乙醇和水的精馏塔设计.doc

题 目：乙醇-水精馏塔工艺设计与塔顶冷凝器选型设计专 业：煤炭深加工与利用
学生姓名：武婷
学 号: 090010
小组成员:郭泽红
指导教师:
完成日期:

新疆工业高等专科学校教务处印制
（乌鲁木齐市 830091）

化工原理
课 程 设 计 任 务 书

设计题目：乙醇——水连续精馏塔的设计

设计人员
所在班级 成绩
指导教师 日期

一、 设计题目：乙醇－水连续精馏塔的设计
二、 设计任务及操作条件
（1）进精馏塔的料液含乙醇35%（质量分数，下同），其余为水；
（2）产品的乙醇含量不得低于94；
（3）塔顶易挥发组分回收率为99.5%；
（4）生产能力为25000吨/年94%的乙醇产品；
（5）每年按330天计，每天24h连续运行。
（6）操作条件
a) 塔顶压强 4kPa(表压)
b) 进料热状态 自选
c) 回流比 自选
d）加热蒸汽压力 低压蒸汽（或自选）
e) 单板压降小于等于0.7kPa
三、 设备形式：筛板塔或浮阀塔
四、 设计内容：
1、设计说明书的内容
1) 精馏塔的物料衡算；
2) 塔板数的确定；
3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；
4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；
5) 塔板主要工艺尺寸的计算；
6) 塔板的流体力学验算；
7) 塔板负荷性能图；
8) 精馏塔接管尺寸计算；
9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
2、设计图纸要求：
1) 绘制生产工艺流程图（A2号图纸）；
2) 绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。

五、 设计基础数据：
1. 常压下乙醇——水体系的t-x-y数据；
2. 乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。

。

第一章 前言

化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物。其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作。在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂）。使气、液两相多次直接接触和分离。利用液相混合物中各组分挥发度的不同。使易挥发组分由液相向气相转移。难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。
在本设计中我们使用筛板塔。筛板塔的突出优点是结构简单造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性。而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。
筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一。五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响。可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成。使用碳钢的比率较少。
它的主要优点是：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；在相同条件下。生产能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率较高。比泡罩塔高15%左右。但稍低于浮阀塔；气体压力降较小。每板降比泡罩塔约低30%左右。缺点是：小孔筛板易堵塞。不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约2～3）。
蒸馏是分离均相混合物的单元操作。精馏是最常用的蒸馏方式。是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练。为以后从事设计工作打下坚实的基础。

第二章 流程的确定和说明

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。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，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，其中的液态部分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，而其中的气态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,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。

摘 要

本设计是以乙醇――水物系为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离乙醇和水。筛板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。
通过计算得出xF=0.174 , xD=0.86 , xW=0.002 ,F=137.98kmol/h,实际板数为37块，工艺参数的选定泡点进料、泡点回流。回流比为2.78,进料位置为第11块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1米，有效塔高19.7米，。通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。本次设计过程正常，操作合适。

关键词：乙醇，水，二元精馏，筛板连续精馏精馏塔，提馏段

1塔的工艺计算

查阅文献，整理有关物性数据表1-1
年处理原料能力
F=25000吨/年
质量分数

分子量

1.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
F：进料量（kmol/s） ：原料组成（摩尔分数。下同）
D：塔顶产品流量（kmol/s） ：塔顶组成
W：塔底残液流量（kmol/s） ：塔底组成
根据公式 ： （1-1）

原料液乙醇的摩尔组成 ==17.40%
塔顶产品乙醇的摩尔组成 = =86%
塔底残夜乙醇的摩尔组成 ==0.20%
1.2 平均摩尔质量
根据公式可得： （1-2）
原料液的平均摩尔质量：
馏出液的平均摩尔质量：
塔釜残液的平均摩尔量：
1.3全塔物料衡算：
进料量：
F=25000吨/年=137.98kkmol/h
全塔物料衡算式：F=D+W, F*=D*+W*
解之得：D=27.68kmol/h ，W=110.30kmol/s
1．4回流比的确定
1.4.1平均相对挥发度的计算
由相平衡方程 （1-3）
得： （1-4）
表1-2由常压下乙醇-水的平衡数据
x
0.18
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
y
0.51
0.525
0.551
0.575
0.595
0.61
0.635
0.657
0.678
0.69
0.725
0.755
由道尔顿分压定律 （1-5）
得 （1-6）
将上表数据代入得：
序号
1
2
3
4
5

