乙醇水溶液连续精馏塔的设计.doc

目录
绪论----------------------------------------------------------------------------------------------1
第一章 精馏原理及化工上的应用 ------------------------------------ 2
第二章 设计方案的确定及流程说明---------------------------------- -4
2.1塔型选择 ------------------------------------------------------------------------------4
2.2操作流程 -----------------------------------------------------------------------------5
第三章 塔的工艺计算....................................................... 6
3.1整理有关数据 ...................................................... 6
3.2理论塔板数的确定..................................................... 6
3.3全塔物料衡算 ............................................ 6
3.4进料板组成 .................................................. 7
3.5全塔总效率的估算和实际塔板的求取
第四章 塔的工艺条件及物性计算............................................ 10
4.1平均温度....................................................... 10
4.2操作压强........................................................... 11
4.3平均摩尔质量 ..................................................... 11
4.4平均密度 ......................................................... 12
4.5平均粘度的计算 ..................................................... 14
4.6相对挥发度的计算 ................................................... 15
4.7表面张力的计算 ................................................... 15
4.8气液相质量流量和体积流量的计算 ....................................................... 16
4.9塔径的计算 ................................................. 18
第五章 塔板主要工艺尺寸的计算 .......................................... 19
5.1 溢流装置 ........................................................ 19
5.2 浮阀数及排列方式 ........................................................ 21
第六章 塔板的流体力学验算 .............................................. 23
6.1 塔板压降 ..................................... 23
6.2 降液管液泛校核 ....................................................... 26
6.3 液体在降液管内停留时间 ........................................... 26
6.4 雾沫夹带量校核 ........................................................... 27
6.5 严重漏液校核............................................................ 26
第七章 塔板负荷性能图................................................... 29
7.1漏液线 .......................................................... 29
7.2液沫夹带线 ....................................................... 28
7.3液相负荷下限线 ................................................... 29
7.4液相负荷上限线 ................................................... 30
7.5液泛线 ........................................................... 31
参考文献 ............................................................ 36

摘 要：本设计是以乙醇――水物系为设计物系，以浮阀塔为精馏设备分离乙醇和水。浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系乙醇水的精馏问题进行分析，选取，计算，核算，绘图等，是较完整的精馏设计过程。通过逐板计算得出理论板数为 41块，回流比为 5.46算出实际板数为106 块，进料位置为第 94块，通过板式塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。本次设计过程正常，操作合适。

关键字：乙醇、水、二元精馏，筛板式连续精馏精馏塔

第一章 精馏原理及化工上的应用
1.1精馏原理及其在化工生产上的应用 实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述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。
1.2精馏塔对塔设备的要求 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。
1.4常用板式塔类型及本设计的选型
常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。 本次课程设计是分离乙醇——水二元物系。在此我选用连续精馏筛板塔。具有以下特点：
(1) 筛板塔的操作弹性小，对物料的流量要求非常平稳精确，不利于实际生产中使用 (2) 筛板塔盘较浮阀塔盘的优点是结构简单抗堵，压降较小，造价便宜。
(3) 筛板塔盘现在很少用了，比浮阀塔的效率低，操作弹性小。
(4) 筛板塔盘也有溢流堰和降液管。优点是结构简单，压降较小，造价便宜，抗堵性强。

第二章 设计方案的确定及流程说明
根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为1.5万t/年，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用筛板塔。
2.1设计思路
首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的部分液态进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而另一部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。
2.1设计流程
乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热。

第三章 塔的工艺计算
3.1整理有关数据
已知原料中乙醇组成为30%（质量分数，下同），馏出液组成为95%，釜底液组成不高于0.2%，乙醇的摩尔质量为46.07 kg/kmol；水的摩尔质量18.02 kg/kmol，将用质量分数所表示的乙醇的组成换算成用摩尔分数表示,
原料液组成：
馏出液组成：
釜底液组成：
进料液平均摩尔质量为： kg/kmol
馏出液平均摩尔质量为： kg/kmol
釜底液平均摩尔质量为； kg/kmol
3.2理论塔板数的确定
根据附录 汽液相平衡数据作出t-x-y相图
图解法：
①根据汽液相平衡数据在x-y相图上画出相平衡曲线，并画出对角线作为辅助线。
②q线的画法：由于冷液进料q＝1，过e（,）向上作垂线ef即可得到q线。
③由于平衡曲线具有下凹部分，过a点作切线与平衡曲线相切于g点，与纵轴交于点b[0，/(+1)]并与q线交于d点
求出切线在纵轴上的截距，得=3.41
操作回流比取最小回流比的1.6倍，即R=3.41×1.6=5.46
④精馏段操作线的画法：精馏段操作线方程与对角线的交点为a(,)，求出精馏段操作线在纵轴上的截距/(R+1)=0.881/(5.46+1)=0.136，在纵轴上标出点b’，直线ab’即为精馏段操作线。精馏段操作线与q线的交点为d’。
⑤提馏段操作线的画法：提馏段操作线与对角线的交点为c(,)，连接c、d’两点即得到提馏段操作线cd’。
⑥画阶梯求得理论塔板数为41块(由于直接蒸汽加热没有再沸器)，进料板位置为37，精馏段理论板数为36，提馏段理论板数为5。

