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；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）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：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 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 =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，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α=5.1016，最小回流比的计算：采用泡点进料，所以q＝1，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.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=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Ft 、Dt 、Wt 。

进料口F t ：61.16401.8437.2361.167.821.84--=--F t , F t=79.26℃ 塔顶D t ：43.899515.7872.7443.8941.7815.78--=--D t ，Dt =78.05℃塔釜Wt ：00.110090.105.95100--=--w t ，W t =97.63℃ 精馏段平均温度65.7821=+=DF t t t ℃ 提馏段平均温度445.8822=+=wF t t t ℃由塔顶和塔底平均温度得t =84.87263.9705.782=+=+W D t t ℃查手册得，由内插法可得在87.84℃下，乙醇的粘度为s mpa A ⋅=3790.0μ，水的粘度为s mpa B ⋅=3245.0μ可以有下式求得平均粘度∑=ii x μμ其中xi-进料中某组分的摩尔分数i μ-该组分的粘度，按照塔的平均温度下的液体计则av μ=0.4*0.3790+0.6*0.3245=0.3463mPaS带入回归方程E1=0.563-0.276lg )(lg 0815.0lg av av αμαμ+2=0.594 该算法为泡罩塔蒸馏塔总板效率，则筛板塔为E=1.1E 1=0.653精馏段实际板层数 N 精= 10/0.653=16 提馏段实际板层数 N 提=4/0.653=7进料板位置16=r N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Ctttt WFD04.873=++=由液体的黏度共线图可查得t=87.4℃下，乙醇的黏度μL =0.38mPa·s，水的黏度μL=0.3269mPa·s根据物性参数数据求的求得乙醇—水体系的相对挥发度α=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、液相体积流率为提馏段的气、液相体积流率为由 ρρρVVLCU -=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：取板间距 m H T 40.0= 板上液层高度 m h L 05.0=，则H T -h L =0.40-0.05=0.35m查图得 075.020=C=1.903m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为1D =1.4m 塔截面积为 222115386.14.1414.34m D A T =⨯==π精馏段实际空塔气速为 s m A V u T S /310.15386.1015.2111===提馏段：图的横坐标为：取板间距 m H T 40.0= 板上液层高度 m h L 05.0=，则查图得 076.020=C=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2D =1.4m 塔截面积为 222225386.14.1414.34m D A T =⨯==π提馏段实际空塔气速为 s m A V u T S /288.15386.19811.1222===精馏塔有效高度的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 ，故精馏塔的有效高度为：表5 塔板间距与塔径的关系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W l 的计算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 D l w )8.0~6.0(=堰长 l w 取 m D l w 924.04.166.066.0=⨯== 溢流堰高度W h 的计算溢流堰高度w h 可由下式计算：ow L w h h h -=式中：L h ——板上清液层高度，m ；一般取50~100.mmow h ——堰上液层高度，.m ；一般设计时不宜超过60~70 mm. 对于平直堰，堰上液层高度ow h 可用弗兰西斯（Francis ）公式计算，即式中：h L ——塔内液体流量，h m /3 E ——液体收缩系数。

近似取E=1精馏段：s m L S /002702.031=，故取s m L h /002702.03=则 取板上清液层高度 m h L 05.0= 故 mh w 0364.00136.005.01=-=提馏段：s m L S /003081.032=， 故取 s m L h /003081.03=则 取板上清液层高度 m h L 05.0= 故 m h w 0351.001489.005.02=-=弓形降液管宽度W d 及截面积A F精馏段：由58.07.0406.0==D l w 查弓形降液管的参数表得：得： 2m 111.05386.10722.00722.0=⨯==T F A A液体在降液管中停留时间,按式s L H A HTF 533600-≥=θ，即 故降液管设计合理，可以实现分离。

提馏段：由66.0=Dl w查弓型降液管参数图得：得： 2m 111.05386.10722.00722.0=⨯==T F A A液体在降液管中停留时间,按式s L H A HTF 533600-≥=θ，即 故降液管设计合理，可以实现分离。

式中：o u '——液体通过底隙时的流速，s m / 根据经验，取o u '=0.06~0.25s m / 精馏段：取s m u /12.00= 则故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度：提馏段：取s m u /12.0'0= 则故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度：塔板的布置板式塔类型有多种，经过比较工艺条件的考虑，本设计采用筛板，以下为筛板的计算。

塔板分块因mm D 1400= , 故塔板采用分块式.查表6表6塔径mm800-12001400-16001800-20002200-2400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 mm W W s s 100~70'==进口堰后的安定区宽度为Ws ’=50-100mm边缘区（无效区）宽度为 mm W c 50~30= 取m s W W s 07.0='=，m W c 035.0=开孔区面积计算开孔区面积a A ，按下式计算,即 其中故筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 δ=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：m d t 015.0005.033=⨯==筛孔数目n 为 ：开孔率为精馏段气体通过阀孔的气速为：提馏段气体通过阀孔的气速为：筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 δ=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：m d t 015.0005.033=⨯==筛孔数目n 为 ：开孔率为精馏段气体通过阀孔的气速为：提馏段气体通过阀孔的气速为：6)塔板的流体力学验算塔板压降精馏段 ：干板阻力h c 计算干板阻力 h c 由下式计算, 即由67.15%,1.100===Φδd ，查《常用化工单元设备的设计》得, C 0=0.772故 m h c 0515.07.78246.1772.097.17051.02=⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛=液柱 气体通过液层的阻力计算1h气体通过液层阻力1h 可由下式计算，即 查充气系数关联图，得到575.0=β故 ()()液柱m h h h h OW W L 02875.00136.00364.0575.01=+⨯=+==ββ 液体表面张力的阻力σh 的计算液体表面张力所产生的阻力σh 可由下式计算，即04gd h L Lρσσ=则液柱m h 00334.0005.081.97.7821006.3243=⨯⨯⨯⨯=-σσh h h h c p ++=1 则m h p 0836.000334.002875.00515.0=++= 液柱 气体通过每层塔板的压降为a kP p g h P a L p p 7.09.64181.97.7280836.0<=⨯⨯==∆ρ（设计允许值）提馏段：干板阻力h c 计算干板阻力 h c 由下式计算, 即由235%,1.100===Φd ，查《常用化工单元设备的设计》得, C 0=0.772故m h c 00303.098.887006.1772.067.17051.02=⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=液柱塔上液层有效阻力h l 计算液体表面张力所产生的阻力h l 计算,即查充气系数关联图，得到609.0=β故 ()液柱m h h h h OW W L 03045.005.0609.01=⨯=+==ββ 液体表面张力的阻力σh 计算液体表面张力所产生的阻力σh 由下式计算，即σh h h h c p ++=1 则m h p 03823.000475.003045.000303.0=++= 液柱 气体通过每层塔板的压降为kPa Pa g h P L p p 7.08.33381.998.88703823.0<=⨯⨯==∆ρ(设计允许值)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,即故在本设计中液沫夹带量e v 在允许范围内。