3.6815
3.1569
2.7254
2.3501
2.1263
序号
6
7
8
9
10

1.9155
1.7228
1.5408
1.4196
1.3207
则
则平衡线方程
1.4.2最小回流比的计算和适宜回流比的确定

因为 所以
相平衡方程：
泡点进料 ：
最小回流比 ：
任务要求操作回流比是最小回流比的1.6倍

1.4.3精馏段和提馏段操作线方程的确定
精馏段：

（1-7）
精馏段操作线方程：
提馏段：

（1-7）
提馏段操作线方程：
通过精馏段操作线方程和提馏段操作线方程用图解法所得
理论塔板数为16块，其中第12块为进料板，精馏段的理论塔板数为12块。提馏段的理论塔板数为4块。
得图如下：

图1-1 理论塔板数图解
1.5 精馏塔的塔顶、进料板、塔釜温度、全塔效率的确定
1.5.1全塔的相对平均挥发度的计算
常压下乙醇和水的气液平衡数据
表1—3 乙醇—水系统t—x—y数据
沸点t/℃
乙醇摩尔数/%
沸点t/℃
乙醇摩尔数/%
气相
液相
气相
液相
99.9
0.004
0.053
82
27.3
56.44
99.8
0.04
0.51
81.3
33.24
58.78
99.7
0.05
0.77
80.6
42.09
62.22
99.5
0.12
1.57
80.1
48.92
64.70
99.2
0.23
2.90
79.85
52.68
66.28
99.0
0.31
3.725
79.5
61.02
70.29
98.75
0.39
4.51
79.2
65.64
72.71
97.65
0.79
8.76
78.95
68.92
74.69
95.8
1.61
16.34
78.75
72.36
76.93
91.3
4.16
29.92
78.6
75.99
79.26
87.9
7.41
39.16
78.4
79.82
81.83
85.2
12.64
47.49
78.27
83.87
84.91
83.75
17.41
51.67
78.2
85.97
86.40
82.3
25.75
55.74
78.15
89.41
89.41
根据乙醇-水体系的相平衡数据可得：
乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18
(塔顶第一块板)
(加料版)
(塔底)
由相平衡方程式（1-3）和（1-4）得
由此式可求得
精馏段的相对平均挥发度：
提馏段的相对平均挥发度：
精馏段的平均温度：
提馏段的平均温度：
表1-4 乙醇和水的粘度
温度（℃）
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
水的粘度（）
1.002
0.802
0.662
0.592
0.469
0.400
0.330
0.318
0.248
0.259
乙醇的粘度（）
1.22
1.00
0.83
0.69
0.38
0.48
0.45
0.351
0.305
0.262

在时，根据上图可知对应的，由《（液体粘度共线图）》查得
在时，根据上图可知对应的，由《（液体粘度共线图）》查得()
因为： 粘度
所以：精馏段的平均粘度：
提馏段的平均粘度：
用奥康奈尔法计算全塔效率
得： 精馏段的全塔效率：
提馏段的全塔效率：
3实际塔板数的计算
根据公式： （1-8）
得：
精馏段的塔板数:
取整25块，考虑安全系数加一块为26块
提馏段的塔板数：
取十块，考虑安全系数加一块为11块。
故进料板为27块，实际塔板数37块。
1.6精馏塔主体尺寸的确定
1.6.1精馏段的气液体积流量
精馏段的已知数据
位置
进料板
塔顶第一块板
摩尔分数

摩尔质量/

温度/

液相平均摩尔质量：
液相平均温度：

在平均温度为时

表1-5 乙醇和水的密度
温度（℃）
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
乙醇的密度（）
795
785
777
765
755
746
735
730
716
703
水的密度（）
998.2
995.7
992.2
998.1
983.2
977.8
971.8
965.3
958.4
951.0
用内插法求得：

