乙醇水溶液连续精馏板式塔设计说明书.docx
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乙醇水溶液连续精馏板式塔设计说明书
第一章绪论
一、设计题目：
二、设计任务及操作条件：
三、设计任务：
第二章课程设计报告内容
一、设计方案的确定
二、精馏塔的物料衡算
三、塔板数的确定
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
六、塔板主要工艺尺寸的计算
七、筛板的流体力学验算
八、塔板负荷性能图
九、各接管尺寸计算
十、筛板塔的工艺设计计算结果总表
第三章总结
参考文献
错误！
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错误！
未定义书签。
2
3
4错误！
未定义书签。
错误！
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12未定义书签。
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24
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第一章绪论
一、设计题目
乙醇一水溶液连续精馏板式塔设计
二、设计任务及操作条件
设计任务
生产能力（进料量）20000
进料组成18%
塔顶产品组成89%
塔底产品组成<1%
操作条件
操作压力4kPa（表压）
进料热状态自选
单板压降：
全塔效率：
塔板的型式厂工作日：
每年300天，每天24小时连续运行。
三、设计任务精馏塔的物料衡算塔板数的确定
精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算精馏塔的塔体工艺尺寸计算塔板主要工艺尺寸计算
塔板的流体力学验算塔板负荷性能图
精馏塔接管尺寸计算绘制精馏塔设计条件图（A1#图）
10、设计结果汇总
11、对设计过程的评述和的有关问题的讨论
12、编写课程设计说明书。
1、
2、
3、
4、
5、
1、
2、
3、
4、
5、
6、
7、
8
9、
自
>0.7kPa
52%
自选
四川绵阳
吨/年15000,17500,20000
_（质量分率，下同）（16%,18%,20%）
_（85%,89%,91%）
（<1%）
章课程设计报告内容
（一）设计方案的确定
本设计任务为分离乙醇一水溶液混合物。
对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。
设计中采用泡点进料，将乙醇一水溶液通过预热器加热至泡点后，用泵送入精馏塔。
塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至储罐。
塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入储罐。
（二）精馏塔的物料衡算
=0.079
0.18/460.82/18
_0.89/46_c”
——0.76
0.89/46+0.11/18
0.01/46CCCCC==0.0039
0.01/稈60.99/18
1.原料液及塔顶、水的摩尔质量乙醇的摩尔质量
塔底产品的摩尔分率
MA=18Kg/Kmol
Mb=46Kg/Kmol
0.18/46
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
Mf=O.07£46f10.079=）1k8g26（21
Md=O.7646ei0.号6）=1kg39m2）8
Mw=0.003946—（10.0039）kig8k1nf8ol
3.物料衡算
原料处理量
总物料衡算乙醇物料衡算联立以上两式解得
F=2777=837.4kmol/h20.21
137.43=D+W
137.43=0.76D+0.0039+W
D=13.65kmol/h
W=123.78kmol/h
（三）塔板数的确定
1.理论塔板数Nt的求取乙醇一水属理想物系，可采用图解法求理论板层数。
①由手册查得乙醇一水物系的气液平衡数据，绘出X—y图，如图1—1
附录乙醇一水溶液汽液相平衡数据（摩尔）气液相平衡数据
X
y
X
y
X
y
0.000040
0.00053
0.0035
0.0412
0.4427
0.6299
0.000117
0.00153
0.0039
0.0451
0.4892
0.6470
0.000157
0.00204
0.0079
0.0876
0.5400
0.6692
0.000196
0.00255
0.0119
0.1275
0.5811
0.6876
0.000235
0.00307
0.0161
0.1634
0.6252
0.7110
0.000274
0.00358
0.0286
0.2396
0.6727
0.7361
0.000313
0.00410
0.0416
0.2992
0.7063
0.7582
0.000352
0.00461
0.0551
0.3451
0.7415
0.7800
0.00040
0.0051
0.0686
0.3806
0.7599
0.7926
0.00055
0.0077
0.0892
0.4209
0.7788
0.8042
0.0008
0.0103
0.1100
0.4541
0.7982
0.8183
0.0012
0.0157
0.1377
0.4868
