（封面）XXXXXXX学院乙醇-水精馏塔设计报告题目：院（系）：专业班级：学生姓名：指导老师：时间：年月日目录第一章设计任务书 (1)第二章设计方案的确定及流程说明 (2)2.1 塔类型的选择 (2)2.2 塔板形式的选择 (3)2.3 设计方案的确定 (4)第三章塔的工艺计算 (6)3.1物料衡算 (6)3.2理论板数，板效率及实际板数的计算 (10)3.3平均参数、塔径、塔高的计算 (14)第四章塔板结构设计 (21)4.1塔板结构尺寸的确定 (21)4.2塔板流体力学计算 (23)第五章塔板负荷性能图 (28)5.1 精馏段 (28)5.2提馏段 (30)第六章附属设备设计 (33)6.1产品冷却器 (33)6.2接管 (34)6.3其他 (35)第七章设计方案的比较与讨论 (36)第一章设计任务书一、设计题目：乙醇—水精馏塔本设计是根据生产实际情况并加以一定程度的简化而提出的。

二、设计任务及条件1.进精馏塔料液含乙醇25%（质量），其余为水。

2.产品乙醇含量不得低于94%（质量）。

3.残液中乙醇含量不得高于0.1%（质量）。

4.生产能力为日产（24小时）50吨94%的乙醇产品5.操作条件：精馏塔顶压力：4KPa（表压）进料状况：泡点进料回流比：R/R min=1.6单板压降：不大于667 Pa加热蒸汽压力：101.3kPa（表压）6.设备形式：浮阀塔7.厂址：天津地区第二章设计方案的确定及流程说明2.1 塔类型的选择塔设备的种类很多，按操作压力可分为常压塔、加压塔和减压塔；按塔内气液相接触构件的结构形式又可分为板式塔和填料塔两大类。

板式塔和填料塔各有适用的环境，具体板式塔和填料塔性能的比较可见下表1：表1 板式塔和精馏塔的比较类型板式塔填料塔结构特点每层板上装配有不同型式的气液接触元件或特殊结构，如筛板、泡罩、浮阀等；塔内设置有多层塔板，进行气液接触塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格栅、波纹板、脉冲等规整填料；填料为气液接触的基本元件操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作设备性能空塔速度（亦即生产能力）高，效率高且稳定；压降大，液气比的适应范围大，持液量大，操作弹性小大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较小；低压时分离效率高，高压时分离效率低，传统填料效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高；大尺寸压力降小，小尺寸压力降大；要求液相喷淋量较大，持液量小，操作弹性大制造与维修直径在600mm以下的塔安装困难，安装程序较简单，检修清理容易，金属材料耗量大新型填料制备复杂，造价高，检修清理困难，可采用非金属材料制造，但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求压力降小的物料在本设计中，之所以选用板式塔，塔底为直接蒸汽加热，板式塔塔底无需再添加气体初始分布装置，且塔顶和进料口位置无需添加液体初始分布装置；另一方面，塔板所需费用要远低于规整填料，正式是因为板式塔的结构简单，造价较低两大优点，导致具有比较大的经济优势。

2.2 塔板形式的选择塔板形式很多，常见的有泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、垂直塔板、无降液管塔板（常见的有穿流式栅板、穿流式筛板）、导向筛板、多降液管塔板和斜喷型塔板（常见的有舌型塔板、斜孔塔板、浮动舌型塔板、浮动喷射塔板）等。

泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，它由升气管及泡罩构成。

泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。

泡罩有φ80、φ100和φ150mm三种尺寸，可根据塔径大小选择。

泡罩下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。

泡罩在塔板上为正三角形排列。

优点是操作弹性较大，液气比范围较大，不易堵塞，适用于处理各种物料，操作稳定可靠。

缺点是结构复杂，造价高；板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低，除特殊需要，一般不选用。

筛孔塔板简称筛板，其结构特点是在塔板上开有许多均匀小孔，孔径一般为3～8mm。

筛孔在塔板上为正三角形排列。

塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。

优点是结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率高。

缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。

浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。

阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，可防止阀片与板面的粘结。

优点是结构简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，汽液接触时间较长，故塔板效率较高。

缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性降低。

表2 塔板性能的比较塔盘类型优点缺点适用场合泡罩板浮阀板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多舌型板结构简单且阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔表3 主要塔板性能的量化比较塔板类型生产能力塔板效率操作弹性压降结构成本泡罩板 1.0 1.051复杂1浮阀板 1.2-1.3 1.1~1.290.6一般0.7-0.9筛板 1.2-1.4 1.130.5简单0.4-0.5舌型板 1.3-1.5 1.130.8简单0.5-0.6本设计采用浮阀塔板，因为浮阀具有生产能力大、操作弹性宽、塔板效率高等优点。

本设计采用技术成熟的F1型浮阀，F1型浮阀已有系列标准，各种设计数据完善，便于设计和对比。

F1型浮阀分为轻阀（代表符号Q）和重阀（代表符号Z）两种。

轻阀采用厚度为1.5mm 的薄板冲压制成，质量约25g；重阀采用厚度为2mm薄板冲压制成，质量约为33g。

一般重阀应用广泛，轻阀泄漏量大，只有在要求压降小的时候（如减压蒸馏）才采用。

本设计采用应用最广泛的F1型重阀。

2.3 设计方案的确定(1)装置设备：包括精馏塔、原料预热器、塔顶全凝器、釜残液冷却器、馏出液冷却器、产品贮罐、塔顶回流泵（一开一备）、进料泵（一开一备）、低压蒸汽透平等设备。

