课程设计分离乙醇—水混合液的筛板精馏塔设计与实现.docx

新疆工业高等专科学校

课程设计说明书

题目名称：分离乙醇—水混合液的筛板精馏塔设计

系 部： 化学工程系
专业班级： 煤化09—3（2）班
学生姓名：
指导教师：

精馏是利用物质沸点的不同，多次的进行混合蒸气的部分冷凝和混合液的部分蒸发的过程，以达到分离的目的。设计目的：
1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。
2积极引导学生去思考，培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力，以及查阅资料、处理数据的能力。
设计任务或主要技术指标：
设计一个生产能力为5000kg/h，原料中乙醇含量为30%（质量分数，以下同），分离要求为塔顶乙醇含量不低于95%；塔底乙醇含量不高于0.4%；常压下操作，塔顶采用全凝器，饱和液体进料的浮阀精馏塔。

目 录
1.筛板精馏塔的设计 1
1．1 塔型的选择 1
1.2 设计条件的选择 1
1.3 物料衡算 1
1.4 相平衡关系 1
1.5 塔板数的确定 1
1.5.1 确定进料热状态 1
1.5.2 求最小回流比 Rmin 2
1.5.3 选择回流比 R 2
1.5.4 求取理论板数NT 2
1.5.5 灵敏板的确定 2
1.5.6 确定实际板数N 2
1.6 塔板的设计（只设计精馏段） 2
1.6.1 塔径初选与计算 3
1.6.2 塔板详细设计 4
1.7 负荷性能图 4
2 板塔的工艺设计 5
2.1塔的类型是：板式塔 5
2.2设计条件的选择 5
2.3精馏塔全塔物料恒算 5
2.4相平衡关系 6
2.5塔板数的确定 6
2.5.1 确定进料热状态 6
2.5.2 求最小回流比 Rmin 6
2.5.3 选择回流比 R 6
2.5.4相对挥发度 7
2.5.5求取理论板数NT 7
2.5.6 确定实际板数N 8
3．塔径初选与计算 9
3.1 物性数据 10
3.1.1 定性温度： 10
3.1.2 气相和液相平均摩尔量 10
3.1.3 液相轻组分质量分率与气相和液相平均密度 11
3.1.4 气相和液相体积流量 12
3.1.5 混合液体液表面张力 13
3.1.6 混合液的黏度 15
3.1.7 相对挥发度 16
3.2 选取板间距 HT 16
3.3 液泛气速umax 和气速u 16
3. 4 降液管型式与堰长 lw，计算塔径 D 17
3.4.1 降液管型式：单流型 17
3.4.2 堰长 lw 17
3.4.3塔径 D 17
3.5 塔板详细设计 17
3.5.1 溢流堰的型式和高度 hw 17
3.5.2 降液管和受液盘的结构及有关尺寸 18
3.6塔板布置 18
3.7 塔板校核 19
3.7.1 降液管液泛 19
3.7.2 降夜管内停留时间 20
3.7.3 液沫夹 20
3.7.4 漏液克服液面表面张力的作用引起的压降 20
3.8 负荷性能图 21
3.8.1 气体流量的流体力学上下线 21
附图1 24
附图2 25
参考文献 26

1.筛板精馏塔的设计
1．1 塔型的选择
填料、板式（泡罩、浮阀、筛板、舌形、网孔、垂直筛板、多降液管塔板等）
1.2 设计条件的选择
（1）操作压强(常压、加压、真空)；
（2）进料热状态和回流热状态；
（3）加热方式（直接、间接）；
（4）冷凝与冷却。
条件选择的原则：技术上可行、经济上合理。
1.3 物料衡算
全塔物料横算 F=D+W
FxF=DxD+WxW
联立解得：D，W
1.4 相平衡关系
可认为对本次设计给出的物系，溶液为理想溶液，气体为理想气体。查平衡数据，将t，xA，yA三个参数同时绘制在一张方格纸上作 t ～ x (y) 图，然后根据t ～ x (y) 图作y ～ x图。