0.8182
0.8325
0.0016
0.0198
0.1677
0.5127
0.8387
0.8491
0.0019
0.0248
0.2425
0.5522
0.8597
0.8640
0.0023
0.0290
0.2980
0.5741
0.8815
0.8825
0.0027
0.0333
0.3416
0.5910
0.8941
0.8941
0.0031
0.03725
0.4000
0.6144
②求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比，在上图的对角线上，自e（0.079,0.079）点作垂线ef即
为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为
yq=0.4022
故最小回流比为
取操作回流比为
g.O.760.4022i07
yq-Xq0.40220.079
R=2Rmi21.1072.214
③求精馏塔的气液相负荷
L=RD=2.21413.^53K0m2o2h
V=（R半）D十2.214113.=65WmoBI7h/
④求操作线方程精馏段操作线方程为
提馏段操作线方程为
0.011
图1—1乙醇一水的y-x图及图解理论板
》x，WxW=*X65」_23.080£39x..822
V'V'43.8743.87
⑤图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数，如图1—1所示。
求解结果为
总理论板层数为Nt=9（包括再沸器）
其中精馏段理论板数为6层，提馏段理论板数为3层（包括再沸器）
2.实际板层数的求取
精馏段实际板层数N精=—=11.5^12
精0.52
提馏段实际板层数N提=—=5.7耳6
提0.52
（四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
以精馏段为例进行计算
1.操作压力计算
精馏段平均操作压力
Pm=（105.£11）3.7=/2kP0i9.52.操作温度计算
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。
①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；
0
P—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
示难挥发组分）
②安托尼方程为lgp0=A-是
式中:
P0—在温度为T时的饱和蒸汽压，mmHg（1mmHg=133.322Pa）
T—温度，C
A,B,C—Antoine常数，其值见下表。
附表Antoine常数
组分
A
B
C
乙醇
8.04496
1554.3
222.65
水
7.96681
1668.21
228
计算结果如下:
塔顶温度
8.04496_1554.37.96681」668.21
公式：
10t卡22.65X0.1333x0.76+10讦28x0.1333X0.24=105.33
tD=83.04C
进料板温度
&044967.96681266821
公式：
10t血22.65X0.1333X0.079+10t曲28x0.1333x0.921=113.7
tF=100.66C
3.平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算
MVDm=0.76%46+（1-0.76）x18=30.64kg/kmol
MLDm=0.71x46+（1-0.71）x18=37.88kg/kmol
进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板，得
yF=0.294Xf=0.04m
MVFm=0.294咒46+（1-0.294）x18=26.23kg/kmol
MLFm=0.04X46+（1—0.04）X18=19.12kg/kmol
精馏段平均摩尔质量为
2
MLm（精）二28.5kg/kmol
MVm（精）二30.6Y26.23=28.44kg/kmol
4.平均密度计算
（一）气象平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即
109.5x28.44
（二）液相平均密度计算
附表乙醇与水的密度
温度/r
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
乙醇密度
/kg/m3
795
785
777
765
755
746
735
730
716
703
水密度
/kg/m3
998.2
995.7
992.2
988.1
983.2
977.8
971.8
965.3
958.4
951.0
液相平均密度依下式计算，即
1/PLmm^a/Pla+aB/pLB（。
为质量分数）
塔顶液相平均密度的计算
由tD=83.04C，查附表并计算
90-8083.04-80
965.3-971.8"巴水-971.8
13
pLDm==753.68kg/m3
LDm0.89+0.119
733.48969.82
进料板液相平均密度的计算
0.04X46
由加料板液相组成Xf=0.04
□a_0.04>C46+（1-0.04）X18"O.096
由tF"00.66C，查附表并计算
pLFm
3
=0.0961-0.096=927.68kg/m
+
715.14957.91
