成 x184.182.781.8282.70.277:0.234x1, x10.1660.234氣相組成 y1: 84.182.781.81582.7 ,y1 0.5680.5090.545y10.545液相組成 x 2 :95.589.092.789.0 ，x20.04180.0190.072x 20.072氣相組成 y 2 :

25、95.589.092.789.0 ，y 20.26430.1700.389y 20.389（3） 相對揮發(fā)度精餾段揮發(fā)度：由，得，y A xB0.5680.723y B x A0.4323.430.277（ 3-7）提餾段揮發(fā)度：由，得，' y A'xB'0.26430.9582y B'xA'0.73578.240.0418（ 3-8）（ 4）實際塔板數(shù)精餾段已知：，L1x iL ix 水L 水 =34.78mPa s所以：ET0.49(3.430.3478) 0.2450.47（ 3-9）（3-10）故 ：塊提餾段已知：，所以： E' T0.4

26、9(8.240.3083) 0.2450.39（ 3-11）故：29 塊全塔所需實際塔板數(shù)：NPNP精NP提302959塊全塔效率：ETN T26 1 100% 42.37%N P59（ 3-12）加料板位置在第30 塊塔板。3.1.3 精餾塔操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算（ 1）平均壓力 P取每層塔板壓降為0.7 kPa精餾塔塔頂?shù)膲毫? kPa(表壓 )塔頂：PD=101.3+4=105.3kPa加料板：PF =105.3+0.730=126.3kPa塔底： PW =126.3+0.729=146.6 kPa精餾段平均壓力 Pm1=（105.3+126.3） /2=115.8 kPa

27、提餾段平均壓力 Pm2=（126.3+146.6） /2=136.45 kPa（ 2）平均溫度由 3.1.2.2（1）知精餾段平均溫度為81.82提餾段平均溫度為92.7（ 3）平均密度已知：混合液密度：（ a 為質(zhì)量分數(shù)， 為平均相對分子質(zhì)量）混合氣密度：(3-13)由 3.1.2.2（2）知精餾段液相組成x1=27.7%氣相組成y1=56.8%M L1460.27718(10.277)25.76kg / kmolM V1460.56.818(10.56.8)33.90kg/ kmol由 3.1.2.2（2）知提餾段液相組成 x2=4.18% 氣相組成 y2=26.43%所以ML2 460.

28、041818 (1 0.0418) 19.17kg / kmolM V246 0.264318 (10.2643)25.14kg / kmol表 3.2 由不同溫度下乙醇和水的密度溫度 /80735971 885730968 690724965 395720961 85100716958 4由上表可得出不同溫度下水和乙醇的密度（單位：）。,同理：，在精餾段：液相密度：10.27746/0.277461810.27710.4892733.84,L1970.64汽相密度：V1Pm v.m109.8533.90=1.26kg / m3RTm8.314 （ 273.15 +81.82 ）在提餾段：液相

29、密度：10.0418 46 / 0.0418 46 18 1 0.04181 0.1003L2762.87963.67汽相密度：V2Pm v.m =122.8 24.141.01kg / m3RTm8.314 （ 273.15 +92.7）（ 4）混合液體表面張力二元有機物 -水溶液表面張力可用下列公式計算公式：(3-14)注：，q2/ 3wq0V0WVW2/ 3Blg,Q0.4410Tq2AB Q,AlgSW ,SWS01S0式中，下角標w、o、s 分別代表水，有機物及表面部分； 、指主體部分的分子數(shù)；、指主體部分的分子體積； 、為純水、有機物的表面張力；對乙醇 q=2表 3.3 由不同溫度

30、下乙醇和水的表面張力溫度 /乙醇表面張力/ （）水表面張力 /（）701864.38017.1562.69016.260.710015.258.8Vwm w1818.54cm 3 / molw0.97064（3-15）Vom o4662.68cm3/ molo0.73384（3-16）乙醇表面張力：908016.217.15得： 乙醇16.98mN m 190 81.8216.2乙醇水表面張力：90 8060.7 62.662.2590 81.8260水.7得： 水2(x w Vw )21 x o Vw2wox oVo (x w Vw X o Vo ) x oVo X w Vwxo Vo0.7

31、2318.5420.3360.27762.68(0.72318.540.27762.68)（ 3-17）2Bl g ( w) l g 0. 3 3 60. 47o（ 3-18）Q 0.441 qoVo2 / 3wV2 / 3Tqw0.441216.9862.682/362.2518.542/30.7581.82273.152（ 3-19）ABQ0.470.751.22（ 3-20）聯(lián)立方程組，代入求得，1/40.4662.251/40.5416.981/4，m'm w1818.68cm3/ molVw'0.96367w（ 3-21）'m o463/ molVo'60.30cmo0.76287（ 3-22），水表面張力：1009010092.7，58.860.758.8'水2(1 0.0418) 18.682w0.390.041860.30(0.958218.680.0418o60.30)B '2lg(w )lg 0.39 0.41oQ'0.44192.7215.9360.302/360