1.5 塔板数的确定
1.5.1 确定进料热状态
泡点进料：
1.5.2 求最小回流比 Rmin
可用图解法确定、（q线与平衡线交点）。
1.5.3 选择回流比 R
最适宜回流比的选择原则：总费用最低。
Ropt =（1.2～2.0）Rmin
1.5.4 求取理论板数NT
逐板计算法：交替使用平衡方程与操作线方程（也可用图解法）。
1.5.5 灵敏板的确定
由每块理论板的组成，可查出对应的泡点，作温度分布曲线（～NT），可大致确定灵敏板的位置。
然后，再由全塔效率定出灵敏板所对应的实际板位置。
1.5.6 确定实际板数N
由O’connell关联图确定全塔效率ET。
实际板数：，塔釜为一块理论板
加料板位置：，为精馏段理论板数。
1.6 塔板的设计（只设计精馏段）
设计意图：总体逆流、板上错流。
克服塔内的非理想流动：液沫夹带、气泡夹带、气体的不均匀流动、液体的不均匀流动。
克服塔的不正常操作现象：夹带液泛、溢流液泛、严重漏液。）
1.6.1 塔径初选与计算
（1）物性数据
定性温度：，由查取的平衡组成：xA，yA；密度：ρLA，ρLB；表面张力：，
气相平均摩尔量：
气相平均密度：
气相体积流量：，m3/h
液相平均摩尔量：
液相轻组分质量分率：
液相平均密度：
液相体积流量：，m3/h
液相表面张力近似为：
（2）选取板间距 HT（预选450 mm）
注意：现在一般都采用较大的板间距。
（3）求液泛气速 umax
计算气液两相流动参数（动能因子）FLV，查取气相负荷因子C20。

（4）设计气速u
u=（0.6～0.8）umax
（5）确定降液管型式与堰长 lw，计算塔径 D

单流型、双流型、多流型、阶梯流型。弓形降液管，单流型取 lw / D = 0.6～0.8。
注意圆整规则,100 mm进位；200 mm进位。
1.6.2 塔板详细设计
（1）溢流堰的型式和高度 hw
一般为平堰，堰上溢流高度 how≤ 6 mm 时用齿形堰。
（2）降液管和受液盘的结构及有关尺寸
弓形降液管一般是垂直的。为保证液封，避免堵塞，降液管底部与塔板的间隙 ho为：hw -ho > 6～12 mm
(3) 塔板布置
一般取边缘区宽度=50mm ,安定区宽度=70mm
（4）塔板校核
具体参见教材
1.7 负荷性能图
（1）液相下限线
（2）液相上限线
（3）漏液线
（4）过量液沫夹带线
（5）溢流液泛线
（6）操作点与操作线
方格纸上画负荷性能图。
塔的操作弹性：，比较理想。
2 板塔的工艺设计
2.1塔的类型是：板式塔
2.2设计条件的选择
（1）操作压强：常压；
（2）进料热状态和回流热状态：泡点进料；
（3）加热方式：直接；
（4）冷凝与冷却。
条件选择的原则：技术上可行、经济上合理。
2.3精馏塔全塔物料恒算
设计题目：分离乙醇—水混合液的浮阀精馏塔设计
原始数据及条件：
生产能力：年处理乙醇—水混合液5000Kg/h；
原料：乙醇含量为30%;
分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%（质量分数）；
塔底乙醇含量不高于0.4%（质量分数）；
F：原料液流量 : 原料液组成
D：塔顶产量流量 : 塔顶组成
W：塔底残留液流量 ：塔底组成
原料乙醇组成：
塔顶组成：
塔底组成：
进料量：
物料恒算式：

联立代入求解：D= 44.95 W= 182.32
2.4相平衡关系
可认为对本次设计给出的物系，溶液为理想溶液，气体为理想气体。查平衡数据，将t，xA，yA三个参数同时绘制在一张方格纸上作 t ～ x (y) 图，然后根据t ～ x (y) 图作y ～ x图见附图1。

