专业资料化工原理课程设计题目乙醇-水溶液连续精馏塔优化设计目录1.设计任务书 (3)2.英文摘要前言 (4)3.前言 (4)4.精馏塔优化设计 (5)5.精馏塔优化设计计算 (5)6.设计计算结果总表 (22)7.参考文献 (23)8.课程设计心得 (23)精馏塔优化设计任务书一、设计题目乙醇—水溶液连续精馏塔优化设计二、设计条件1．处理量： 16000 （吨/年）2．料液浓度： 40 （wt%）3．产品浓度： 92 （wt%）4．易挥发组分回收率： 99.99%5．每年实际生产时间：7200小时/年6. 操作条件：①间接蒸汽加热；②塔顶压强：1.03 atm（绝对压强）③进料热状况：泡点进料；三、设计任务a) 流程的确定与说明；b) 塔板和塔径计算；c) 塔盘结构设计i. 浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图；ii. 流体力学验算；iii. 塔板负荷性能图。

d) 其它i. 加热蒸汽消耗量；ii. 冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量e) 有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统工艺流程图和精馏塔装配图，编写设计说明书。

乙醇——水溶液连续精馏塔优化设计（某大学化学化工学院）摘要：设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对乙醇-水精馏工艺流程和主题设备设计。

关键词：精馏塔，浮阀塔，精馏塔的附属设备。

（Department of Chemistry,University of South China,Hengyang 421001）Abstract: The design of a continuous distillation valve column, in the material, product requirements and the main physical parameters and to determine the size, process design and selection of equipment and design results, completion of the ethanol-water distillation process and equipment design theme.Keywords: rectification column, valve tower, accessory equipment of the rectification column.前言乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。

在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。

要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。

精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。

化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。

为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。

可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。

浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。

浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。

F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。

浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。

2、操作弹性大。

3、塔板效率高。

4、气体压强降及液面落差较小。

5、塔的造价低。

浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。

精馏塔优化设计计算在常压连续浮阀精馏塔中精馏乙醇——水溶液，要求料液浓度为35%，产品浓度为93%，易挥发组分回收率99%。

年生产能力15000吨/年操作条件：①间接蒸汽加热②塔顶压强：1.03atm（绝对压强）③进料热状况：泡点进料一精馏流程的确定乙醇——水溶液经预热至泡点后，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贮槽。

塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。

工艺流程图见图二塔的物料衡算1.查阅文献，整理有关物性数据⑵常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表常压下乙醇—水系统t—x—y数据如表1—6所示。

乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：1825℃时的乙醇和水的混合液的表面张力与乙醇浓度之间的关系为：58453210314.410348.100163.009604.09726.283364.67x x x x x --⨯-⨯+-+-=σ 式中 σ——25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力，N ／m ； x ——乙醇质量分数，％。

其他温度下的表面张力可利用下式求得2.11221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--T T T T C C ＝σσ式中 σ1——温度为T 1时的表面张力；N ／m ；σ2——温度为T 2时的表面张力；N ／m ； T C ——混合物的临界温度，T C ＝∑x i T ci ，K ； x i ——组分i 的摩尔分数； T Ci ——组分i 的临界温度， K 。

2. 料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数X F =0.40/46.070.40/46.070.6/18.02+=0.207X D =0.92/46.070.92/46.070.08/18.02+=0.818X W =0.0001/46.070.0001/46.070.9999/18.02+=0.0000393. 平均摩尔质量M F =0.207⨯46.07+（1-0.207）⨯18.02=23.8 kg/kmolM D = 0.818⨯46.07+ (1-0.818) ⨯18.02=40.96kg/kmol M W =0.000039⨯46.07+（1-0.000039）⨯18.02=18.02kg/kmol4. 物料衡算已知：F=31600010720023.8⨯⨯=93.37/kmol h总物料衡算 F=D+W=93.37易挥发组分物料衡算 0.818D+0.000039W=93.37⨯0.207=19.33 联立以上二式得：D=23.63kg/kmol W=69.74kg/kmol三 塔板数的确定1. 理论塔板数T N 的求取⑴根据乙醇——水气液平衡表1-6，作图⑵求最小回流比R min 和操作回流比R 。

因为乙醇-水物系的曲线是不正常的平衡曲线,当操作线与q 线的交点尚未落到平衡线上之前,操作线已经与平衡线相切,如图g 点所示. 此时恒浓区出现在g 点附近, 对应的回流比为最小的回流比. 最小回流比的求法是由点a(D x ,D x )向平衡线作切线，再由切线的斜率或截距求min R因泡点进料，在图1中对角线上自点e （0.207，0.207）作垂线即为进料线（q 线），该线与平衡线的交点坐标为yq= 0.5330，xq= 0.207，此时最小回流比为 ：①由于此时乙醇—水系统的平衡曲线有下凹部分，求最小回流比自a 点（xD ，xD ）作平衡线的切线aq 并延长与y 轴相交于c 点，截距为0.25，即②当最小回流比为①时，比②还要小，已出现恒浓区，需要无穷多块塔板才能达到g 点。

