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1、 分离乙醇-水精馏塔设计 设计人员： 所在班级： 化学工程和工艺 成绩： 指导老师： 日期： 化工原理课程设计任务书 一、 设计题目：乙醇---水连续精馏塔设计 二、 设计任务及操作条件 （1） 进精馏塔料液含乙醇35％（质量分数，下同），其它为水； （2） 产品乙醇含量不得低于90％； （3） 塔顶易挥发组分回收率为99％； （4） 生产能力为50000吨/年90％乙醇产品； （5） 每十二个
2、月按330天计，天天二十四小时连续运行。 （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 kPa。 三、 设备形式：筛板塔或浮阀塔 四、 设计内容： 1、 设计说明书内容 1） 精馏塔物料衡算； 2） 塔板数确实定； 3） 精馏塔工艺条件及相关物性数据计算； 4） 精馏塔塔体工艺尺寸计算； 5） 塔板关键工艺尺寸计算； 6） 塔板流体力学验算； 7） 塔板负荷性能图； 8） 精馏塔接管尺寸计算； 9） 对设计过程评述和相关问题讨论； 2、 设计图纸要
3、求； 1） 绘制生产工艺步骤图（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t-x-y 数据； 2. 乙醇密度、粘度、表面张力等物性参数。 一、 设计题目：乙醇---水连续精馏塔设计 二、 设计任务及操作条件：进精馏塔料液含乙醇35％（质量分数，下同），其它为水；产品乙醇含量不得低于90％；塔顶易挥发组分回收率为99％，生产能力为50000吨/年90％乙醇产品；每十二个月按330天计，天天二十四小时连续运行。塔顶压强 4kPa （表压）进料热状态 自选回流比 自选 加热蒸汽压力 低压蒸汽（或自选）单板压降 ≤
4、0.7kPa。 三、 设备形式：筛板塔 四、 设计内容： 1） 精馏塔物料衡算： 原料乙醇组成 xF＝＝0.1740 原料乙醇组成 xD0.7788 塔顶易挥发组分回收率90％ 平均摩尔质量 MF = 因为生产能力50000吨／年，. 则 qn，F 所以，qn，D 2） 塔板数确实定： 甲醇—水属非理想体系，但可采取逐板计算求理论板数,本设计中理论塔板数计算采取图解法。由乙醇和水相关物性数据，求求得乙醇—水体系相对挥发度α=5.1016， 最小回流比计算：采取泡点进料，所以q＝1，xF， 由气液平衡方程y ， 所以yq，即，把xF=xq=𝟎
5、120783;𝟕𝟒𝟎作y轴平行线交操作线和f.以下图 即 .求得yq=0.5130. 所以，依据最小回流比计算公式Rmin 即，Rmin=,依据回流比R是最小回流比适宜倍数，所以选择选择2倍。即R=2Rmin=0.879. 进料热情况选择为泡点进料，所以q=1 精馏段，根基操作线方程：y= 所以，y=0.468 x+0.415 联立y=x 所以x=xD=0.7801 提馏段，y=联立y=x求得y=2.872x-0.078所以提馏段x=xw=0.04 依据xD，xw，及xq和操作线方程，利用图解法在x-y坐
6、标上做出平衡线和对角线而且画梯级作图以下： 由图可知，精馏段塔板为10.提馏段为5.一个再沸器.所以提馏段为4个板.所需总塔板数为提馏段和精馏段之和，故，所需总塔板数为14. 查手册得水和乙醇气液平衡数据，t数据利用表2中数据由拉格朗日插值可求得、、。 进料口： , =79.26℃ 塔顶：，=78.05℃ 塔釜：，=97.63℃ 精馏段平均温度℃ 提馏段平均温度 ℃ 由塔顶和塔底平均温度得 =℃ 查手册得，由内插法可得在87.84℃下，乙醇粘度为，水粘度为 能够有下式求得平均粘度 其中xi-进料中某组分摩尔分数 -该组分粘度，根据塔平均温度下液体计 则=0.4
7、0.3790+0.6*0.3245=0.3463mPaS 带入回归方程E1=0.563-0.276lg2=0.594 该算法为泡罩塔蒸馏塔总板效率，则筛板塔为E=1.1E1=0.653 精馏段实际板层数 = 10/0.653=16 提馏段实际板层数 =4/0.653=7 进料板位置 总塔板数 Nc=16+7=23 3） 精馏塔工艺条件及相关物性数据计算： 一、 乙醇气液平衡数据（101.3kPa） 表1以下 T/℃ 液相xa/% 气相ya/% T/℃ 液相xa/% 气相ya/% T/℃
8、 液相xa/% 气相ya/% 100 0 0 88.3 6.9 38.1 82.4 25 55.5 99.3 0.2 2.5 87.9 7.4 39.2 81.6 30.6 57.7 98.8 0.4 4.2 87.7 7.9 40.2 81.2 35.1 59.6 97.7 0.8 8.8 87.4 8.4 41.3 80.8 40 61.4 96.7 1.2 12.8 87 8.9 42.1 80.4 45.4 63.4 95.8 1.
