1、分离乙醇-水的精馏塔设计设计人员：所在班级： 化学工程与工艺 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 90；（3） 塔顶易挥发组分回收率为 99；（4） 生产能力为 50000 吨/年 90的乙醇产品；（5） 每年按 330 天计，每天 24 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
2、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；35） 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。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
3、：进精馏塔的料液含乙醇 35（质量分数，下同） ，其余为水；产品的乙醇含量不得低于 90；塔顶易挥发组分回收率为 99，生产能力为 50000 吨/年 90的乙醇产品；每年按 330 天计，每天 24 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 0.7kPa。三、 设备形式：筛板塔四、 设计内容：1） 精馏塔的物料衡算：原料乙醇的组成 xF0.1740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 =由于生产能力 50000 吨年，.则 qn，F所以，qn，D2） 塔板数的确定：甲醇水属非理想体系
4、，但可采用逐板计算求理论板数,本设计中理论塔板数的计算采用图解法。由乙醇和水有关物性的数据，求的求得乙醇水体系的相对挥发度 =5.1016，最小回流比的计算：采用泡点进料，所以 q1，xF，由气液平衡方程 y ， 所以 yq，即，把 xF=xq=.作y 轴平行线交操作线与 f.如下图即 .求得 yq=0.5130.5所以，根据最小回流比计算公式 Rmin即，Rmin=,根据回流比 R 是最小回流比的合适倍数，所以选择选择 2 倍。即 R=2Rmin=0.879.进料热状况选择为泡点进料，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
5、=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根据 xD，xw，及 xq 以及操作线方程，利用图解法在 x-y坐标上做出平衡线与对角线并且画梯级作图如下：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 、 、 。FtDWt进料口 ： , =79.26Ft 61.40837.261.84Ft塔顶 ： ， =78.05Dt .9597DtDt塔釜 ： ， =97.63Wt
6、 0.1.01wtWt精馏段平均温度 65.7821DFtt提馏段平均温度 4.2wFtt由塔顶和塔底平均温度得= t 84.7263.905.78WD查手册得，由内插法可得在 87.84下，乙醇的粘度为，水的粘度为smpaA3790. smpaB3245.0可以有下式求得平均粘度 ix其中 xi-进料中某组分的摩尔分数-该组分的粘度，按照塔的平均温度下的液体计i则 =0.4*0.3790+0.6*0.3245=0.3463mPaSav带入回归方程 E1=0.563-0.276lg 2=0.594)(lg0815.lgavav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
7、馏段实际板层数 N精 = 10/0.653=16提馏段实际板层数 提 =4/0.653=77进料板位置 16rN总的塔板数 Nc=16+7=233） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算：一、 乙醇气液平衡数据（101.3kPa） 表 1 如下T/液相xa/%气相ya/% T/液相xa/%气相ya/% T/液相xa/%气相ya/%100 0 0 88.3 6.9 38.1 82.4 25 55.599.3 0.2 2.5 87.9 7.4 39.2 81.6 30.6 57.798.8 0.4 4.2 87.7 7.9 40.2 81.2 35.1 59.697.7 0.8 8.8 87.4
8、8.4 41.3 80.8 40 61.496.7 1.2 12.8 87 8.9 42.1 80.4 45.4 63.495.8 1.6 16.3 86.7 9.4 42.9 80 50.2 65.495 2 18.7 86.4 9.9 43.8 79.8 54 66.994.2 2.4 21.4 86.2 10.5 44.6 79.6 59.6 69.693.4 2.9 24 86 11 45.4 79.3 64.1 71.992.6 3.3 26.2 85.7 11.5 46.1 78.8 70.6 75.891.9 3.7 28.1 85.4 12.1 46.9 78.6 76 79.