2.5塔板数的确定
2.5.1 确定进料热状态
泡点进料：
2.5.2 求最小回流比 Rmin
用图解法确定、因为泡点进料，根据y-x曲线图知：

2.5.3 选择回流比 R
取
2.5.4相对挥发度
①精馏段挥发度：由 ，得：
， 所以
②提溜段挥发度：由，得：
， 所以
2.5.5求取理论板数NT
理论板：指离开这种板的气、液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。
理论板的计算方法：可采用逐板计算法、图解法，在本次实验设计中可采用图解法。
根据在下，乙醇—水的气、液平衡组成关系可绘制出平衡曲线，即x—y曲线图，泡点进料，所以q=1，即q为一直线，本平衡具有以下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切，如图（图1—4）：
，，所以操作线回流比；
已知：精馏段操作线方程：
提溜段操作线方程：
精馏段平衡方程： ；提馏段平衡方程：
第1块塔板上升蒸汽的组成 ：

第1块塔板下降液体的组成 ：

第二块塔板上升蒸汽的组成：

第二块下降液体的组成：

由于；按提馏段方程计算：
第三块上升蒸汽的组成：

第三块下降液体的组成：

………
第八块上升蒸汽组成：

第八块下降液体的组成：

在图上作操作线，有点（）气在平衡线与操作线见画阶梯，过精溜段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交与小于为止，由此得到理论板块（包括再沸器）加料板为第3块理论板。
2.5.6 确定实际板数N
板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质即流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度，板效率可用奥康奈尔公式
式中α—塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；
—塔顶与塔底的平均温度下的液相黏度；
—塔顶与塔底平均温度下的黏度
（1）精馏段
已知：，
所以：

（2）提溜段
已知：，
所以：，
故：
全塔所需实际塔板数：
3．塔径初选与计算
表1—1 乙醇—水气、液平衡组成与温度关系
沸点t/
乙醇分子/%
（液相）
乙醇分子/%
（气相）

沸点t/
乙醇分子/%
（液相）
乙醇分子/%
（气相）
100
99.9
99.8
99.7
99.5
99.2
99
98.75
97.64
95.8
95.5
91.3
89.0
87.9
86.7
85.3
85.2
84.1
83.75
82.7
82.3
82.3
0
0.004
0.04
0.05
0.12
0.23
0.31
0.39
0.79
1.61
1.90
4.16
7.21
7.41
9.66
12.38
12.64
16.61
17.41
23.37
25.75
26.08
0
0.053
0.51
0.77
1.57
2.90
3.725
45
8.76
16.34
17.00
29.92
38.91
39.61
43.75
47.04
47.49
50.89
51.67
54.45
55.74
55.80

82
81.5
81.3
80.7
80.6
80.1
79.85
79.8
79.7
79.5
79.3
79.2
78.95
78.75
78.74
78.6
78.4
78.27
78.2
78.15
78.15

27.3
32.73
33.24
39.65
42.09
48.92
52.68
50.79
51.98
61.02
57.32
65.64
68.92
72.36
74.72
75.99
79.82
83.87
85.97
89.41
89.43

56.44
59.26
58.78
61.22
62.22
64.70
66.28
65.64
65.99
70.29
68.41
72.71
74.69
76.93
78.15
79.26
81.83
84.91
86.40
89.41
89.43

3.1 物性数据
3.1.1 定性温度：
利用表1—1中数据由拉格朗日插值可求得、、
：：
：：
：：
精馏段平均温度：
提溜段温度：
3.1.2 气相和液相平均摩尔量
精馏段，=80.21℃
液相组成:： =47.78%
气相组成： =64.69%
所以 =
=
提溜段

液相组成： =5.50%
气相组成：
所以

3.1.3 液相轻组分质量分率与气相和液相平均密度
精馏段液相轻组分质量分率与提馏段液相清组分：

气相和液相的平均密度：
精馏段气相和液相的密度
表1—2 不同温度下乙醇和水的密度

温度/℃

温度/℃

80
85
90
735
730
724
971.8
968.6
965.3
85
100
720
716
961.85
958.4
求得与下的乙醇和水的密度。
，
，
同理：
，
，
在精馏段：液相密度