精馏段液相平均密度为
pLm（精）=_（753.68+927.68）=840.68kg/m3
5.液体平均表面张力计算
附表乙醇与水的表面张力
温度
/r
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
乙醇表面张
力
X103/N/m
22.3
21.2
20.4
19.8
18.8
18
17.1
5
16.2
15.2
14.4
水表面张力
X103/N/m
72.6
71.2
69.6
67.7
66.2
64.3
62.6
60.7
58.8
56.9
液相平均表面张力依下式计算,
即
n
bm=送XiW
i壬
塔顶液相平均表面张力的计算
由tD=83.04C，查附表并计算
90-80
0水=62.0r2Nn/
83.04-80
60.7-62.6"b水-62.6
bm（顶）=0.76X16.86（1-0.76）X62.02=27.70mN/m
进料板液相平均表面张力的计算
由tF=100.66C，查附表并计算
110—100
100.66—100
14.4-15.2
b乙-15.2
^乙=15.msNm
110—100
100.66—100
56.9-58.8
b水一58.8
6水=58.@n7Nm
crm（进）=0.04X15.15+（1-0.04））58.67=56.93mN
精馏段液相平均表面张力为
（精）=
27空竺兰=42.315mN/m
6.液相平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即
塔顶液相平均黏度的计算
AA
由tD=83.04C，且Ig卩1=---
解出卜LDm=0.416mPas
A=686.64B=300.88得
Ig^LDm=0.76x|g0.443（1-0.76）lg0.342
进料板液相平均黏度的计算
AA
由tF=100.66C，且lg卩1=乙醇的
TB
686.64
进料板lg卩"2731需.66300.88
4乙=0.359mPas
110—100100.66—100
水的黏度25.89-28.38打-28.38
卩水=0.282mPav
解出％Fm=0.285mPas
Ig£=0.04x|g0.359（1-0.0护Ig0.282
精馏段液相平均表面张力为
^m（精）=（0.416+0.289）/2=0.353
（五）精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1.塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为
VMvm
Vs=3600Pvm
二43.87怦44=0.336m3/s
3600x1.03
LMLm
Ls"3600pLm
=30.22沢28.5=0.00028m3/s
3600咒840.68
由Umax乂府
式中。
©（尹2，C20由图1—2查取，图的横坐标为
LoPl、2（0.00028Y840.68¥
（—）（—）=II
乂出V0.336丿
I1.03丿0.0238
取板间距Ht=0.32m，板上液层高度h^0.07m,则
Ht-rn=0.32-0.07=0.25m
塔径D/m
0.3〜0.5
0.5〜0.8
0.8〜1.6
1.6〜
-2.4
2.4〜4.0
板间距
HT/mm
200〜300
250〜350
300〜450
350-
-600
400〜600
附表板间距与塔径的关系
U.ID<1C«
n.06
0os
当O<04
0*05
mUlm
rnnw
二•隹二二---
laaisBi
■■■■■£：
r;）_
「下;
bBi
二二二打
（J05
U.3C
0”轴S.rtOnjwi（00
O.OLL
0.02&朋QEPOSn.08（Jl（J020
图1—2Sminth关联图
查图得C20=0.052
（六）塔板主要工艺尺寸的计算
1.溢流装置计算
因塔径D=0.6m,可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘，不设进口堰
图鼻』塔板滞渝类團
莹溢说（C）蚁溢直（di擀拂戎（褂iifi
1.
堰长Iw
2.溢流堰高度hw
由hi=hw+how
选用平直堰，堰上液层高度how可用Francis计算，查图1-3近似取E=1,即
图1-3液流收缩系数计算图
（3）弓形液降管宽度和截面积
Wd=0.1160.60m06
故降液管设计合理
（4）降液管底隙高度ho
取叮=0.0n8S/
则5霧0幾363絲0m7
hv—h=0.05440.00970j>044r70.006
故降液管底隙高度设计合理。
2.塔板布置
（1）塔板的分块
因D<800mm,塔板采用整块式
（2）边缘区宽度确定
取溢流堰前的安定区宽度：
Ws=0.07m
边缘区宽度：
Wc=0.035m
（3）开孔区面积
2
开孔区面积按下式计算：
A—xE+蛊sin
、
=0.157m2
0.265丿
其中X—（Wd+Ws）=06-（0.0696+0.07）=0.16m，分Wc呼一0.035=0.265m
Ac/cccl2c,c2亠兀X0.2652.40.16
A=2x|0.16W0.2652-0.162+sin
V180
（4）筛孔计算及其排列
取t/d0=3，故孔中心距
依下式计算塔板上的筛孔数n，即
沁器》0.157=806孔
依下式计算塔板上的开孔区的开孔率护，即
*二-0竺=——竺7一=10.1%（在5%-15%£围内）
Aa°/d0）（。
.叽）