9、391.3 4.2 29.9 85.2 12.6 47.5 78.4 79.8 81.890.8 4.6 31.6 85 13.2 48.1 78.2 86 86.490.5 5.1 33.1 84.8 13.8 48.7 78.15 89.4 89.489.7 5.5 34.5 84.7 14.4 49.3 95 94.289.2 6 35.8 84.5 15 49.8 100 10089 6.5 37 83.3 20 53.1 查阅文献，整理有关物性数据 表 2 如下（1）水和乙醇的物理性质水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质量密度 20 3/kgm沸 点101.33kPa比热容(20)
10、Kg/(kg.)黏度(20)mPa.s导热系数(20)/(m.)表面张力 (20)N/m水 2HO18.02 998 100 4.1831.0050.599 72.8乙醇25C46.07 789 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-水溶液的温度组成 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CttWFD04.8739由液体的黏度共线图可查得 t=87.4下，乙醇的黏度 L=0.38mPas，水的黏度 L =0.3269mPas3269.0)174.(38.0
11、174. LixsmPa36.0根据物性参数数据求的求得乙醇水体系的相对挥发度=5.1016，根据最小回流比计算公式 Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)即，Rmin=(0.7788-0.5179)/(0.5179-0.1740)=0.7586，由于根据选择适宜的回流比，选择 R=1.7Rmin=1.2896，4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算：塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为 smVMs /127.46.309781536031 smLMs /293.178604.5.11 提馏段的气、液相体积流率为 sVMs /1.06.325360322 mLs /09.8.74322 由 VLCU
12、max由下式计算 20c由史密斯关联图查取：精馏段：图的横坐标为：031.)46.1782(305.27)( /1 vLsV取板间距 板上液层高度 ，则mHT40. mhL5.HT-hL=0.40-0.05=0.35m查图得 75.20C0824.)26.3(075.)( .2.1201 L1max,1VLCU46.7820.=1.903m/s取安全系数为 0.7，则空塔气速为： smu/32.190.7.0max,11 VDs 87.4.35411按标准塔径圆整后为 =1.4m塔截面积为 22215386.1.4mAT精馏段实际空塔气速为 sAVuTS/01提馏段：图的横坐标为： 046.)
13、.1987(360981.)( 2/2/12 vLsV取板间距 板上液层高度 ，则mHT40. mhL5.11mhHLT35.0.40查图得 76.20C091.)267.1(0.)2( 02 L22max,2VLCU06.1987.0=1.026m/s取安全系数为 0.7，则空塔气速为： smu/91.72.07.max,22 VDs /5143822按标准塔径圆整后为 =1.4m塔截面积为 2222 53864mAT提馏段实际空塔气速为 sAVuTS/.1.92精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度为： mHNZT8.240.18）（）（ 精精提馏段有效高度为： T.5.）（）（ 提提在进料板
14、上方开一人孔，其高度为 0.8m，故精馏塔的有效高度为：mZ8.02.58.0提精表 5 塔板间距与塔径的关系塔 径/ D， m 0.30.50.50.8 0.81.6 1.62.4 2.44.0板间距/HT， mm200300250350 300450 350600 400600由表验算以上所计算的塔径对应的板间距均符合，所以以上所假设的板间距均成立。5） 塔板主要工艺尺寸的计算；溢流装置计算因塔径 D=1.4m ,可选用单溢弓形降液管,采用凹形受液盘.各项计算如下:堰长 的计算Wl堰长一般根据经验公式确定，对于常用的弓形降液管：单溢流 Dlw)8.06(堰长 l w取 m924.016.溢
15、流堰高度 的计算Wh溢流堰高度 可由下式计算：w owLwh式中： 板上清液层高度，m；一般取 50100L .m13堰上液层高度， ；一般设计时不宜超过 6070 mm.owh.m对于平直堰，堰上液层高度 可用弗兰西斯（Francis）公式计owh算，即 3/21084.whowlLEh式中： 塔内液体流量，h hm/3液体收缩系数。E近似取 E=1 精馏段：，故取 则smLS/027.31 smLh/027.3how 16.)94.6(184. 31 取板上清液层高度 hL05故 mhw36.01.5.1提馏段：， 故取 则sLS/38.2 sLh/081.3mhow 0489.)924.
