乙醇—水溶液精馏塔设计说明

1、第一章绪论、目的：二、已知参数:3.三、设计内容:3.第二章课程设计报告内容、精馏流程的确定4.二、塔的物料衡算三、塔板数的确定四、塔的工艺条件及物性数据计算五、精馏段气液负荷计算1.1六、塔和塔板主要工艺尺寸计算12七、筛板的流体力学验算17八、塔板负荷性能图20九、筛板塔的工艺设计计算结果总表24十、精馏塔的附属设备及接管尺寸2.6.第三章总结26.乙醇一一水连续精馏塔的设计第一章绪论、目的：通过课程设计进一步巩固课本所学的内容，培养学生运用所学理论知识进行化工单元过 程设计的初步能力，使所学的知识系统化，通过本次设计，应了解设计的内容，方法及步 骤，使学生具有调节技术资料，自行确定设计方

2、案，进行设计计算，并绘制设备条件图、编 写设计说明书。在常压连续精馏塔中精馏分离含乙醇25%的乙醇一水混合液，分离后塔顶馏出液中含乙醇量不小于94%，塔底釜液中含乙醇不高于0.1% （均为质量分数）二、已知参数：(1) 设计任务进料乙醇X = 25 % (质量分数，下同)生产能力 Q = 80t/d塔顶产品组成 94 %塔底产品组成 0.1 %(2) 操作条件操作压强：常压精馏塔塔顶压强：Z = 4 KPa进料热状态：泡点进料回流比：自定待测冷却水：20 C加热蒸汽：低压蒸汽,0.2 MPa单板压强：w 0.7全塔效率：Et = 52 %建厂地址：南京地区塔顶为全凝器，中间泡点进料，筛板式连续

3、精馏三、设计内容：(1) 设计方案的确定及流程说明(2) 塔的工艺计算(3) 塔和塔板主要工艺尺寸的计算(a、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定；b、塔板的流体力学验算；c、塔板的负荷性能图)(4) 设计结果概要或设计一览表(5) 精馏塔工艺条件图(6) 对本设计的评论或有关问题的分析讨论第二章 课程设计报告内容一、精馏流程的确定乙醇、水混合料液经原料预热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝塔釜采用间器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽 接蒸汽向沸热器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽二、塔的物料衡算(一) 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数XfXw25/4625

4、/4675/180.11594/4694/46 6/180.860.1/460.1/4699.9/180.0004(二) 平均摩尔质量M F 0.115 46(10.115) 18 21.22kg/kmolM D 0.86 46 (10.86) 1842.08kg/kmol0.0004 46(10.0004) 1818.01kg / kmol(三) 物料衡算总物料衡算易挥发组分物料衡算D W FXdDXwWXfF日生产能力丫=90吨mM D ?T石莎云 79.21kmOl/h联立以上三式得F 621.20kmol/hD 79.21kmol/hW 541.99kmol/h三、塔板数的确定（一）理

5、论塔板数Nt的求取乙醇、水属理想物系，可采用M.T图解法求Nt1根据乙醇、水的气液平衡数据作y-x图附表 乙醇一水气液平衡数据液相中乙醇的摩尔气相中乙醇的摩尔液相中乙醇的摩尔分气相中乙醇的摩尔分数分数数分数0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0图：乙醇一水的y-x图及图解理论板2.乙醇一水体系的平衡曲线有下凹

6、部分,求最小回流比自a（ Xd,Xd,）作平衡线的切线并延长与y轴相交，截距XdRmin0.2796Rmin2.°8取操作回流比R 1.5Rmin1.5 2.083.12故精馏段操作线方程R XdR 1 R 1即 y 0.757X 0.2093.作图法求理论塔板数Nt得Nt 27层（包括再沸器）。其中精馏段理论板数为22层，提留段为5层（包括再沸 器），第18层为加料板。（二）全塔效率Et已知Et =52%（三）实际塔板数N精馏段N精提留段N提2205250.5243层10层四、塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算（一）操作压强Pm塔顶压力 PD4 101.3 105.3k

7、Pa取每层塔板压强降 P 0.7kPa则进料板压强 Pf 105.3 43 0.7135.4kPa105 3 135 4精馏段平均操作压强Pm 一.120.35kPa2（二）温度tm依据操作压力，通过方程试差法计算出泡点温度，其中水、乙醇的饱和蒸汽压由安托 尼方程计算。 方程为P pAxa pBxb式中：X 溶液中组分的摩尔分数；P 溶液上方的总压，Pa；0p 同温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa°（下标A表示易挥发组分，B表示难挥发组 安托因方程为lg p0 ABT C式中：p0 在温度为T时的饱和蒸汽压，mmHgT温度，CA,B,CAntoine常数，其值见下表。附表Antoine常