9、6 16.3 86.7 9.4 42.9 80 50.2 65.4 95 2 18.7 86.4 9.9 43.8 79.8 54 66.9 94.2 2.4 21.4 86.2 10.5 44.6 79.6 59.6 69.6 93.4 2.9 24 86 11 45.4 79.3 64.1 71.9 92.6 3.3 26.2 85.7 11.5 46.1 78.8 70.6 75.8 91.9 3.7 28.1 85.4 12.
10、1 46.9 78.6 76 79.3 91.3 4.2 29.9 85.2 12.6 47.5 78.4 79.8 81.8 90.8 4.6 31.6 85 13.2 48.1 78.2 86 86.4 90.5 5.1 33.1 84.8 13.8 48.7 78.15 89.4 89.4 89.7 5.5 34.5 84.7 14.4 49.3 95 94.2 89.2 6 35.8 84.5 15 49.8 100
11、 100 89 6.5 37 83.3 20 53.1 查阅文件，整理相关物性数据 表2以下 （1）水和乙醇物理性质 水和乙醇物理性质 名称 分子式 相对分子质量 密度 20℃ 沸 点 101.33kPa ℃ 比热容 (20℃) Kg/(kg.℃) 黏度 (20℃) mPa.s 导热系数 (20℃) /(m.℃) 表面 张力 (20℃) N/m 水 18.02 998 100 4.183 1.005 0.599 72.8
12、 乙醇 46.07 789 78.3 2.39 1.15 0.172 22.8 乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18 由常压下乙醇-水溶液温度组成t-x-y图可查得 塔顶温度 tD=78.3℃ 泡点进料温度 tF=84.0℃ 塔釜温度 tW=99.9℃ 全塔平均温度 由液体黏度共线图可查得t=87.4℃下，乙醇黏度μL=0.38mPa·s，水黏度μL =0.3269mPa·s 依据物性参数数据求求得乙醇—水体系相对挥发度α=5.1016，依据最小回流比计算公式Rmin=(xD
13、yq)/(yq-xq) 即，Rmin=(0.7788-0.5179)/(0.5179-0.1740)=0.7586，因为依据选择适宜回流比，选择R=1.7Rmin=1.2896， 4） 精馏塔塔体工艺尺寸计算： 塔径计算 精馏段气、液相体积流率为 提馏段气、液相体积流率为 由 由下式计算由史密斯关联图查取： 精馏段： 图横坐标为： 取板间距 板上液层高度 ，则 HT-hL=0.40-0.05=0.35m 查图得 =1.903m/s 取安全系数为0.7，则空塔气速为：
14、 按标准塔径圆整后为=1.4m 塔截面积为 精馏段实际空塔气速为 提馏段： 图横坐标为： 取板间距 板上液层高度 ，则 查图得 =1.026m/s 取安全系数为0.7，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为=1.4m 塔截面积为 提馏段实际空塔气速为 精馏塔有效高度计算 精馏塔有效高度为： 提馏段有效高度为： 在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m， 故精馏塔有效高度为： 表5 塔板间距和塔径关系 塔 径/D，m 0.3～0.5 0.5～0.8 0.8～1.6 1.