所以对具有下凹部分平衡曲线点物系求Rmin 时，不能以平衡数据（yq ，xq ）代入图 1 M.T.图解法求NT 取操作回流比∴R min =2.3由工艺条件决定 R=2R m in 故取操作回流比 R=4.6⑶求理论板数T N塔顶，进料，塔底条件下纯组分的饱和蒸气压i p组分 饱和蒸气压/kpa塔顶 进料 塔底 水 44.2 86.1 101.33 乙醇101.3188.5220.0①求平均相对挥发度 塔顶 D α=A B P P =101.344.2=2.29 进料 F α=188.586.1=2.189 塔底 W α=220.0101.33=2.17全塔平均相对挥发度为m αW D αα2.17⨯2.29'm α②理论板数T N 由芬斯克方程式可知N m in =1l X X 1X 1X l mg W W D D g -α⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=0.81810.00003910.8180.00003912.23⎡-⎤⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪⎢⎥-⎝⎭⎝⎭⎣⎦-g g l l =13.5且min 4.6 2.30.411 4.61--==++R R R 由吉利兰图查的min0.322-=+T T N N N 即13.50.322-=+TT N N 解得 T N =20.8 （不包括再沸器）③进料板min'10.81810.207lg lg 110.8180.20711 2.52lg lg 2.24α⎡⎤⎛⎫⎛⎫-⎡-⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥ ⎪⎪ ⎪⎪⎢⎥--⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦=-=-=D FD F mx x x x N前已经查出min0.322-=+T T N N N 即 2.520.322-=+TT N N 解得 N=4.6故进料板为从塔顶往下的第5层理论板 即F N =5 总理论板层数 T N =21 （不包括再沸器） 进料板位置 F N =5 2、全塔效率TE因为T E =0.17-0.616lg m μ根据塔顶、塔釜液组成，求塔的平均温度为，在该温度下进料液相平均粘计划经济为m μ=0.207⨯0.32+（1-0.207）⨯0.3206=0.3204T E =0.17-0.616lg0.32=0.473、实际塔板数精馏段塔板数：613TN E ==精提馏段塔板数： 9.220TN E ==提 四、塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例：1、 操作压力为 Pm塔顶压力： D P =1.04+103.3=104.34 若取每层塔板压强 P ∆=0.7则进料板压力： F P =104.34+13⨯0.7=113.4kpa 精馏段平均操作压力 Pm =113.44104.34108.892+=kpa2、温度 m t根据操作压力，通过泡点方程及安托因方程可得 塔顶 D t =78.36C 进料板F t =95.5Cm t 精=78.3695.586.932+=C 3、平均摩尔质量M⑴ 塔顶D x =1y =0.838 D y =0.825VD M = 0.838⨯46.07+（1-0.838）⨯18.02=41.52 kg/kmolLD M =0.825⨯46.07+（1-0.825）⨯18.02=41.15 kg/kmol⑵ 进料板： F y = 0.445 F x =0.102VF M = 0.445⨯46.07+（1-0.445）⨯18.02=30.50 kg/kmol LF M =0.102⨯46.07+（1-0.102）⨯18.02=20.88 kg/kmol 精馏段的平均摩尔质量,V M 精=41.530.536.012+= kg/kmol,L M 精=41.1520.8831.002+= kg/kmol4、平均密度 m ρ⑴液相密度 ,L m ρ,1L m ρ=,,ABL AL Bw w ρρ+塔顶：,1L mρ=0.930.075789972.5+,L m ρ=796.73/Kg m 进料板上 由进料板液相组成 A x =0.102A w =0.10246.070.2250.10246.07(10.102)18.02⨯=⨯+-⨯,1LF mρ=796.7924.2860.52+=,LF m ρ=924.23/Kg m故精馏段平均液相密度,L m ρ精=796.7924.2860.52+=3/Kg m⑵气相密度 ,V m ρ ,V m ρ精=PM RT 提108.8936.011.318.314(27386.93)⨯=⨯+3/Kg m5、液体表面张力 m σ m σ=1ni i i x σ=∑.m D σ=0.838⨯17.8+(1-0.838)⨯0.63=15.0/mN m ,m F σ=0.102⨯16.0+(1-0.102)⨯0.62=2.20/mN m,m σ精=15.01 2.208.592+=/mN m 6、液体粘度 ,L m μ,L m μ=1ni i x i μ=∑,L D μ=0.838⨯0.55+(1-0.838)⨯0.37=0.521.a