16、63(104.2/2取板上清液层高度 mL05故 hw31.148.5.2弓形降液管宽度 Wd及截面积 AF精馏段：由 查弓形降液管的参数表得：58.07.46Dlw12.d02.ATF得： 2m1.05386.0720TFADWd 14214.液体在降液管中停留时间,按式 ，即sLHATF53LHAhTF 4.163027.0.636 故降液管设计合理，可以实现分离。提馏段：由 6.0Dlw查弓型降液管参数图得：得： 2m1.05386.0720TFADWd 14214.液体在降液管中停留时间,按式 ，即sLHATF53LHAhTF 4.163027.0.636 故降液管设计合理，可以实现分
17、离。3.5.1.4 降液管底隙高度 h0124.0d072.TFulhwh003615式中： 液体通过底隙时的流速，ou sm/根据经验，取 =0.060.25o s/精馏段：取 则sm/12.0h494.3670mw 06.1 故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度： m40 0864.0346.1.0136.5.:1 111取故 wh hhwwowo 提馏段：取 则su/2.m078.1.94.0360hw 06.52 故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度： m40149.019.5.:111取故 whhwowo塔板的布置板式塔类型有多种，经过比较工艺条件的考虑，本设计采用筛
18、板，以下为筛板的计算。塔板分块因 , 故塔板采用分块式.查表 6mD140表 6塔径 mm 800-12001400-16001800-20002200-2400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 mWss107进口堰后的安定区宽度为 Ws=50-100mm边缘区（无效区）宽度为 c53取 ，msW07.c0.开孔区面积计算开孔区面积 ，按下式计算,即aArxxr122sin80其中 mWDxsd 456.0)7.136.(24)(2mrc 50.1故 21222 1.)65.04sin865.045.06.45.0(2 mAa 17筛孔计算及其排
19、列本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 =3mm 碳钢板,取筛孔直径 d 0=5mm筛孔按正三角形排列,取孔中心距 t 为： mdt0153筛孔数目 n 为 ： 个569801.15.22tAa开孔率为 %1.05.907.)(907. 22td精馏段气体通过阀孔的气速为： smAVus /97.10.15201提馏段气体通过阀孔的气速为： smAVus /67.10.19802筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 =3mm 碳钢板,取筛孔直径 d 0=5mm筛孔按正三角形排列,取孔中心距 t 为：mt153筛孔数目 n 为 ： 个698015.15.22tAna开孔率为 %1.05.
20、907.)(907. 22td精馏段气体通过阀孔的气速为： smAVus /97.10.1201提馏段气体通过阀孔的气速为： sus /67.10.18026)塔板的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 LVcCuh2051.由 ，查常用化工单元设备的设计67.135%,.0d得, C 0=0.772故 液柱mhc 051.78240915气体通过液层的阻力 计 算1气体通过液层阻力 可由下式计算，即 hLh1smAVufTsa/41.19).(705.14612/12/10 mskguFVa查充气系数关联图，得到 .故 液 柱mhhOWL 0287
21、5.36.04.571 液体表面张力的阻力 的计算液体表面张力所产生的阻力 可由下式计算，即 则h04gdhL液 柱mh034.5.8197.206343气体通过每层塔板的液柱高度 可 按 下 式 计 算 ， 即ph则 液柱hhcp1 mp 0836.4.02875.1. 气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）akPpgPaLp .9.64.728036. 提馏段：干板阻力 hc计算干板阻力 hc 由下式计算, 即 LVcCuh2051.由 ，查常用化工单元设备的设计得, 23%,1.0dC0=0.772故 液柱mhc 03.98.7612.05. 塔上液层有效阻力 hl计算液体表面张力所产
22、生的阻力 hl计算,即Lh1smAVufTsa/38.1 ).(392.106 2/1/10 mskgFV查充气系数关联图，得到 .故 液 柱hhOWL 0345.6901 液体表面张力的阻力 计算液体表面张力所产生的阻力 由下式计算，即液 柱mgdhL 0475819.76543气体通过每层塔板的液柱高度 可 按 下 式 计 算 ， 即ph则 液柱hhcp1p 0382.475.03气体通过每层塔板的压降为 (设计允许值)kPaghPLp 7.08.31.987032. 液面落差对于筛板塔,液面落差很小,且本例的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差的影响.液沫夹带精馏段：液沫夹带量由下式计算
23、,即 2.36107.5fTaLVhHuemhf 15.0.2.21气液气液 kgkgeV /1.0/03.125.406.3275.3 故在本设计中液沫夹带量 ev在允许范围内。提馏段：液沫夹带量由下式计算,即 2.36107.5fTaLVhHuemhf 15.0.2.气液气液 kgkgeV /1.0/96438167.502. 故在本设计中液沫夹带量 ev在允许范围内漏液对筛板塔,漏液点气速 u0,min计算,即精馏段： sm/361.74./782)03.513.056.(72.04 实际孔速 smu/0稳定系数为 5.13.26.791min,0 k故在本设计中无明显漏液提馏段：VLL
