设计任务书(一) 设计题目：试设计一座乙醇-水连续精馏塔提纯乙醇。

进精馏塔的料液含乙醇25% （质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于94% ；残液中乙醇含量不得高于0.1% ；要求年产量为17000吨/年。

(二) 操作条件1) 塔顶压力4kPa（表压）2) 进料热状态自选3) 回流比自选4) 塔底加热蒸气压力0.5Mpa（表压）5) 单板压降≤0.7kPa。

(三) 塔板类型自选(四) 工作日每年工作日为300天，每天24小时连续运行。

(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) 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）。

目录1. 设计方案简介 (1)1.1设计方案的确定 (1)1.2操作条件和基础数据 (1)2.精馏塔的物料衡算 (1)2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 (1)2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (1)2.3物料衡算 (2)3.塔板数的确定 (2)3.1理论板层数N T的求取 (2)3.1.1 求最小回流比及操作回流比 (2)3.1.2 求精馏塔的气、液相负荷 (3)3.1.3 求操作线方程 (3)3.1.4 图解法求理论板层数 (3)3.2 塔板效率的求取 (4)3.3 实际板层数的求取 (5)4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (5)4.1操作压力计算 (5)4.2 操作温度计算 (5)4.3 平均摩尔质量的计算 (5)4.4 平均密度的计算 (6)4.4.1 气相平均密度计算 (6)4.4.2 液相平均密度计算 (6)4.5液体平均表面张力计算 (7)4.6液体平均黏度计算 (7)5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (8)5.1塔径的计算 (8)5.1.1精馏段塔径的计算 (8)5.1.2提馏段塔径的计算 (9)5.2精馏塔有效高度的计算 (9)5.3精馏塔的高度计算 (10)6.塔板主要工艺尺寸的计算 (10)6.1溢流装置计算 (10)6.1.1堰长l w (10)6.1.2 溢流堰高度h w (11)6.1.3 弓形降液管宽度W d和截面积A f (11)6.1.4 降液管底隙高度h o (11)6.2塔板布置 (12)6.2.1塔板的分块 (12)6.2.2边缘区宽度确定 (12)6.2.3开孔区面积计算 (12)6.2.4筛孔计算及其排列 (12)7.筛板的流体力学验算 (13)7.1塔板降 (13)7.1.1干板阻力h c计算 (13)7.1.2气体通过液层的阻力h l计算 (13)7.1.3液体表面张力的阻力hσ计算………………………………………137.2液面落差 (13)7.3液沫夹带 (14)7.4漏液 (14)7.5液泛 (14)8.塔板负荷性能图 (15)8.1漏液线 (15)8.2液沫夹带线 (15)8.3液相负荷下限线 (16)8.4液相负荷上限线 (17)8.5液泛线 (17)9.主要接管尺寸计算 (19)9.1蒸汽出口管的管径计算 (19)9.2回流液管的管径计算 (19)9.3进料液管的管径计算 (19)9.4釜液排出管的管径计算 (19)10.塔板主要结构参数表 (20)11.设计过程的评述和有关问题的讨论 (21)参考文献 (23)1. 设计方案简介1.1设计方案的确定本设计任务为分离乙醇—水混合物提纯乙醇，采用连续精馏塔提纯流程。

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入精馏塔内。

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，回流比较大，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。

1.2操作条件和基础数据进料中乙醇含量（质量分数） w F = 0.25； 产品中乙醇含量（质量分数） w D = 0.94； 塔釜中乙醇含量（质量分数） w W = 0.001； 处理能力 G F = 17000吨/年； 塔顶操作压力 4 kPa ； 进料热状况 泡点进料； 单板压降 ≤0.7kPa ；2.精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 乙醇的摩尔质量 M A =46.07kg/kmol 水的摩尔质量 M B =18.02kg/kmo l x F =02.18/75.007.46/25.007.46/25.0+=0.115x D =02.18/06.007.46/94.007.46/94.0+=0.860x W =02.18/999.007.46/001.007.46/001.0+=0.00042.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 M F ==⨯-+⨯02.18)115.01(07.46115.021.25kg/kmolM D ==⨯-+⨯02.18860.0107.46860.0）（42.14kg/kmolM W ==⨯-+⨯02.18)001.01(07.46001.018.05kg/kmol 2.3物料衡算每年300天，每天工作24小时，其处理量为17000吨/年故原料液的处理量为 F==⨯⨯25.2124300/10170003）（111.11kmol/h 总物料衡算 111.11= D + W乙醇的物料衡算 111.11⨯0.115 = 0.860D + 0.0004W 联立解得 D = 14.81kmol/h W = 96.30kmol/h3.塔板数的确定3.1理论板层数N T 的求取3.1.1 求最小回流比及操作回流比乙醇-水是非理想物系，先根据乙醇-水平衡数据（见下表1），绘出平衡线，如下图所示。