3.3全塔物料衡算
按年运行时间平均为300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为38690t/年
馏出液流量 kmol/h
总物料 ……①
易挥发组分 ……②
一般情况下=0
精馏段操作线方程：
将==0.144代入精馏段操作线方程得=0.258，即点d坐标为(0.144,0.258)
提馏段操作线方程：
将点d坐标代入提馏段操作线方程得：=1.78 ……③
联立①②③解得：kmol/h kmol/h kmol/h
精馏段：
液体流量L=RD=5.46×125.83=687.03kmol/h
蒸汽流量V=(R+1)D=(5.46+1)×125.83=812.86kmol/h
提馏段：
液体流量L’=W=1488.12kmol/h
蒸汽流量==836.02kmol/h

进料：乙醇流量：777.93×0.144=112.02kmol/h
水的流量：777.93-112.02=665.91kmol/h
馏出液：乙醇流量：125.83×0.881=110.86kmol/h
水的流量：125.86-110.86=14.974kmol/h
釜液：乙醇流量：1488.12×0.000783=1.1652kmol/h
水的流量：1488.12-1.1652=1486.95kmol/h

3.4进料板组成
由x-y相图可知进料板乙醇摩尔分率为
则体积分率为
3.5全塔总效率的估算和实际塔板的求取
塔顶与塔底的平均温度℃
由t-x-y相图查出该温度下溶液的组成
其相对挥发度为：
根据醇类液体粘度表，利用内插法算出该温度下乙醇粘度为0.435mPa·s
根据水的粘度表，由内插法算出该温度下水的粘度为0.3206mPa·s
乙醇—水混合液在该温度下的粘度为：
全塔总效率：
实际塔板数：
精馏塔工艺参数汇总:

3.41
5.46
36
5
41
0.3798
106

乙醇(kmol/h)
水(kmol/h)
总量(kmol/h)
进料F
112.02
665.91
777.93
馏出液D
110.86
14.974
125.83
釜液W
1.1652
1486.95
1488.12
加热蒸气

836.02
836.02

第四章 塔的工艺条件及物性计算
4.1平均温度
由t-x-y相图读出进料板、塔顶、塔釜温度分别为：
℃ ℃ ℃
精馏段的平均温度：℃
提馏段的平均温度：℃
4.2操作压强
塔顶压强=101.3kPa，取每层塔板压强△P=0.5kPa
则进料板压强=101.3+36×0.5=119.3kPa
塔釜压强=119.3+5×0.5=121.8kPa
精馏段平均操作压强=(101.3+119.3)/2=110.3kPa
提馏段平均操作压强=(119.3+121.8)/2=120.6kPa
4.3平均摩尔质量
根据乙醇—水的t-x-y相图可知：
进料板：
kg/kmol
kg/kmol
塔顶：
kg/kmol
塔底：
kg/kmol
kg/kmol
精馏段的平均摩尔质量：
kg/kmol
kg/kmol
提馏段的平均摩尔质量：
kg/kmol
kg/kmol
4.4平均密度
根据醇类液体密度表，乙醇密度：
温度 ℃
60
80
100
密度
765.7
742.3
717.4
根据水的密度表，
温度 ℃
60
70
80
90
100
密度
983.2
977.8
971.8
965.3
958.4
由内插法分别算出进料板、塔顶、塔底相应温度下的乙醇的密度分别为：
736.45、744.44、717.90
由内插法分别算出进料板、塔顶、塔底相应温度下的水的密度分别为：
968.75、972.90、958.68
进料板溶液密度：
馏出液密度：
釜底液密度：
精馏段液相平均密度：
提馏段液相平均密度：
根据求得
精馏段汽相平均密度：
提馏段汽相平均密度：
4.5平均粘度的计算
根据醇类液体粘度表，乙醇粘度：
温度 ℃
60
80
100
粘度 mPa·s
0.601
0.495
0.361
由内插法分别算出进料板、塔顶、塔底相应温度下的乙醇的粘度分别为：
0.463mPa·s、0.505mPa·s、0.364mPa·s
根据水的粘度表，由内插法分别算出进料板、塔顶、塔底相应温度下的水的粘度分别为：
0.3367mPa·s、0.3647mPa·s、0.2850mPa·s
根据，
进料板溶液粘度：mPa·s
馏出液粘度：mPa·s
釜底液粘度：mPa·s
精馏段溶液平均粘度：mPa·s
提馏段溶液平均粘度：mPa·s
4.6相对挥发度的计算
根据相平衡曲线，