mP s ,L F μ=0.102⨯0.34+(1-0.102)⨯0.29=0.295.a mP s ,L M μ精=0.5210.2950.4082+=.a mP s以提馏段为例1、平均摩尔质量M塔釜 w y = 0.050 w x =0.0039Vw M =0.050⨯46.07+(1-0.050)⨯18.02=19.42 kg/kmol Lw M =0.0039⨯46.07+(1-0.0039)⨯18.02=18.12 kg/kmol 提馏段的平均摩尔质量,V M 提=30.5019.4224.962+= kg/kmol,L M 提=20.8818.1219.52+= kg/kmol2、平均密度,L m ρ,,,1ABL m L A L Bw w ρρρ=+塔釜，由塔釜液相组成 A x =0.0039A w =0.01,1Lw mρ=35.3831.010.000353600860.5⨯=⨯∴ ,Lw m ρ=961.53/Kg m故提馏段平均液相密度 ,L m ρ提=961.5924.2942.852+=3/Kg m ⑵气相密度,V m ρ,L m ρ提=PM RT 提=113.4424.960.928.314(27398.01)⨯=⨯+3/Kg m五 精馏段气液负荷计算V=（R+1）D=(2.32+1)⨯15.25=50.63/kmol hS V =,,3600V V m V M ρ精精=50.6336.010.3753600 1.31⨯=⨯ m s /3L=RD=2.32⨯15.25=35.38/kmol h,3600L s L m LM L ρ=精精=35.3831.010.000353600860.5⨯=⨯ m s /3六 提馏段气液负荷计算V ’=V=50.63/kmol h,''3600V s V m V M V ρ=提提=0.382 m s /3L ’=L+F=35.38+74.83=110.2/kmol h,''3600L s L m L M L ρ=提提=0.0006 m s /3七 塔和塔板主要工艺尺寸计算1塔径首先考虑精馏段：参考有关资料，初选板音距T H =0.45m 取板上液层高度L h =0.07m 故 T H -L h=0.45-0.07=0.38ms s L V ⎛ ⎝0.000350.375⎛ ⎝查图可得 20C =0.075校核至物系表面张力为9.0mN/m 时的C ，即C=20C 0.220σ⎛⎫⎪⎝⎭=0.075⨯0.28.5920⎛⎫ ⎪⎝⎭=0.064max u=C可取安全系数0.70，则u=0.70max u =0.7⨯1.64=1.148 m/s故按标准，塔径圆整为0.7m ，则空塔气速为0.975 m/s2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为1Z N =-T 精精（）H =(13-1)⨯0.45=5.4m 提馏段有效高度为1Z N =-T 提提（）H =(20-1)⨯0.45=8.55m 在进料孔上方在设一人孔，高为0.6m 故精馏塔有效高度为:5.4+8.55+0.6=14.55m3 溢流装置采用单溢流、弓形降液管⑴ 堰长 w l取堰长 w l =0.75Dw l =0.75⨯0.7=0.525m ⑵ 出口堰高w h =L ow h h -选用平直堰，堰上液层高度ow h 由下式计算ow h =2/32.841000h w L E L ⎛⎫⎪⎝⎭近似取E=1.03,则 ow h =0.017故 w h =0.07-0.017=0.053m ⑶ 降液管的宽度d W 与降液管的面积f A 由0.750wl D=查《化工设计手册》 得 dW D =0.17,f TA A =0.08故 d W =0.17D=0.12 f A =0.08()24D π=0.0312m停留时间 f T sA H L τ==39.9s (>5s 符合要求)⑷ 降液管底隙高度 h οh ο=w h -0.006=0.053-0.006=0.047m 3、塔板布置及浮阀数目击者及排列 取阀孔动能因子 F ο=9 孔速 u ο浮阀数 n=24s V d u οπ=20.3750.0398.074π⨯=39(个)取无效区宽度 c W =0.06m 安定区宽度 s W =0.07m开孔区面积212sin 180a x A R R π-⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ R=2c DW -=0.29m x=()2d DW Ws -+=0.16m 故 a A=210.1620.29sin 1800.29π-⎡⎤⎢⎥⎣⎦=0.175m 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排取同一磺排的孔心距 a=75mm=0.075m 估算排间距hh=a A n a ⨯=0.175390.075⨯=0.06m八 塔板流体力学校核1、气相通过浮塔板的压力降，由下式 p c f h h h h σ=++⑴ 干板阻力 25.342V c L u h gορρ==21.318.075.342860.59.81⨯⨯⨯=0.027m 液柱⑵ 液层阻力x ο 取充气系数数 οε=0.5,有 f h =οεL h =0.5⨯0.07=0.035m 液柱 ⑶ 液体表面张力所造成阻力x ο此项可以忽略不计。