表1乙醇—水系统t —x —y 数据在上图对角线上，自点c （0.115,0.115）作垂线ec 即为q 线，该线与相平衡线的由a 点引出的切线的交点坐标为 y q =0.354 ， x q =0.115 故最小回流比为 R min =--=115.0354.0354.086.012.2R =1.5R min =1.5⨯2.12=3.18 3.1.2 求精馏塔的气、液相负荷 L 10.4781.1418.3=⨯==RD kmol/h V =91.6181.14)118.3()1(=⨯+=+D R kmol/hL '21.15811.11110.47=+=+=F L kmol/h V '91.61==V kmol/h 3.1.3 求操作线方程 精馏段操作线方程为 y 206.0761.0860.091.6181.1491.6110.47+=⨯+=+=x x x V D x V L D 提馏段操作线方程为y '001.0555.20004.091.6130.9691.6121.158''''''-=⨯-=-=x x x V W x V L W 3.1.4 图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，结果见上图，得理论塔板数N T =15块（不包括再沸器），精馏段12块，提馏段3块（不包括再沸器） 3.2 塔板效率的求取 操作温度计算：由乙醇—水的气液两相平衡图【1】可查得组成分别为⎪⎩⎪⎨⎧===0004.0115.0860.0W F D x x x 的泡点温度：⎪⎩⎪⎨⎧===℃塔釜温度：℃进料板温度：℃塔顶温度：5.99t 5.85t 5.78t W F D 由乙醇—水的气液两相平衡图可查得：塔顶和塔釜的气液两相组成为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧==⎩⎨⎧==002.00004.0860.0860.0A A A A y x y x 塔釜：塔顶：查化工物性算图手册得：⎩⎨⎧==2.1502.1底顶αα则塔内相对挥发度：94.32.1502.1=⨯=⋅=底顶αααm 全塔液体平均粘度的计算：液相平均粘度的计算，即 i i Lm x μμlg lg ∑= 塔顶液相平均粘度的计算 由C 5.78︒=D t ，查手册【2】得：s mPa A ⋅=45.0μ s mPa B ⋅=36.0μ )36.0lg(140.0)45.0lg(860.0lg +=LDm μ 解出 s mPa LDm ⋅=44.0μ 塔底液相平均粘度的计算042.0=A y 塔釜由C 5.99︒=W t ，查手册【3】得：s mP A ⋅=34.0μ s mPa B ⋅=29.0μ 【1】)29.0lg(958.0)34.0lg(042.0lg +=LWm μ 解出 s mPa LWm ⋅=29.0μ 则全塔液相平均粘度为s mP Lm ⋅=+=37.02)29.044.0(μ 故 s mP Lm m ⋅=⨯=46.137.094.3μα 查奥康内尔（o'connell ）关联图【1】得： %450=E因为筛板塔全塔效率相对值为1.1【1】，故精馏塔的全塔效率为 %50%451.11.10=⨯=⨯=E E 3.3 实际板层数的求取精馏段实际板层数 N 2450.0/12==精 提馏段实际板层数 N ==50.0/3提64.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1操作压力计算塔顶操作压力 3.10543.101=+=D P kpa 每层塔板压降 kPa P 7.0=∆进料板压力 1.122247.03.105=⨯+=F P kpa精馏段平均压力 7.1132/1.1223.105m =+=）（P kpa 4.2 操作温度计算从乙醇-水溶液的气液相平衡图【1】查得泡点温度（近似看作是操作温度）为：塔顶温度 C 5.78︒=D t进料板温度 ℃5.85=F t 精馏段平均温度为：℃822/)5.855.78(=+=m t 4.3 平均摩尔质量的计算 塔顶平均摩尔质量计算由860.01==y x D ，查平衡曲线（x -y 图），得kmol kg M kmol kg M x LDm VDm /81.4102.18)848.01(07.46848.0/14.4202.18)860.01(07.46860.0848.01=⨯-+⨯==⨯-+⨯==进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板（x -y 图），得 415.0=F y查平衡曲线（x -y 图），得 105.0=F xkmol kg M VFm /08.3002.18)430.01(07.46415.0=⨯-+⨯= kmol kg M LFm /25.2102.18)115.01(07.46105.0=⨯-+⨯= 精馏段平均摩尔质量kmol kg M Vm /11.362)08.3014.42(=+= kmol kg M Lm /53.312)25.2181.41(=+= 4.4 平均密度的计算 4.4.1 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 55.1)15.27382(314.811.367.113m =+⨯⨯==m Vm m V RT M P ρkg/3m 4.4.2 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 i i Lm a ρρ∑=1 塔顶液相平均密度的计算 由C 5.78︒=D t ，查手册【2】得3/0.611m kg A =ρ 3/7.972m kg B =ρ 塔顶液相的质量分率 940.002.18140.007.46860.007.46860.0=⨯+⨯⨯=A a3/9.6247.060.00.611940.01m kg LDm =+=ρ进料板液相平均密度的计算 由℃5.85=F t ，查手册【2】得3/0.505m kg A =ρ 3/6.867m kg B =ρ 进料板液相的质量分率 230.002.18895.007.46105.007.46105.0=⨯+⨯⨯=A a3/2.7736.867770.00.505230.01m kg LFm =+=ρ精馏段液相平均密度为3/1.6992)2.7739.624(m kg Lm =+=ρ 4.5液体平均表面张力计算 液相平均表面张力依下式计算，即 ∑=i i Lm x σσ塔顶液相平均表面张力的计算 由C 5.78︒=D t ，查手册【2】得m mN A /3.17=σ m mN B /9.62=σ m mN LDm /7.239.62140.03.17860.0=⨯+⨯=σ 进料板液相平均表面张力的计算 由℃5.85=F t ，查手册得m mN A /9.15=σ m mN B /4.60=σ m mN LDm /3.554.60885.09.15115.0=⨯+⨯=σ 精馏段液相平均表面张力为m mN Lm /5.392)3.557.23(=+=σ 4.6液体平均黏度计算 液相平均粘度依下式计算，即i i Lm x μμlg lg ∑= 塔顶液相平均粘度的计算 由C 5.78︒=D t ，查手册【2】得：s mPa A ⋅=45.0μ s mPa B ⋅=36.0μ )36.0lg(140.0)45.0lg(860.0lg +=LDm μ 解出 s mPa LDm ⋅=44.0μ 进料板液相平均粘度的计算 由℃5.85=F t ，查手册【3】得：s mP A ⋅=45.0μ s mPa B ⋅=36.0μ 【1】 )36.0lg(926.0)45.0lg(074.0lg +=LFm μ 解出 s mPa LWm ⋅=37.0μ 精馏段液相平均粘度为s mPa Lm ⋅=+=41.02)37.044.0(μ5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1塔径的计算5.1.1精馏段塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 40.055.1360011.3691.613600=⨯⨯==Vm Vm s VM V ρm 3/s0006.01.699360053.3110.473600=⨯⨯==Lm Lm s LM L ρm 3/s由 VVL Cu ρρρ-=max 式中C 由式2.02020⎪⎭⎫ ⎝⎛=L C C σ计算，式中C 20由图（史密斯关系图）【4】查得，图的横坐标为032.055.11.69940.00006.02121=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛V L s s V L ρρ取板间距m H T 40.0=，板上液层高度m h L 06.0=，则 m h H L T 34.006.040.0=-=-查图（史密斯关系图）【4】得 073.020=C084.0205.39073.0202.02.020=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=L C C σs m u /78.155.155.11.699084.0max =-=取安全系数为0.7，则空塔气速为 25.178.17.07.0max =⨯==u u m/s 64.025.114.340.044=⨯⨯==u V D s πm 5.1.2提馏段塔径的计算提馏段塔径计算，所需数据可从相关手册【1，2，4】查得，计算方法同精馏段。