X（mol%）
Y（mol%）
进料板
0.14
0.49
塔顶
0.881
0.881
塔底
0.000783
0.0100
进料板溶液相对挥发度：
馏出液相对挥发度：
釜底液相对挥发度：
4.7表面张力的计算
混合液体的临界温度可利用下式求得：
，已知乙醇的临界温度=516.15K，水的临界温度=647.35K
进料板：=0.14×516.15+0.86×647.35=628.98K
塔顶：=0.881×516.15+0.119×647.35=531.76K
塔底：=0.000783×516.15+0.999217×647.35=647.25K
乙醇—水混合液的表面张力可利用下式求得：
，

25℃下醇类水溶液的表面张力，如下表：
质量分率%
20
40
60
80
100
表面张力mN/m
37.9
29.6
25.1
23.6
22.0
由内插法分别算出进料板、塔顶、塔底25℃下的乙醇水溶液的表面张力分别为：
22.86mN/m、23.74mN/m、71.90mN/m
则相应温度下，
进料板：mN/m
塔顶：mN/m
塔底：mN/m
精馏段平均表面张力：mN/m
提馏段平均表面张力：mN/m
4.8气液相质量流量和体积流量的计算
进料液：

馏出液：

釜底液：

精馏段：

提馏段：

塔的工艺条件及物性汇总：

进料板
塔顶
塔底
质量分率
0.3
0.95
0.002
摩尔分率
0.14
0.881
0.000783
平均摩尔质量(kg/kmol)
21.95
42.73
18.04
温度(℃)
84.70
78.17
99.60
密度(kg/)
885.00
753.28
958.04
粘度(mPa·s)
0.3521
0.4858
0.2851
相对挥发度
5.90
1
12.89
表面张力
18.00
17.41
53.88

t℃

x mol%
V
（kmol/h）
ω
（kg/h）

F
84.70
22.059
0.144
777.93
17075.6
19.29
D
78.17
42.732
0.881
125.83
5376.7
7.14
W
99.60
18.042
0.000783
1488.12
26845.7
28.02
L
81.44
32.34

687.03
22218.6
27.12
V
81.44
37.25

812.86
30279
21720.97
L’
92.15
20.00

1488.12
2917.2
32.30
(or )
92.15
25.02

836.02
20917.2
21054.07

4.9塔径的计算
①精馏段液气动能参数为：
取板间距=0.4m，板上液层高度=0.07m，则图中的参变量值m

查史密斯关联图，得
由所给出的工艺条件校正得：
最大允许气速：m/s
取安全系数0.8，则空塔速度为
塔径估算：
②提馏段液气动能参数为：
根据参变量值m，查史密斯关联图，得
由所给出的工艺条件校正得：
最大允许气速：m/s
取安全系数0.6，则空塔速度为
塔径估算：
按标准塔径尺寸圆整，取D=2.4m；那么
实际塔截面积：
①精馏段实际空塔速度：
安全系数： 在0.6~0.8范围间，合适。
①提馏段实际空塔速度：
安全系数： 在0.6~0.8范围间，合适。

第五章 塔板主要工艺尺寸的计算
5.1溢流装置
选用单流型降液管，不设进口堰。
5.1.1降液管尺寸
取溢流堰长，即，由图2-20弓形降液管的结构参数图查得：
，
因此弓形降液管所占面积：
弓形降液管宽度为：
精馏段液体流量：
液体在降液管的停留时间为：，合适
提馏段液体流量：
液体在降液管的停留时间为：，合适
5.1.2溢流堰尺寸
由以上设计数据可求出：
溢流堰长为：
采用平直堰，堰上液层高度可由计算，式中E近似取1，
即精馏段：
溢流堰高为：
提馏段：
溢流堰高为：
液体由降液管流入塔板不设进口堰，并取降液管底隙处液体流速，那么，降液管底隙高度为：（精馏段）
（提馏段）
5.2浮阀数及排列方式
5.2.1浮阀数
初取阀孔动能因数，
精馏段阀孔气速为：
每层塔板上浮阀个数为：（个）
提馏段阀孔气速为：
每层塔板上浮阀个数为：（个）
5.2.2浮阀的排列
按所设定的尺寸画出塔板，并在塔板的鼓泡区内依排列方式进行试排，确定出实际的阀孔数。
已知，选取无效边缘区宽度、破沫区宽度
鼓泡区面积可利用算出，