15、6～2.4 2.4～4.0 板间距/HT，mm 200～300 250～350 300～450 350～600 400～600 由表验算以上所计算塔径对应板间距均符合，所以以上所假设板间距均成立。 5） 塔板关键工艺尺寸计算； 溢流装置计算 因塔径D=1.4m ,可选择单溢弓形降液管,采取凹形受液盘.各项计算以下: 堰长计算 堰长通常依据经验公式确定，对于常见弓形降液管： 单溢流 堰长 lw取 溢流堰高度计算 溢流堰高度可由下式计算： 式中：——板上清液层高度，m；通常取50~100 ——堰上液层高度，；通
16、常设计时不宜超出60~70 mm. 对于平直堰，堰上液层高度可用弗兰西斯（Francis）公式计算，即 式中：——塔内液体流量， ——液体收缩系数。 近似取E=1 精馏段： ，故取则 取板上清液层高度 故 提馏段： ， 故取 则 取板上清液层高度 故 弓形降液管宽度Wd及截面积AF 精馏段： 由 查弓形降液管参数表得： 得： 液体在降液管中停留时间,按式，即 故降液管设计合理，能够实现分离。 提馏段： 由 查弓型降液管参
17、数图得： 得： 液体在降液管中停留时间,按式，即 故降液管设计合理，能够实现分离。 3.5.1.4 降液管底隙高度h0 式中：——液体经过底隙时流速， 依据经验，取=0.06~0.25 精馏段：取 则 故降液管底隙高度设计合理.选择凹形受液盘深度： 提馏段：取 则 故降液管底隙高度设计合理.选择凹形受液盘深度： 塔板部署 板式塔类型有多个，经过比较工艺条件考虑，本设计采取筛板，以下为筛板计算。 塔板分块 因 , 故塔板采取分块式.查表6
18、 表6 塔径mm 800-1200 1400-1600 1800- 2200-2400 塔板分块数 3 4 5 6 得,塔板分为4块. 边缘区宽度确定 溢流堰前安定区宽度为 进口堰后安定区宽度为Ws’=50-100mm 边缘区（无效区）宽度为 取， 开孔区面积计算 开孔区面积，按下式计算,即 其中 故 筛孔计算及其排列 本例所处理物系无腐蚀性,可选择 =3mm碳钢板,取筛孔直径 d0=5mm 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t 为： 筛
19、孔数目n 为 ： 开孔率为 精馏段气体经过阀孔气速为： 提馏段气体经过阀孔气速为： 筛孔计算及其排列 本例所处理物系无腐蚀性,可选择 =3mm碳钢板,取筛孔直径 d0=5mm 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t 为： 筛孔数目n 为 ： 开孔率为 精馏段气体经过阀孔气速为： 提馏段气体经过阀孔气速为：
20、 6)塔板流体力学验算 塔板压降 精馏段 ： 干板阻力hc计算 干板阻力 hc 由下式计算, 即 由，查《常见化工单元设备设计》得, C0=0.772 故 液柱 气体经过液层阻力 气体经过液层阻力可由下式计算，即 查充气系数关联图，得到 故 液体表面张力阻力计算 液体表面张力所产生阻力可由下式计算，即 则 气体经过每层塔板液柱高度 则 液柱 气体经过每层塔板压降为 （设计许可值） 提馏段： 干板阻力hc计算 干板阻
21、力 hc 由下式计算, 即 由，查《常见化工单元设备设计》得, C0=0.772 故液柱 塔上液层有效阻力hl计算 液体表面张力所产生阻力hl计算,即 查充气系数关联图，得到 故 液体表面张力阻力计算 液体表面张力所产生阻力由下式计算，即 气体经过每层塔板液柱高度 则 液柱 气体经过每层塔板压降为 (设计许可值) 液面落差 对于筛板塔,液面落差很小,且本例塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差影响. 液沫夹带 精馏段：液沫夹带量由下式计算,即 故在本设计中液沫夹带量e
22、v在许可范围内。 提馏段：液沫夹带量由下式计算,即 故在本设计中液沫夹带量ev在许可范围内 漏液 对筛板塔,漏液点气速u0,min计算,即 精馏段： 实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无显著漏液 提馏段： 实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无显著漏液 液泛 为预防塔内发生液泛,降液管内液层高 Hd应服从下式关系,即 精馏段： 乙醇-水体系属通常物系，取φ=0.5,则 而 板上不设进口堰, hd 可由下式计算,即 液柱 液柱
23、 =0.22m 故在本设计中不发生液泛现象. 提馏段： 乙醇-水物系属通常物系，取φ=0.5,则 而 板上不设进口堰, hd 可由下式计算,即 液柱 液柱 =0.2175m 故在本设计中不发生液泛现象. 7) 塔板负荷性能图 漏液线 由 得 =4.4×0.772×0.101×1.1 整理得 在操作范围内,任取多个Ls 值, 依上计算 Vs 值, 计算结果列于表 7 . 表7 0.0006
24、0.0015 0.0030 0.0045 0.7710 0.7982 0.8318 0.8589 由上表数据即可作出精馏段漏液线 提馏段漏液线： 得 =4.4×0.772×0.101×1.1 整理得 在操作范围内,任取多个Ls 值, 依上计算 Vs 值, 计算结果列于表 8 . 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 0.8371 0.9196 0.9673 1.006 液沫夹带线 以 ev =0.1kg液/kg气为限,求Vs- Ls 关系以下: 由 精馏段：hf=2.