8、数组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228计算结果如下：塔顶温度8.04496公式：101554.3t 222.657.96681 禽0.133 0.86 10 t 2280.133 0.14105.33tD81.48C进料板温度8.04496公式：101554.3t 222.650.133 0.06447.96681 輕10 t 2280.133 0.9356135.4tF 1045C则精馏段平均温度tM81.48104.592.99C（三）平均摩尔质量Mm塔顶 Xdy 0.86查气液平衡曲线，可得X10.8520.86 46 (10.86)1

9、842.08kg / kmolM LDm 0.852 46(10.852) 1841.856kg / kmol进料板 即查气液平衡曲线，可得y 0.3526 Xf 0.0644M LDm0.0644 46(10.0644) 18 19.80kg/kmol则精馏段平均摩尔质量：M Vm(精)M Lm(精)42.08 27.8734.975kg/ kmol41.856 19.8030.828kg / kmol1.液体密度Lm温度/ C2030405060708090100110乙醇密度/kg/m 3795785777765755746735730716703水密度/kg/m 3998.2995.7

10、992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0附表乙醇与水的密度已知：1/ LmA/ LAb/ LB（为质量分数）塔顶因为 tD81.48C所以 90 8081.48 80730735乙7353734.26kg/m进料板90 80965.3 971.80.94LmD81.48 80水 971.8970.84kg/m30.06734.26970.84LmD745.16 kg/m3由加料板液相组成Xa 0.06440.0644 460.0644 46(10.0644)180.150因为tF1045C110所以型703 716100104.5 100乙716710.

11、15kg/m3（四）平均密度110 100104.5 100951.0 958.4 水 958.4水 955.07kg/m310.15010.150LmF 710.15955.07LmF908.09kg / m3故精馏段平均液相密度Lm( 精)*(745.16 908.09)826.63kg/m32.气相密度mVVm(精)Pm M VmRT120.35 34.9758.314 (92.99273.15)31.38kg/m（五）液体表面张力附表乙醇与水的表面张力温度/ C2030405060708090100110乙醇表面张力x 10/N/m22.321.220.419.818.81817.15

12、16.215.214.4水表面张力x 10/N/m72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9塔顶因为tD81.48C所以进料板16.217.15乙17.15908081.48 8060.762.6水62.6tF1045C110100104.510014.415.2乙15.290 8081.48 80水因为所以乙17.01mN / m62.32mN /m14.84mN / m110 100104.5100水 57.945mN / m56.958.8水58.8nmxi ii 1m（顶）0.8617.01（10.86）62.3223.35mN /m则精馏段平均表

13、面张力为m（精）23.3555.17239.26mN /m（六）液体黏度Lmm（进）0.0644 14.81（10.0644）57.94555.17mN /mB=300.88乙 0.451 masA a已知：lg 1 T B乙醇的A=686.64塔顶 ig 乙 686.6468664273.1 81.48300.880.86 0.451（1 0.86）0.3500.437 mas0.344 0.0644（10.0644）0.3020.304 mas则精馏段平均液相黏度为五、精馏段气液负荷计算Lm（ 精）0.4370.30420.3705 mas（R 1）D（3.12 1） 79.21326.3

14、5kmol/hVM Vm（精）3600 Vm（精）326.35 34.9753600 1.382.298m3/s90水的黏度08081.48 80水 0.350 mas31.6535.65水35.65686.64686.64进料板lg乙乙 0.344 mas273.1104.5300.88.-、 110100104.5100水的黏度水 0.302 mas28.3831.65水31.65nLmxi ii 1L RD 3.12 79.21247.14kmol/hLSLM Lm（精）3600 Lm（ 精）247.14 30.8283600 826.630.0026m3/sLhLS 3600 0.00

15、26 3600 9.36m3/h六、塔和塔板主要工艺尺寸计算（一）塔径D参考表4-1，初选板间距Ht 0.45m ,取板上液层高度hL 0.07mHt hT 0.45 0.071LSL 20.0026）2Vsv2.2980.38m1826.63 20.02771.38图4-5 Sminth关联图表4-1板间距与塔径的关系塔径D/m0.3 0.50.5 0.80.8-1.61.6-2.42.4-4.0板间距200 300250 350300-450350-600400-600HT/mm查图4-5可知，C200.076 ,依照下式校正C0.2C C20（）0.20.07639.260.08720

16、20U max826.63 1.381.381.81m/s取安全系数为0.70 ,则故D'4 2.298,3.14 1.267u 0.70u max 0.7 1.811.267m/ s1.52m按标准，塔径圆整为1.6m，则空塔气速u4VsD24 2.2983.14 1.621.14m/ s（二）溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。各项计算如下凶焰扳溢沆集酩鼻九型淀单盛试 花）収隘淳（心阶悌式点淆流1. 溢流堰长lwlw为 0.66D，即lw 0.66 1.61.056 m2出口堰高hwhwhLhow由 lw/D9.36251.05621.22/1.85