浮阀的排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的空心距t=75mm，
则等腰三角形的高度：（精馏段）
（提馏段）
由于塔直径D=2400mm，需采用分块塔板六块（其中两块弓形板、通道板一块和矩形板三块）。考虑到个分块的支承与衔接要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距t’应小于计算值，故取t’=60mm（精馏段）和t’=80mm（提馏段）。现按t、t’的等腰三角形叉排方式作图，如图所示，可排出精馏段、提馏段阀孔数分别为500个和410个，重新核算以下参数：
阀孔气速:
（精馏段）
（提馏段）
动能因数：
（精馏段）
（提馏段）
动能因数在9~12之间，合适。
塔板开孔率：
（精馏段）
（提馏段）
开孔率在10%~14%之间，合适。

第六章 塔板流体力学验算
6.1塔板压降
①干板阻力
临界孔速为：（精馏段）
（提馏段）
因阀孔气速大于其临界阀孔气速，故干板阻力为：
（精馏段）
（提馏段）
②板上充气液层阻力。本设备分离乙醇—水混合液，液相为水，可取充气系数
则板上充气液层阻力位：
③液体表面张力造成的阻力。
（精馏段）
（提馏段）
所以，塔板压降：
（精馏段）
（提馏段）
单板压降：
（精馏段）
（提馏段）
单板压降偏高（一般对于常压精馏塔应在260~530Pa为宜）。
6.2降液管液泛校核
为了防止降液管液泛现象发生，要求控制降液管内清液层高度，由于不设进口堰，液体通过降液管的压头损失为：
（精馏段）
（提馏段）
则 （精馏段）
（提馏段）
取降液管中泡沫层相对密度Φ=0.5，前已选定板间距，（精馏段），（提馏段）。则
（精馏段）
（提馏段）
可见，，符合防止降液管液泛要求。
6.3液体在降液管内停留时间
应保证液体在降液管内的停留时间大于5s，才能使得液体所夹带气体的释出。
（精馏段）
，（提馏段）
可见，所夹带气体可以释出。
6.4雾沫夹带量校核
计算泛点率F，即及
板上液体流径长度：
板上液流面积：
由图2-32查得精馏段、提馏段泛点负荷因素分别为和，并根据表2-8取物性系数K=1.0，将以上数据代入：

及（精馏段）
同理，提馏段的泛点率分别用两公式计算得0.646和0.556。
对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。上两式计算得泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足<0.1kg（液）/kg（气）的要求。
6.5严重漏液校核
当阀孔的动能因数低于5时将会发生严重漏液，前面已计算出精馏段、提馏段的动能因数和，可见不会发生严重漏液。
第七章 塔板负荷性能图
7.1气体负荷下限线（漏液线）
对于F1型重阀，因动能因数.低于5时会发生严重漏液，故取计算相应的气相流量：（精馏段）
（提馏段）
7.2过量雾沫夹带线
根据前面雾沫夹带校核可知，对于大塔，取泛点率F=0.8，那么

整理得：（精馏段）
雾沫夹带线为直线，由两点即可确定。当时，；当时，。由这两点便可绘出精馏段雾沫夹带线。
同理，对于提馏段，当时，；当时，。由这两点便可绘出提馏段雾沫夹带线。
7.3液相负荷下限线
对于平直堰，其堰上液层高度必须要大于0.006m。取，就可作出液相负荷下限线。

取E=1，代入则可求出：

7.4液相负荷上限线
液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3s，取θ=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则：

7.5液泛线
求出与的关系，就可在操作范围内任意取若干点，从而绘出液泛线。

其中精馏段，

将计算出的a、b、c、d之值代入上式方程并整理得：

0.001
0.005
0.008
0.01
0.012
0.015

10.38
9.82
9.41
9.11
8.79
8.25

同理：提馏段与的关系为：

0.001
0.005
0.008
0.01
0.012
0.015

10.88
10.28
9.83
9.50
9.14
8.51

参考文献：
[1]李功样、陈兰英、余林.化工单元操作过程与设备(上册)[M].广州.华南理工大学出版社.2010.6
[2]刘光启、马连湘、刘杰.化学化工物性数据手册(有机卷)[M].北京.化学工业出版社.2002.5
[3]李功样、陈兰英、崔英德.常用化工单元设备设计[M].广州.华南理工大学出版社.2009.8