气相密度：∴
在提溜段：液相密度

气相密度：

3.1.4 气相和液相体积流量
因为泡点进料，根据y-x曲线图知：

取
① 提溜段

已知：

则有质量流量：

体积流量：

② 提溜段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1。

已知：

则有质量流量：

体积流量：

3.1.5 混合液体液表面张力
不同温度下乙醇和水的表面张力见表1—3。二元有机物—水溶液表面张力可用下列各式计算。

式中下角标,s、o、w分别代表水、有机物及表面部分，、指主体部分的分子数， 、为主体部分分子体公式：
表1—3 乙醇和水不同温度下的表面张力
温度/℃
70
80
90
100
乙醇表面张力
18
17.15
16.2
15.2
水表面张力/
64.3
62.6
60.7
58.8
精馏段

乙醇表面张力：，
水表面张力：，

因为，所以

联立方程组：,
代入求得：

提馏段
，
乙醇表面张力：，
水表面张力：，

因为，所以

联立方程组：
代入求得：

3.1.6 混合液的黏度
，查表得：
，查表得：
精馏段黏度：

提溜段黏度：

3.1.7 相对挥发度
①精馏段挥发度：由 ，得：
，
所以
②提溜段挥发度：由，
，

3.2 选取板间距 HT
取板间距：
3.3 液泛气速umax 和气速u
（1）精馏段
由u=(0.6~0.8) , =c,式中C可由史密斯关联图查出：
横坐标数值：
取板间距：
查图可知：

（2）提溜段
横坐标数值：
取板间距：
差图可知：

3. 4 降液管型式与堰长 lw，计算塔径 D
3.4.1 降液管型式：单流型
3.4.2 堰长 lw
设：
3.4.3塔径 D
精馏段： 圆整：
横截面积：
提馏段： 圆整：
横截面积：
3.5 塔板详细设计
3.5.1 溢流堰的型式和高度 hw
出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高 按下式计算：
,取
精馏段:

提溜段:

3.5.2 降液管和受液盘的结构及有关尺寸
（1）降液管的横截面和宽度
查图得：

（2）降液管底隙高度
①精馏段：
取降液管的底隙的流速：
②提溜段：

3.6塔板布置
鼓泡区的面积： 取，
由查图知：

筛孔按正三角形排列，取孔径，

3.7 塔板校核
3.7.1 降液管液泛
取板厚度，
查图8-20确定子流系数

故气体的动能因子：

查表8-19确定充气系数
液体通过降塔板的压降
液柱
液体通过降夜管的压降
液柱
降夜管内清夜层高度，并取泡沫相对密度，

可见满足要求，即降液管内不会发生液泛。
3.7.2 降夜管内停留时间

停留时间, 可见停留时间足够长，不会发生气泡夹带现象
3.7.3 液沫夹

可见液沫夹带量可以允许
3.7.4 漏液克服液面表面张力的作用引起的压降

漏液点气速

3.8 负荷性能图
3.8.1 气体流量的流体力学上下线
1）漏液线 将漏液线看成直线，取其上两点以大致确定其位置。
第一取设计点的液体流量于是，相应漏液点的气体体积流量为：
第二点取液体流量为
对应的漏液点气速为，
故
根据两点，作直线⑴即为漏液线
2）液体流量下限线，令，故：

在负荷性能图处做垂直线，即为液体流量下限线⑵。
3）液体流量上线 取降液管内停留时间为3s

在负荷性能图处作垂直直线，即为液体流量上限线⑶。
4）过量也沫夹带线 第一点为 ，
解出

于是
第二点取液体流量为

根据两点，在负荷性能图上作出液沫夹带线⑷
5）液泛线
第一点为设计点

以求得

即
已知,有上式解出，得

第二点取液体流量为

由上式解出为：

由两点，在负荷性能图上作出液泛线⑸
6）塔板工作线
在负荷性能图上作出斜率
,这是塔板工作线
塔板工作线与流体力学上下限线相交于两点，对应的纵坐标分别是，求出操作弹性：