(2)操作压力：乙醇-水采用常压精馏就能够实现初步分离要求，考虑实际情况，塔顶压力设置至4kPa（表压）。

(3)进料热状况：精馏塔一般采用泡点进料，其优势在于将物料温度加热到泡点所需要的蒸汽品味，相比塔釜加热所需热品味要低很多，可以用较低温流股等预热，有利于节省总能耗；泡点进料能平衡精馏段和提馏段的气液相负荷，维持塔内气相负荷相对稳定，塔径较接近，无需变径；泡点进料易达气液平衡，塔板效率高，理论板数相对于过热和过冷进料要少；此外，泡点进料为液体进料，进料接管管径较小，开孔对塔壁影响小。

(4)塔釜加热方式：直接蒸汽加热使用与含有水且水为重组分的物系。

因此，对于乙醇-水的混合物，可以采用直接蒸汽加热的方式，这样只需在塔釜内安装鼓泡管，省去一个再沸器，且可利用压力较低的蒸汽来进行加热，操作费用和设备费用均可降低。

但由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液的轻组分浓度降低，所需的塔板数略有增加。

而在本设计中，乙醇-水物系低浓度时的相对挥发度很大，所增加的塔板数并不多，采用直接蒸汽加热是合理的。

(5)塔顶冷凝方式：考虑到塔顶乙醇为最终产物，冷凝所需能耗不大，因此本设计采用全凝器，以便于准确的控制回流比和塔器操作的稳定。

(6)塔板溢流方式：溢流方式与降液管布置方式有关，常见的布置方式有U形流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流。

U形流液体流经长，可以提高板效率，但液面落差大，适用于小塔及液体流量小的场合。

单溢流流经较长，塔板效率较高，结构简单，加工方便，适用于直径小于2.2m的塔。

双溢流液体流动路径短，可降低液面落差，但塔板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于2m的塔。

阶梯式双溢流可在不缩短液体流经的情况下减小液面落差，但是结构复杂，适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合。

结合本设计的精馏塔尺寸，选用单溢流方式。

(7)精馏塔装置流程：见附图生产工艺流程图。

第三章塔的工艺计算3.1物料衡算1.计算各流股的摩尔分数水的摩尔质量：M w=18.015kg/kmol 乙醇的摩尔质量：M o=46.069kg/mol 因此：进料摩尔分数：x F=0.2546.069⁄0.2546.069⁄+0.7518.015⁄=0.1153馏出液摩尔分数：x D=0.9446.69⁄0.9446.069⁄+0.0618.015⁄=0.8597釜液摩尔分数：x W=0.00146.069⁄⁄⁄=0.00042.计算各流股平均摩尔质量：进料：M F=46.069×0.1153+18.015×(1−0.1153)=21.25k g/k mol 馏出液：M D=46.069×0.8597+18.015×(1−0.8597)=42.13kg/kmol 釜液：M W=46.069×0.0004+18.015×(1−0.0004)=18.03kg/kmol3.计算最小回流比：查资料得常压下乙醇—水系统的t-x-y数据如下：表4 常压下乙醇—水系统的t-x-y数据根据数据作出乙醇—水系统的汽液平衡相图可知，该曲线存在凹陷段，因此不能用一般的方法求其最小回流比，需要通过作切线确定。

图1 最小回流比求解图初步估计切点在曲线凹段，因此用origin将曲线后半段10个点进行拟合图2 最小回流比切线图得其方程：y =3.5787x4−10.0208x3+10.9311x2−4.8680x+1.3801（1）求导得y,=14.3150x3−30.0625x2 −9.7360+1.3801（2）对于过点（x D，x D）的切线，设其切点为（x0，y0），满足方程（2），则该曲线在曲线上点（x0，y0）的切线方程为y=y0,(x−x0)+y0（3）将（2）代入方程（3），x D=85.97，并于（1）联立，解得：x0=0.7686 y0=0.7982切线纵截距：b=0.2787b=x DR min+1算得R min=2.08514.确定回流比根据生产任务：R R min=1.6⁄因此R=1.6×R min=1.6×2.0851=3.33615.确定精馏段、提馏段操作线方程精馏段操作线方程：y=RR+1x+1R+1x D=3.33613.3361+1x+13.3361+1×0.8597=0.7694x+0.2042（4）饱和液体进料，所以q线方程为：q=x F=0.1153 （5）则由（4）、（5）得q线与精馏段操作线的交点为：x q=0.1153 y q=0.4573连接点(x q，y q)、（x W，0）即得提馏段操作线方程：y =3.9781x−0.00166.进行物料衡算直接蒸汽加热精馏塔全塔物料衡算：F+V0=D+W（6）其中：F—进料流量，kmol/s；V0—蒸汽流量，kmol/s；D—馏出液流量，kmol/s；W—釜液流量，kmol/s；根据生产任务，D=50t/d=50×100041.985×24=49.44kmol/h根据恒摩尔流假设，物料衡算式如下：D=1000×503600×24×M D=1000×503600×24×42.13=0.0137 kmol/s（7）乙醇的物料衡算：Fx F=Dx D+Wx W（8）由（6）、（7）、（8）解得F=0.05185kmol/s W=0.03810kmol/sV0=D+L=D+D×R=0.0137+0.0137×3.3361=0.0594kmol s⁄=213.86kmol h⁄3.2理论板数，板效率及实际板数的计算1.理论板数确定根据汽液平衡相图以及精馏段、提馏段操作线方程作梯级图由图得理论板数：N T=26其中：精馏段22块板，提馏段4块板图3 图解理论板图4 图解理论板（塔顶局部放大）图5 图解理论板（塔底局部放大）2. 塔顶温度计算对非理想物系，有修正的拉乌尔定律可得：P =γA x A p A 0+γB (1−x A )p B 0（9）式中，p A 0，p B 0为纯组分A ，B 的饱和蒸汽压；γA ，γB 为组分A,B 的活度系数。