25、5hl=2.5(hw+how) hw=0.0364m 故 整理得 , 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 , 3.011 2.952 2.812 2.695 在操作范围内,任取多个值,依上式计算出值,计算结果列于下表 9 由上表数据即可作出精馏段液沫夹带线 提馏段：hf=2.5hl=2.5(hw+how) hw=0.0351m 故 整理得 , 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 , 3.594 3.468 3.306
26、 3.169 在操作范围内,任取多个值,依上式计算出值,计算结果列于下表 10 由上表数据即可作出提馏段液沫夹带线 液相负荷下限线 对于平直堰,取堰上液液层高度作为最小液体负荷标准.由下式得 取E=1则 精馏段 提馏段 据此可作出和气体流量无关垂直液相负荷下限线 液相负荷上限线 以作为液体在降液管理中停留时间下限,由下式得 故精馏段 据此可作出和气体流量无关垂直液相负液上限线。 液泛线 令 由; ; ; 联立得 忽略 将 和,和, 和 关系式代入上式,并整理得 式中
27、 将相关数据代入,得 精馏段： 故 在操作范围内,任取多个值,依上式计算出 值,计算结果列于下表 11 , 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 , 3.470 3.387 3.262 3.132 由以上数据即可作出精馏段液泛线 提馏段： 故 在操作范围内,任取多个值,依上式计算出 值,计算结果列于下表 12 , 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 , 4.158 4.058 3.912 3
28、766 由以上数据即可作出提馏段液泛线 依据以上各线方程,可作出精馏段筛板塔负荷性能图,图所表示. 在负荷性能图上，作出精馏段操作线，由图可看出，该筛板操作上限为液泛控制，下限为漏夜控制。由图查得 νs max=0.78m3/s ， νs min=3.24m3/s 故操作弹性为 νs max/νs min=3.24/0.78=4.15 依据以上各线方程,可作出提馏段筛板塔负荷性能图,图所表示. 在负荷性能图上，作出提留段操作线；由图可看出，该筛板操作上限为液泛控
29、制，下限为漏夜控制。由图查得 νs max=0.85 m3/s ， νs min=3.6m3/s 故操作弹性为 νs max/νs min=0.85/3.6=4.23 依据以上各线方程,可作出提馏段筛板塔负荷性能图,图所表示. 筛板塔设计计算结果 序号 项目 数值 1 平均温度tm，℃（精馏段） 78.65 平均温度tm，℃(提馏段) 88.445 2 平均压力Pm,，kPa（精馏段） 108.45 平均压力Pm,，kPa(提馏段) 113.35 3 气相流量VS（m3/s）（精馏段） 2.015 气相流
30、量VS（m3/s）（提馏段） 1.981 4 液相流量LS(m3/s) （精馏段） 0.002702 液相流量LS(m3/s) （提馏段） 0.003081 5 实际塔板数 22 6 有效段高度Z，m 8．8 7 塔径,m 1.4 8 板间距,m 0.4 9 溢流形式 单溢流 10 降液管形式 弓形 11 堰长,m 0.924 12 堰高,m（精馏段） 0.0364 堰高,m（提馏段） 0.0351 13 板上液层高度,m 0.050 14 堰上液层高度,m（精馏段） 0.0136 堰上液层高度,m（提馏段 0.0
31、1489 15 降液管底隙高度m(精馏段) 0.0244 降液管底隙高度m(提馏段) 0.0278 16 安定区宽度,m 0.07 17 边缘区宽度,m 0.035 18 开孔区面积,m2 1.11 19 筛孔直径,m 0.005 20 筛孔数目 5698 21 孔中心距,m 0.015 22 开孔率,% 10.1 23 空塔气速,m/s 1.288 24 筛孔气速,m/s(精馏段) 17．97 筛孔气速,m/s(提馏段) 17.67 25 稳定系数(精馏段) 2.355 稳定系数(提馏段) 2.043 26 负