24、hcu)13.056.(4.0min,0 VLLhcu)13.056.(4.0min,0 sm/65.80.1/987045.72. 实际孔速 smu/6.87.10稳定系数为 5.1043.25.min,0k故在本设计中无明显漏液液泛为防止塔内发生液泛,降液管内液层高 H d应服从下式的关系,即精馏段： wTdh乙醇-水体系属一般物系，取 =0.5,则 mwT 2.0)364.0(5.)( 而 dLpdhH板上不设进口堰, h d 可由下式计算,即液柱 mud 02.)1.(53.0)(153.022 液柱H886.=0.22mwTdh故在本设计中不发生液泛现象.提馏段： wTdhH乙醇-水
25、物系属一般物系，取 =0.5,则mwT 2175.0)3.40(5.)( 而 dLpdhH23板上不设进口堰, h d 可由下式计算,即液柱 mud 02.)1.(53.0)(153.022 液柱H948.=0.2175mwTdh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 ,min0,i0sVuA232.841()owhELlwLh得=4.40.7720.1011.1 46.178203.)924.036(.184.2036.105. 33 sLVLLCu)13.056.(4.0min,0 VLws lCVh1084.23.56.4. )(320min, 整理得 32min. 0
26、914.62.08ss LV在操作范围内,任取几个 Ls 值, 依上计算 Vs 值, 计算结果列于表 7 . 表 7smL3,0.0006 0.0015 0.0030 0.0045Vs,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=4.40.7720.1011.1 06.198745.)92.036(.184.20351.056. 33 sL整理得 32min. 0914.53.01ss LV在操作范围内,任取几个 Ls 值, 依上计算 Vs 值, 计算结果VLws hlhACVE1084.23.056.4. )(320min, 25列于
27、表 8 . smL3,0.0006 0.0015 0.0030 0.0045Vs,0.8371 0.9196 0.9673 1.006液沫夹带线以 e v =0.1kg 液/kg 气为限,求 Vs- Ls 关系如下:由 3.265.710)(vLaTfuhHssfTsa VVAu705.1.5386.精馏段：h f=2.5hl=2.5(hw+how)hw=0.0364m 323270.)94.06(18.2SSo LE故 /258.1.sfh327.3.sfTLH1.0)58.109.106.252.3/3 sV Ve整理得 3/26ssL在操作范围内,任取几个 S值,依上式计算出 S值,计算
28、结果列于下表 9SL, 3sm0.0006 0.0015 0.0030 0.0045V, 3.011 2.952 2.812 2.695由上表数据即可作出精馏段液沫夹带线提馏段：h f=2.5hl=2.5(hw+how)hw=0.0351m 323270.)94.06(18.2SSo LE故 /258.1.sfh327.3.sfTLH1.0)58.1.016.572.3/3 sV Ve整理得 3/24ssL在操作范围内,任取几个 S值,依上式计算出 S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SL, 3sm0.0006 0.0015 0.0030 0.0045V, 3.594
29、 3.468 3.306 3.16927液相负荷下限线对于平直堰,取堰上液液层高度 0.6owmh作为最小液体负荷标准.由下式得 232.840.610()owsELhl取 E=1 则精馏段 smLs /0782.36924.)8.2016( 3/min, 提馏段 s /i,据此可作出与气体流量无关的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的下限,由下式得s4LHAsTf故精馏段 smLsTfs /01.41.03max, 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负液上限线。液泛线令 ()dTwhH由 pLd; ; ; Lwohhcp11联立得 ()()Twowcd忽略 将
30、ow与 S, d与 S, 与 SV 的关系式代入上式,并整理得223sssabcdVL式中 20.51()VLCA (1)TwbhH2.30()cwlh 233.84()60dEl将有关的数据代入,得精馏段： 0127.).7846()2.01.(5 a 69.354 b10)2.09.(3 c 108.)924.36(57.(1843/3 d故 /2 8.6. sss LV在操作范围内,任取几个 S值,依上式计算出 SV 值,计算结果列于下表 11 SL, 3sm0.0006 0.0015 0.0030 0.0045V, 3.470 3.387 3.262 3.132由以上数据即可作出精馏段
31、液泛线提馏段：290819.)7.261().01.(5 a 6.3594 b.21)078.92.(53 c 13.)94.036(.(14/23 d故 /22 18.65. sss LV在操作范围内,任取几个 S值,依上式计算出 SV 值,计算结果列于下表 12 SL, 3sm0.0006 0.0015 0.0030 0.0045V, 4.158 4.058 3.912 3.766由以上数据即可作出提馏段液泛线根据以上各线方程,可作出精馏段筛板塔的负荷性能图,如图所示. 在负荷性能图上，作出精馏段操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏夜控制。由图查得 s max=0.78m3/s ， s min=3.24m3/s故操作弹性为 s max/ s min=3.24/0.78=4.15根据以上各线方程,可作出提馏段筛板塔的负荷性能图,如图所示.