附图1

附图2

参考文献
张浩勤 陆美娟 朱士亮 《化工原理》化学工业出版社，2009一月第二版第十五次印刷。
新疆工业高等专科学校
课程设计评定意见

设计题目： 分离乙醇-水混合液的筛板精馏塔设计
学生姓名：
评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）： 年 月 日

新疆工业高等专科学校
课程设计任务书
2 学年 2学期 2010 年 6 月 28 日
专业
煤化
班级

课程名称
精馏塔设计
设计题目

指导教师

起止时间

周数

设计地点

设计目的：
1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。
2积极引导学生去思考，培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力，以及查阅资料、处理数据的能力。
设计任务或主要技术指标：
设计一个生产能力为5000kg/h，原料中乙醇含量为30%（质量分数，以下同），分离要求为塔顶乙醇含量不低于95%；塔底乙醇含量不高于0.4%；常压下操作，塔顶采用全凝器，饱和液体进料的浮阀精馏塔。
设计进度与要求：
1拟订题目和课程设计指导书（包括课程设计目的、内容、要求、进度、成绩评定等），制定具体考核形式（一般应采用平常情况和答辩相结合方式）并于课程设计开始时向学生公布。
2完整的课程设计应由设计草稿书和任务书组成。草稿书不上交系里，是备指导老师检查之用，以督促学生按时完成设计及防止学生间抄袭。任务书应上交按照指定格式编排好的电子版及打印版。7月12日前上交系里。
主要参考书及参考资料：
1.姚玉英等.化工原理（下册.） 天津：天津大学出版社，1999
2.化学工程手册编辑委员会.化学工程手册（第十三篇，气液传质设备）.北京：化学工程出版社，1981
3.华南理工大学化工原理教研组.化工过程及设备设计。广州：华南理工大学出版社，1990
4.柴诚敬等.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，2000
5.传质与分离技术. 张立新 王宏 主编（化学工业出版社）.
6.化工原理实验及课程设计.陈均志 李磊 编著（化学工业出版社）.
7.陆美娟、张浩勤主编。化工原理（第二版、上册） 化学工业出版社.

符号说明
英文字母：
A—塔板开孔区面积m； A—奖液管截面积m
A—筛孔总面积m； A—塔截面积m
C—流量系数； C—计算u时的负荷系数m/s
C—气相负荷因子，m/s； d—筛孔直径，m
D—塔径，m； e—液沫夹带量kg(液)/kg(气)
E—液流收缩系数 E—总板效率
F—气相动能因子，kg/(sm); F—筛孔动能气象因子，kg/(sm)
h—进口堰与降液管间的水平距离，m； h—与干板上液压降相当的液柱高度，m
h—与液体流过降液管的压力降相当的液柱高度，m；
h—塔板上鼓泡层高度，m； h—与板上液层阻力相当的液柱高度，m
h—板上清液层高度，m； h—降液管的底隙该度，m
h—堰上液层高度，m； h—出口堰高度，m
h’— 进口堰高度，m； h—与克服的压降相当的液柱高度，m
H——板式塔高度;m H——塔底空间高度；m
H——降液管内清液层高度, m H——塔顶空间高度,m
H——进料板处塔板间距，m H——人孔处塔板间距，m
H——塔板间距，m K——稳定系数
L——堰长，m L——液体体积流量m/h
L——液体体积流量，m/s n——筛孔数目
N——理论板层数 P——操作压力，Pa
△P——压力降。Pa △P——气体通过每层筛板的压降，Pa
r——鼓泡区半径，m t——筛孔的中心距，m
u——空塔气速，m/s U——泛点气速。m/s
U——气体通过筛孔的速度。m/s U——漏液点气速。m/s
U’——液体通过降液管底隙的速度。m/s V——气体体积流量m/h
V——气体体积流量，m/s W——液体质量流量 kg/s
W——气体质量流量，kg/s W——边缘无效区宽度，m
W——弓形降液管宽度，m W——破漠区宽度，m