化工原理课程设计乙醇-水连续精馏塔的设计姓名学号年级专业化学工程与工艺系（院）化学化工学院指导教师张杰2013年 6月目录第一章绪论 (1)第二章塔板的工艺设计 (3)2.1 精馏塔全塔物料衡算 (3)2.2 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 (3)2.3 理论塔板的计算 (8)2．4 塔径的初步计算 (10)2.5 溢流装置 (11)2.6 塔板布置及浮阀数目与排列 (12)第三章塔板的流体力学计算 (14)3.1 气相通过浮阀塔板的压降 (14)3.2 淹塔 (15)3.3 液沫夹带 (15)3.4 塔板负荷性能图 (16)第四章附件设计 (20)4.1 接管 (21)4.2 筒体与封头 (22)4.3 除沫器 (22)4.4 裙座 (22)4.5 吊柱 (22)4.6 人孔 (23)第五章塔总体高度的设计 (23)第六章塔附属设备设计 (23)Q (23)6.1确定冷凝器的热负荷c6.2 冷凝器的选择 (24)参考书目 (24)主要符号说明 (25)结束语 (26)（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30%（质量分数，下同），其余为水；2) 产品的乙醇含量不得低于93%； 3) 残液中乙醇含量不得高于0.5%；4) 每年实际生产时间：7200小时/年，处理量：80000吨/年；5) 操作条件a) 塔顶压力：常压 b) 进料热状态：饱和液体进料 (或自选)c) 回流比： R=1.55Rmin d) 加热方式：直接蒸汽 e) 单板压降：≤0.7kPa （三）板类型浮阀塔（四）厂址临沂地区（五）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；5) 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）设计结果汇总10) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。

2、设计图纸要求绘制生产工艺流程图（选作）；注:常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系见课程设计教材附录(105页)第一章绪论塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。

根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。

板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。

工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。

塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。

板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。

精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。

精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。

根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。

本设计的题目是乙醇-水连续精馏浮阀塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的乙醇和不易挥发的水，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。

设计方案简介本次课程设计的任务是设计分离乙醇-水的精馏塔，塔型选为浮阀塔，因为筛板塔与浮阀塔相比，浮阀塔有降液槽和溢流堰，气体顶开浮阀上升与塔盘上液体接触，传质在塔盘上进行，液体通过降液槽下降，其操作弹性较大。

本设计任务为分离乙醇-水混合物，进料为饱和液体进料，操作压力是一个大气压。

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，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。

塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。

该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。

塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

第二章 塔板的工艺设计2.1 精馏塔全塔物料衡算F ：原料液流量(kmol/h) x F ：原料组成（摩尔分数，下同） D ：塔顶产品流量(kmol/h) x D ：塔顶组成 W ：塔底残液流量(kmol/h) x W ：塔底组成原料乙醇组成：0.3046.070.1440.300.7046.0718.02F x ==+塔顶组成：0.9346.070.8390.930.0746.0718.02D x ==+塔底组成：0.00546.070.001960.0050.99546.0718.02W x ==+进料平均分子量：M =46.07×0.144+18.02×0.856=22.06kg/kmol进料量：7810503.677720022.06F ⨯==⨯kmol/h 物料衡算式为：F D WF D WFx Dx Wx =+=+ （1）联立代入求解：D=85.471 kmol/h W=418.206 kmol/h 2.2 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系2.2.1 温度利用表中数据由插值法可求得t F 、t D 、t W 。