气体通过筛孔的气速为
（7）筛板的流体力学验算
1.塔板压降
（1）干板阻力hc计算
依do/6=5/3=1.67，查图1-5得，C。
=0.772
图1-5干筛孔的流量系数
up
故he=0.051学）2（亠）=0.051
COPl
<21.2
Co
（0.772丿1840.68丿
1.03=0.0471m液柱
（2）气体通过液层的阻力hl计算
0.336
气体通过液层的阻力hl可由式计算
Ua
=1.261m/s
At-Af0.2826-0.0161
F。
=Ua雋=1.261xpT03=1.28
图1-6充气系数关系图
由图1-6查取板上液层充气系数P为0.62故h|=PhL=P（hW+hOw）=0.62x0.06=0.0327m
（3）液体表面张力的阻力hb计算
液体表面张力所产生的阻力hy为
壬二士空空込=0.0041m液柱、
住gdo840.68x9.81天0.005
气体通过每层塔板的液柱高度hp为
hp=hc+0+咯=0.0471+0.0372+0.0041=0.0884m单板压强降也Pp=hppLg=0.0884x840.68x9.81=0.729kpa止0.7kpa（基本符合设计要求）
2.液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，本例的塔径和液流量都不大，故可忽略液面落差的影响
3.液沫夹带
液沫夹带计算
hf=（hL/0.4）=2.5hL=2.5X0.06=0.15
.二宁（H；ux）J4£15S（吕宀0.082kg夜/kg气’。
佻液血气
故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带
4.液漏
对筛板塔，液漏点气速为
0.0041.3$m0s/68/1.039
U0,m行4.4：
Oj（0.0£56h0.1h3lPV/=4.40.770+0056—0/30戶06
实际孔速Uo=21.2m/SAUo,min
筛板的稳定性系数为
Uo
212
K=——=2.26>1.5
u0,min9.358
故在本设计中无明显漏液
5.液泛
为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度乙醇-水物系属于一般物系，取申=0.5，则
W（Ht+hv）=0.5x（0.32+0.0554）=0.1872m
板上不设进口堰，hd为
hd=0.153（—L^）2=0.153（0.08）2=0.001m
lW'ho
又Hd=hp+%+hd0.0884+0.060.001
故Hd<0（Ht+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。
（8）塔板负荷性能图
1.漏液线
由uOW=4.4COJ（0.0056+0.13hL-hb）pL/巴
_Vs,min
U0,min—_
Ao
h^hW+hOW
空4E（与/3
10001w
Vs,miM.C嘟0'0056h0^E；rf]"
=4.4X0.772X0.101X0.157X/〔0.0056+0.13[0.054+1x（3600Ls）2/]^_0.00411840^
VL10000.36」1.03
=0.05386（6.95+139.87Ls3
在操作范围内任取几个Ls值，依上式计算相应的Vs值。
计算结果列于下表
Lsm3/s
0.6x10-
1.5X10」
3.0x10」
4.5X10」
Vs
0.152
0.16
0.169
0.177
m3/s
由上表数据即可作出漏液线1
2.液沫夹带线
以e为0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下
5.7x10,Ua\3.2
3600Ls）3J=0.136+3.295Ls2/3
故hf=2.5（hv+hOW）=2.5Ihv+2.84X10」E（
LlW2/3
Ht-hf=0.184—3.295Ls
依表中数据在Vs-Ls图中可做出液沫夹带线2
3.液相负荷下线
对于平直堰，取堰上液层高度为how=0.006m作为液相负荷下限条件，依下式计
算，取E".0
ho^2800E[3600Ls]2/^0.006
lw
1000lw
L=严06咒1000）3/2ha006%1000）3/.鑒=3.07咒10歸％
2.84x136002.843600
由此可在Vs-Ls图上作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3
4.液相负荷上限线
取液体在降液管中停留的时间下限为4S
Ls,ma"y.0161232=0.001288m3/s
T
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线45.液泛线
令HdN（Ht+hw）
由Hd=hp+hL+hd；hp=hc+0+hb；h1=卩九血=hw+hOw
将how与Ls，hd与Ls，hc与Vs的关系式代入上式，并整理得
式中
（A0c0）Pl
biHT^（P-P-
2
c'=0.153W//（H
d'=2.84咒10虫£（1+P）I——
IlW
将有关数据代入，得
b'=0.50.32（0-.32-0.621）=0.0
c'==12547.09
（0.3<60.02097）
.2/3
222/3
0.417Vs2=0.749-12547.09Ls2-2.
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