液相平均密度为： （1-9）
其中，平均质量分数
则：
所以
精馏段的液相负荷

由
所以： （1-10）
精馏段塔顶压强
若取单板压降为， 则：
进料板压强：
气相平均压强：
气相平均摩尔质量：
气相平均密度：
气相负荷：

精馏段的负荷列于下表：
名称
气相
液相
平均摩尔质量/
37.94
33.02
平均密度/
1.493
800
体积流量/
2487.6(0.691)
3.18（0.000883）
1.6.2提馏段的气液体积流量
整理提馏段的已知数据列于下表:
位置
塔釜
进料板
质量分数

摩尔分数

摩尔质量()

温度()
99.3
83.61
采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的气液相负荷，列于下表：
名称
液相
气相
平均摩尔质量()
20.05
26.18
平均密度()
924.5
4.43
体积流量()
4.59(0.001275)
2976.6()
1.7塔径的计算
由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。由以上的计算结果可以得到：
塔的平均蒸汽流量：
塔的平均液相流量：

塔的气相平均密度:

由塔径公式 （1-11）
可知：由于示意的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。
即 （1-12）
取塔板间距，板上液高度
那么分离空间高度：
气液动能参数：
从《化工原理》的史密斯关联图查得：

图1-2 史密斯关联图
表面张力：,因为,需先求平均表面张力
表1-6 乙醇和水的表面张力
温度（℃）
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
水的表面张力（）
72.7
71.0
69.3
67.7
66.0
64.3
62.7
60.0
58.4
56.8
乙醇的表面张力（）
22.3
21.2
20.4
19.8
18.8
18.0
17.1
16.2
15.2
14.4

根据上图使用内插法得：
塔顶：
塔顶平均表面张力：
进料板
进料板的平均表面张力：
塔底
塔底的平均表面张力：
精馏段液体平均表面张力：
提馏段液体平均表面张力：
全塔液相平均表面张力：

取空塔速率为最大允许速率的0.7倍，则空塔速率为：
则塔径为：
根据标准塔径圆整为：
此时，精馏塔的上升蒸汽速度为：
提馏段的上升蒸汽速度为：
安全系数：
和均在0.6-0.8之间，符合要求。
1.8塔高的计算
1.8.1 塔的高度可以由下式计算:
一直实际塔板数N=37块，板间距，由于料液较轻的话，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔数目S为：
取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度： ，
那么全塔高度：
1.8.2塔板结构尺寸的确定
由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分。
取无效边缘区宽度,泡沫区宽度
查得堰长：
弓形溢流管宽度:
弓形降液管面积:
降液管面积与塔截面积之比：
堰长与塔径之比
降液管的体积与液相流量之比，即液体在降液管中停留时间一般应大于5S,液体在精馏段降液管内的停留时间：
符合要求
液体在提馏段降液管内的停留时间：
符合要求
1.8.3弓形降液管
采用平直堰，堰高
—板上液层深度一般不宜超过60—70
—堰上液流高度
堰上液流高度可根据如下公式计算：

E—液体的收缩系数 —液相的体积流量 —堰长
精馏段：
由
查手册知 则

降液管底部离塔板距离,考虑液封取比小
即
同理
提馏段:
由
查手册 E=1.038

1.8.4开孔面积的计算
已知
近取无效边缘区宽度
泡沫区宽度
阀孔总面积可由下式得：
（1-13）

所以
（1）筛板的筛孔和开孔率
因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用的碳钢板，取筛孔直径
筛孔按正三角排列：

图1-3 筛孔的排列方式
孔中心距
筛孔数目：个
开孔率： (在5-15%范围内)
气体通过筛孔的气速为： （1-14）
则精馏段：
提馏段：
1.9塔体的流体力学验算
1.9.1气体通过塔板的压力降
气体通过塔板的压力降（单板压降） （1-15）
--气体通过每层塔板压降相当的液柱高度
--气体通过筛板的干板压降
--气体通过板上液层的阻力
--克服液体表面张力的阻力
（1）干板阻力
干板压降，由此公式计算： （1-16）
根据 查干筛孔的流量系数图