① t F ：85.385.384.112.3816.6114.412.38Ft --=--，t F =84.73℃ ② t D ：78.4178.4178.1574.7289.4383.974.72Dt --=--，t D =78.25℃ ③ t W ：10010095.50 1.900.1960W t --=--，t W =99.536℃④精馏段平均温度：184.73+78.2581.4922F D t t t -+===℃ ⑤提馏段平均温度：284.7399.53692.13322F W t t t -++===℃2.2.2 密度 已知：混合液密度1ABLABa a ρρρ=+（2）混合气密度0022.4V T MT ρρρ-=（a 为质量分率，M -为平均分子量） （3）塔顶温度： t D =78.25℃ 气相组成y D ：78.4178.1578.2578.1578.1589.4310089.43D y --=--, y D =85.09%进料温度：t F =84.73℃ 气相组成y F ：85.384.185.384.7347.0450.8947.04100Fy --=--, y F =48.87%塔底温度：t W =99.536℃ 气相组成y W ：10095.510099.536017.000100Wy --=--, y W =1.75%（1） 精馏段液相组成x 1：1x =x x D F +（）/2，x 1=49.15% 气相组成y 1：1y ()/2D F y y =+，y 1=66.98%所以 146.070.491518.02(10.4915)L M -=⨯+⨯- =31.81kg/kmol 146.070.669818.02(10.6698)V M -=⨯+⨯- =36.81kg/kmol （2）提馏段液相组成x 2：2()/2W F x x x =+，x 2=7.30% 气相组成y 2：2y ()/2W F y y =+，y 2=25.31%所以 246.070.073018.02(10.0730)L M -=⨯+⨯- =20.07kg/kmol 246.070.253118.02(10.2531)V M -=⨯+⨯- =25.12kg/kmol由不同温度下乙醇和水的密度求得在1t -与2t -下乙醇和水的密度（单位：-3kg m ）181.49t -=℃，1858081.4980730735735ρ--=--，1733.510ρ= kg/m ³2858081.4980968.6971.8971.8ρ--=--，2970.846ρ= kg/m ³同理：292.133t -=℃，'1722.293ρ= kg/m ³，'2963.828ρ= kg/m ³ 在精馏段110.491546.07/[0.491546.0718.02(10.4915)]10.7119733.510970.846L ρ⨯⨯+⨯--=+液相密度：1789.085L ρ= kg/m ³ 气相密度：136.81273.1522.4(273.1581.49)V ρ⨯=⨯+ =1.2657kg/m ³在提馏段210.073046.07/[0.073046.0718.02(10.0730)]10.1676722.293963.828L ρ⨯⨯+⨯--=+液相密度：2912.677L ρ= kg/m ³ 气相密度：225.12273.150.83922.4(273.1592.133)V ρ⨯==⨯+ kg/m ³2.2.3 混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式： 114140m sw w so σϕσϕσ=+ （4）注：w w w w w o o x V x V x V ϕ=+ （5） o o o w w o ox V x V x V ϕ=+ （6）sw w sw sx V V ϕ= （7） so o so sx V V ϕ= （8）q wlg oB ϕϕ⎛⎫=⎪⎝⎭（9） 2320.441o o w w V q Q V T q σσ⎡⎤⎛⎫=⨯- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（10） A B Q =+ （11） 2lg sw so A ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭（12） 1sw so ϕϕ+=（13）式中下角标w 、o 、s 分别代表水、有机物及表面部分，Xw 、Xo 指主体部分的分子数，w υ、o υ指主体部分的分子体积，w σ、o σ为水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。