17、0.66 , Lh/lW58.17图4-9液流收缩系数计算图查图4-9 ,知E =1则how2.84 E Lh 31000lw2.8410009.36 31.0560.012m故 hW0.07 0.012 0.058m3.管滴宽度Wd与降液管滴面积Af由 lw/D 0.665慨?£图4-11弓形降液管的宽度和面积查图 4-11，得Wd/D 0.124 , Af / At 0.0722故 Wd 0.124 1.60.198mAf0.0722 -D2 0.145m24由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即Ls0.145 0.450.002625.15 （符合要求）4.降液管

18、底隙高度ho取液体通过降液管底隙得流速Uo 0.08m/s，依下式计算降液管底隙高度hohoLslwUo0.00261.056 0.08 36000.031m0.025m（符合要求）（三）塔板布置1.取边缘区宽度Wc0.06m，安定区宽度 Ws 0.085m2. 依下式计算开孔区面积AaAa2x、R2x2n 21 xR sin 180R2 0.517,0.742 05172 面 0-742 sin 1 0.7471,39m2D1.6其中 x(Wd Ws)(0.198 0.085) 0.517m2 2R D Wc 16 0.060.74m2 2图4-8 塔板结构参数h1 进口堰与降液管的水平距离

19、其中:hw出口堰高Ht 板间距Wc 无效周边高度R鼓泡区半径距（单位均为m）（四）筛孔数n与开孔率how 堰上液层高度hW进口堰高1w堰长Ws 安定区宽度x鼓泡区宽度的1/2h。一一降液管底隙高度H d降液管中清液层高度Wd 弓形降液管高度D塔径t同一横排的阀孔中心取筛孔的孔径d0 6mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚3mm,取t/d0 3，依下式计算塔板上的筛孔数n警Aa半t20.01821.394955孔依下式计算塔板上的开孔区的开孔率，即A0% 卫里%°.9°7 2 10.1% （在 5%15%范围内）Aat/do0.006 0.018每层塔板上的开孔面积代为A0Aa

20、 0.101 1.39 0.14039m2气体通过筛孔的气速U0VsA。2.2980.101 1.3916.37m/s（五）塔有效高度Z （精馏段）ZN 精 1 Ht 43 1 0.45 18.9m（六）塔高计算七、筛板的流体力学验算（一）气体通过筛板压强降的液柱高度hp依式 hpheh| h1.干板压强降相当的液柱高度hc0.9024® ios1.23m/saAtAf1.231.38 1.44图4-13干筛孔的流量系数查图 4-13 , Co 0.762uo 2/ v16.371.38hc0.051（一） （一） 0.0510.04mCol0.76826.632.气流穿过板上液层压

21、强降相当的液柱高度hi2.29823.140.80.145图4-14充气系数关系图由图4-14查取板上液层充气系数 卩为0.6。依右式 h|hLhW hOW0.6 0.07 0.042m3. 克服液体表面张力压强降相当的液柱高度h（二）依式（4-41 ） hhP单板压强降 PpLgdohe hlhp Lg雾沫夹带量ev的验算4 39.26 103826.63 9.81 0.0060.00323mh 0.0400.0420.003230.085230.08523826.63 9.81 0.69<0.7kPa（设计允许值）依式(4-41 )5.7 10 6eV宵Ua）3.2hf）5.7 10

22、 61.233.239.26 10 3 （0.45 0.175）0.018kg夜/kg气 0.1kg 液/kg气式中，hf塔板上鼓泡层高度，可按泡沫层相对密度为0.4考虑，即hf = ( hL 0.4) =2.5 hL =2.5 X0.07=0.175故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。（三）漏液的验算Uow4.4C。圧（0.0056 0.13hLh ） l / v4.4 0.760.0056 0.13 0.070.00323826.63 1.388.77m/s筛板的稳定性系数K世空1.87 1.5uow 8.77故在设计负荷下不会产生过量漏液。（四）液泛的验算为防止降液管液泛的发生，应使降液

23、管中清液层高度Hd （Ht hW）hd 0.153（）20.153（0.08）20.00098m!w hO取 0.5，贝U (Ht hw)0.5 (0.450.058)0.254m故H d (H t hw),在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项流体体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的八、塔板负荷性能图(一)雾沫夹带线(1)5.7 10 6 . Ua )3.2(Ht hf)UaVsAtAf0.536Vs 2.0096 0.145(a)hf2.5(hw2h°W)2.5 hW 2.84 10 3 E(3600LslW近似取1.0hw 0.058m ， l w 1.056