32、荷上限 液泛控制 27 负荷下限 漏液控制 28 液沫夹带eV,(kg液/kg气) 0.1 29 液相负荷上限,m3/s 0.007882 30 液相负荷下限m3/s 0.0111 31 操作弹性（精馏段） 4.15 操作弹性（提馏段） 4.23 8)精馏塔接管尺寸计算； 进料管 前已算出，塔径D=0.7m，故可采取简单直管进料结构，不加套管，手可入塔检修，由下式计算进料管直径 料液由泵输送时可取1.5～2.5m/s 取 则D=0.031m=31mm， 选内管为φ323.5，a
33、10mm b=25mm c=10mm H2=150mm 回流管 通常重力回流管内液速度取0.2-0.5m/s，由泵输送uR=1.2-2.5m/s，取uR=2m/s，回流管直径 液相： L=209.12540.66=8503.02kg/h D= 取管规格45mm 塔顶蒸汽出料管 塔顶温度为78.3℃，此时 气相组成： 塔顶蒸气密度 蒸气体积流量 常压下蒸汽速度为15m/s 蒸汽量为V=m3/s 取回流管规格为。 塔釜排出管 通常取0.5-1.0m/s，取0.8m/s Ml=18.28kg/kmol 3 Lw=
34、 取此管规格为60mm 10） 对设计过程评述和相关问题讨论； 2设计图纸要求； 1绘制生产工艺步骤图（A2 号图纸）； 乙醇——水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采取全冷凝后，部分回流，其它作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采取间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。 精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经数次部分气化和部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中冷却介质将余热带走。 乙醇—水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上和自塔上部下降回流液体汇合后，
35、逐板溢流，最终流入塔底。在每层板上，回流液体和上升蒸汽相互接触，进行热和质传输过程。 1) 乙醇水工艺步骤图 2)精馏塔设计条件图：a,b 图a 图b 五 设计基础数据： 1常压下乙醇---水体系t-x-y 数据； 液相中乙醇摩尔分数 气相中乙醇摩尔分数 x y 0.000 0.000 0.010 0.110 0.020 0.175 0.040 0.273 0.060 0.340 0.080 0.392 0.100 0.430 0.140 0.
36、482 0.180 0.513 0.200 0.525 0.250 0.551 0.300 0.575 0.350 0.595 0.400 0.614 0.450 0.635 0.500 0.657 0.550 0.678 0.600 0.698 0.650 0.725 0.700 0.755 0.750 0.785 0.800 0.820 0.850 0.855 0.894 0.894 0.900 0.898 0.
37、950 0.942 1.000 1.000 3. 2乙醇密度、粘度、表面张力等物性参数。 名称 分子式 相对分子质量 密度 20℃ 沸 点 101.33kPa ℃ 比热容 (20℃) Kg/(kg.℃) 黏度 (20℃) mPa.s 导热系数 (20℃) /(m.℃) 表面 张力 (20℃) N/m 水 18.02 998 100 4.183 1.005 0.599 72
38、8 乙醇 46.07 789 78.3 2.39 1.15 0.172 22.8 乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18 设计总结和心得： 精溜塔设计，在化工行业有较广应用，经过短短两周设计，使我认识到精溜在应用是十分广泛，不过，要把此塔设计好，是有一定难度，它不仅要求我们拥有熟练理论基础，还要求我们掌握一定实践基础。 在本设计中，计算复杂，计算量大。很多细节需要认真思索分析后，作出判定，这过程中，多亏了我和吴喆同学在一起讨论，假设，和计算才最终取得了乙醇—水精馏塔设计圆满成功。这次设计是我们收获很多，原来化工操作和生产包含了如此多技术和知识。我们也在此次设计中认知到了自己知识贮备不足，认识到了不足后，我们也会以愈加严谨态度去学习化工原理这门课，只有理论和实践相结合才能发挥知识更大作用。
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