① 精馏段：181.49t -=℃18.0222.84789.085ww wm V ρ=== cm 3/mol46.0736.401.2657oo om V ρ=== dm 3/mol乙醇表面张力：1908016.217.159081.4916.2σ--=--，117.008σ=水表面张力：290809081.4960.762.660.7σ--=--，262.317σ=塔顶表面张力：()()()()2221o w w w w o o o w w o o o o w w o o x V x V x V x V x V x V x V x V ϕϕ-⎡⎤⎣⎦==++()()210.491522.840.2560.491536.400.508522.840.491536.40-⨯⎡⎤⎣⎦==⨯⨯⨯+⨯因为 0.4915o x =， 所以 10.49150.5085w x =-=2lg lg 0.2560.592w o B ϕϕ⎛⎫===- ⎪⎝⎭23230.441o ow w V q Q V T q σσ⎡⎤⎛⎫=⨯- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦2323217.00836.400.44162.31722.84 1.01581.49273.152⎡⎤⨯=⨯-⨯=-⎢⎥+⎣⎦0.592 1.015 1.607A B Q =+=--=-联立方程组 2lg sw so A ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭1sw so ϕϕ+=代入解得： 0.145sw ϕ= 0.855so ϕ=11414141400.14562.3170.85517.008m sw w so σϕσϕσ=+=⨯+⨯， 21.119m σ=②提馏段：292.133t -=℃''18.0219.744912.677ww wm V ρ=== cm 3/mol''46.0754.910.839oo om V ρ=== dm 3/mol 乙醇表面张力：'11009010092.13315.216.215.2σ--=--， '115.99σ= 水表面张力：，'21009010092.13358.860.758.8σ--=--，'260.29σ= ()()2'2'10.073019.744 3.7460.073054.910.92719.7440.073054.91w oϕϕ-⨯⎡⎤⎣⎦==⨯⨯⨯+⨯因为 '0.073ox =， 所以 '10.0730.927w x =-= '2''lg lg3.7460.574w o B ϕϕ⎛⎫=== ⎪⎝⎭23'23215.9954.910.44160.2919.7440.78592.133273.152Q ⎡⎤⨯=⨯-⨯=-⎢⎥+⎣⎦'''0.5740.7850.211A B Q =+=-=-联立方程组 '2''lg sw so A ϕϕ⎛⎫= ⎪⎝⎭''1swso ϕϕ+= 代入解得：'0.535swϕ= '0.465so ϕ='1/414141/41/40=0.53560.290.46515.99 2.42msw w so σϕσϕσ=+⨯+⨯= 故'34.33m σ= 2.2.4 混合物的粘度不同温度下乙醇和水的粘度如下表：181.49t -=℃，查表得：10.35μ= mPa ·s ，20.44μ= mPa ·s292.133t -=℃，查表得：'10.306μ= mPa ·s ，'20.388μ= mPa ·s 精馏段粘度()()112110.440.49150.3510.49150.39x x μμμ=+-=⨯+⨯-= mPa ·s提馏段粘度()()'''122210.3880.0730.30610.0730.312x x μμμ=+-=⨯+⨯-= mPa ·s2.2.5.相对挥发度①精馏段挥发度：由0.4915A x =，0.6698A y =得0.5085B x =，0.3302B y = 所以 0.66980.50842.100.33020.4915A B B A y x y x α⨯===⨯ （14） ② 提馏段挥发度：由'0.0730Ax =，'0.2531A y =得'0.927B x =，'0.7469B y = 所以 '''''0.25310.9274.300.74690.0730A B B A y x y x α⨯===⨯ （15） 2.2.6.气液相体积流量计算根据x-y 图得：minmin 0.8490.760.747910.8490.73D g D g y y R R x x --===+-- 所以 min 2.97R =取min 1.55 1.55 2.97 4.6035R R ==⨯= （1）精馏段： 4.603585.4710.1093600L RD ⨯=== kmol/s （16）()()4.6035185.47110.1333600V R D +⨯=+== kmol/s （17）已知：131.81L M -= kg/kmol ，136.81V M -= kg/kmol 1789.085L ρ= kg/m ³，1 1.2657V ρ= kg/m ³质量流量：1131.810.109 3.467L L M L -==⨯= kg/s （18） 1136.810.133 4.896V V M V -==⨯= kg/s （19） 体积流量：31113.4674.3910789.085s L L L ρ-===⨯ m ³/s （20）1114.8963.8681.2657s V V V ρ=== m ³/s （21）（2）提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1'503.6770.1090.2493600L L qF =+=+= kmol/s （22） ()'10.133V V q F =+-= kmol/s （23） 已知：220.07L M -= kg/kmol ，225.12V M -= kg/kmol 2912.677L ρ= kg/m ³，20.839V ρ= kg/m ³质量流量：'2220.070.249 4.997L L M L -==⨯= kg/s （24） '2225.120.133 3.341V V M V -==⨯= kg/s （25） 体积流量：32224.9975.4810912.677s L L L ρ-===⨯ m ³/s （26）2223.3413.9820.839s V V V ρ=== m ³/s （27）2.3 理论塔板的计算理论板：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。