24、mhf2.50.058 2.84 10 3 1.0(3600L1.0562£ )30.221.61Ls3取雾沫夹带极限值e为0.1kg液/kg气，已知339.26 10 N/m，Ht 0.45m，并将式(a)、( b)代入 e 5.7Ht hf)3.2，得下式:0.165.7 10(39.26 10 3 0 250.536Vs2)321.61Ls3_2在操作范围内，任取几个Ls值，依（1）式算出相应的Vs值列于下表中。Ls m3 / s40.6 1031.5 1033.0 1034.5 10Vs m3 / s3.253.002.842.7依表中数据在 V Ls图中做出雾沫夹带线（1）

25、，如图4-24所示(*)（二）液泛线（2）(HthW)hphwhOWhd近似取 E 1.0, lw 1.056mhow2.84 10 3E(3600L2-)32.84lw23 3600Ls 玄10 3(s)31.0562h ow0.6433 Ls"3(C) hPhchl hhc 0.051(业)2()0.051()2COLCO AoL0.051( VS )2 1.380.00748Vs20.76 0.20826.632 2hl O hW hOW0.60.058 0.6433Ls?0.0348 0.3859Ls§h 0.00323(已算出)hp20.00748Vs0.0348

26、20.3859 L 込0.00323(d)(e)22 一0.03803 0.00748Vs0.3859 Ls3Ls 2Ls hd 0.153()0.153( s )142.77LslW hO1.056 0.03120.5(0.450.058)0.038030.00748Vs20.3859 Ls s20.0580.643 Ls2142.77Ls(2)2 2 2整理得：Vs 21.12 137.55Ls319087Ls在操作范围内取若干Ls值，依式（2）计算Vs值，列于下表中Ls m3 / s0.6 10 41.5 10 33.0 10 34.5 10 3Vs4.574.394.274.12m3

27、/ s依表中数据做出液泛线（2），如图4-24中线（2）所示（三）液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为 5s，Af Ht 0.145 0.453L s,max:0.01305m /s5液泛负荷上限线（3）在Vs Ls坐标图上为与气体流量Vs无关得垂直线，如图4-24线（3）所示。（四）漏液线（气相负荷下限线）（4）s,minAO代人式漏液点气速式2由 hL hW hOW 0.058 0.6433Ls'3、u°wuOW4.4CO (0.0056 0.13hLh ) L / VVI24.4 0.76. 0.0056 0.13(0.058 0.6433Ls3)0.0032

28、3 8gAo前已算出为0.14m2，代入上式并整理，得Vs,min11.4J0.00991 0.0836Ls此即气相负荷下限关系式，在操作范围内任取n个Ls值，依（4）式计算相应得Vs值Ls m3 / s40.6 1031.5 1033.0 1034.5 10Vs1.141.201.231.26m3 / s列于下表中,依附表中数据作气相负荷下限线（4）,如图4-24中线（4）所示（五）液相负荷下限线（5）取平堰、堰上液层高度，how 0.006m作为液相负荷下限条件，依下式计算，取E 1.0，贝U how 0.6433L20.0060.6433Ls3整理上式得Ls,min 9 104m3/s（

29、5）依此值在V Ls图上作线（5）即为液相负荷下限线,如图7所示。/亠丨C.>ir -_ _Il1IIII/.1J 1:将以上5条线标绘于图4-24 （Vs Ls图）中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围区域为精馏段塔板操作区，P为操作点，OP为操作线。OP线与线（1）的交点相应气相负荷为Vs,max，OP线与气象负荷下限线（4）的交点相应气相负荷为Vs,min。其中 P(Ls , Vs)即(3.7X10 3 , 33.3)可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制Vs max3 82精馏段的操作弹性、产 e 3.38Vs, min1.13九、筛板塔的工艺设计计算结果总表筛板塔的工艺

30、计算结果汇总见表10骨口. 丿序号项目数值1平均温度tm92.992平均压力Pm , kPa120.353气相流量Vs,( m3/s)2.2984液相流量Ls,( m3s)0.00265实际塔板数536有效段高度Z, m23.757塔径，m1.68板间距，m0.459溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长,m1.05612堰咼，m0.05813板上液层咼度，m0.0714堰上液层咼度，m0.01215降液管底隙高度，m0.03116安定区宽度，m0.08517边缘区宽度，m0.0618开孔区面积，m21.3919筛孔直径，m0.00620孔中心距，m0.01821筛孔数目495522开孔率，%10.123空塔气速,m/s1.2324筛孔气速,m/s16.3725稳定系数1.8726每层塔板压降，Pa69127负何上限液沫夹带控制28负荷卜限漏液控制29液沫夹带eV，（