图1-4 孔流系数
得
精馏段：液柱
提馏段：液柱
（2）板上充气液层阻力
板上液层阻力用此的公式计算： （1-17）
--板上清液层高度
--反应板上液层充气程度的因数（充气因数）
降液管横截面积，塔横截面积
精馏段：
动能因子：
查充气系数与的关联图可得
则
提馏段：
动能因子：
查充气系数与的关联图
可得
则
（3）由表面张力引起的阻力
液体表面张力的阻力计算公式 ： （1-18）
精馏段：
提馏段：
综上，故精馏段 液柱
压降
提馏段 液柱
压降
1.9.2液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和流量均不大，故可忽略液面落差的影响。
1.9.3液沫夹带
板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象，叫做液沫夹带。为保证板式塔能维持正常的操作效果，通常塔板上液沫夹带量，可按下式计算：
（1-19）
精馏段：
提馏段：
故在本设计中液沫夹带量在允许范围内，不会发生过量液沫夹带。
1.9.4漏液
漏液验算，根据公式： （1-20）
稳定系数：
--筛孔气速
--漏液点气速
精馏段：
实际孔速：
稳定系数为

提馏段：
实际孔速：
稳定系数：
故在本设计中无明显漏液。
1.9.5液泛
为阻止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从的关系：
（乙醇-水不易分离的体系）
精馏段：
又因为
板上不设进口堰：

提馏段：

故在本设计中不会发生液泛现象。
1.10.塔板负荷性能图
1.10.1精馏段塔板负荷性能图
（1）漏液线

据此可以做出与流体流量无关的水平漏液线
（2）液沫夹带线
以

则

解得
计算所得：

0.002
0.004
0.006
O.008

0.0094
0.0088
0.0083
0.0078
（3）液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上清液层高度作最小液体负荷标准，由

则：

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限3
（4）液相负荷上限线
以 作为液体在降液管管中停留时间的下限

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线4
（5）液泛线
令

联立的： （1-21）
整理得：
0.162
0.224

1.434

(1-14)

列表计算如下

0.004
0.006
0.008
0.010

1.06
1.01
0.945
0.88
由此表数据即可做出液泛线5
根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能曲线:

图1-5 精馏塔负荷曲线图
1.11提馏段塔板的负荷性能图
1.11.1漏液线

0.816
据此可得出与流体流量无关的水平漏液线。
1.11.2液沫夹带线
以为限，求如下：
（1-22）

， ，
则

解得：1.358-13.7

0.002
0.004
0.006
0.008

1.358
1.303
1.276
1.248
可作出液沫夹带线2。
1.11.3液相负荷下限

0.000285
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3
1.11.4液相负荷上限线

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4
1.11.5液泛线
0.144

可得方程： （1-23）

列表计算如下：

0.001
0.004
0.006
0.008
0.010

1.14
1.101
0.936
0.808
0.624
根据以上各线方程，可做出筛板塔提馏段的负荷性能图

图1-6 提馏段负荷性能曲线图
1.12各接管尺寸的确定即及选型
1.12.1进料管尺寸的计算及选型
料液质量流率：
进料温度：,在此温度下，
则从 可得
则其体积流量：
取管内流速：
则进料管管径：

1.12.2釜液出口管尺寸的计算与选型
釜液质量流率：
出料温度：,在此温度下，
则
体积流率：
取釜液出塔的流速:
则釜液出口管管径：

8心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，他可以使气(或汽)或液液两相紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。因此，掌握精馏塔的基本设计是身为化工专业学生是十分重要的。
本设计进行乙醇和水的分离，采用直径为1.2m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。
该设计的优点：
1．耐腐蚀和不易阻塞，操用、调节、检修方便；
２．结构简单、材料耗用量少，制造安装较容易；
３．处理能力大，效率较高，压强较低，从而降低了操作费用；
４．操作弹性较大。
回顾起此次筛板塔课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整三个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说泵的选型，由于裙座找不到标准，因此也只能用别人用过的数据，取3m，而在计算泵的扬程时，涉及到装置的分布问题……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，由于筛板塔的设计是比较少参考文献，特别是流体力学性能和负荷性能图那个版块的知识点很多没有统一的结论，经验式也较为混乱，最后在郑育英老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在郑育英老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！