《化工原理》课程设计设计（论文）题目：板式精馏塔的设计学院名称：材料与化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：化工151姓名：学号指导教师：职称定稿日期：2018年1月7日目录1设计任务书1.1设计任务（1）原料液：乙醇水溶液，其中乙醇（质量分数）： 55% （2）塔顶产品中乙醇（质量分数）不低于：90 %（3）塔釜中乙醇质量分数不高于：1 %（4）生产能力：年开工时间>300天，乙醇产量：20000吨/年+上浮量=20000+18*1000=38000吨/年（上浮量=学号*1000吨/年）（5）安装地点：自选（这里选在宁波石化基地镇海炼化）1.2工艺操作条件（1）精馏塔顶压强：自选；（2）进料热状态：自选；（3）回流比：自选；（4）塔板类型：自选。
（5）塔釜加热、塔顶冷凝方式：自选注：工艺自选条件由分析后得到。
1.3设计内容要求（1）设计方案的确定及流程说明（2）塔的工艺计算（3）塔和塔板主要工艺尺寸的设计，包括塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。
（4）编制设计结果概要或设计一览表（5）绘制塔设备结构图(包括塔板的局部放大图)一张，工艺流程图一张：采用CAD软件绘制并用3号图纸打印，与设计说明书一起装订。
（6）设计说明书的编写格式按照本科毕业设计（论文）书写格式。
（7）选做：Aspen软件验算，精馏塔附属设备的设计。
2精馏塔设计2.1塔设备设计思路1) 塔高的计算，包括塔的主体高度、顶部与底部空间的高度，裙座高度。
2) 塔径的计算装置的有关条件→给定塔板设计条件→准备事项→确定塔径溢流区的设计→气液接触区的设计→各项校核计算3) 塔内件的设计，主要是塔盘的工艺和结构设计。
此外还有塔的进出口、防冲挡板、放涡器、除沫器等的设计计算。
2.2乙醇—水溶液的分析2.2.1乙醇—水溶液的性质由化工原理下册（课本P7两组分非理想物系的气液平衡）可知：非理想溶液，其表现是溶液各组分的平衡分压与拉乌尔定律发生偏差，此偏差可正可负，相应的，溶液分别称为正偏差溶液和负偏差溶液。
乙醇—水物系是具有很大正偏差溶液的典型例子。
乙醇—水溶液是极性溶液，水与乙醇的混合物的极性比水小比乙醇大。
2.2.2乙醇—水溶液气液平衡数据的获取依据化工热力学（课本P143第4章溶液热力学性质计算）可知如下图：图 2-1用Aspen 软件采用Wilson 方程分析乙醇—水溶液的气液平衡关系： 其中乙醇是易挥发组分，过程如下图：图 2-2解：乙醇的摩尔质量=46，水的摩尔质量=18 由已知条件得：进料组成 0.32445/1855/4655/46x F =+=（摩尔分数，下同）塔顶产品组成 0.77910/1890/4690/46x D =+=残釜液组成 0.0039499/181/461/46x D =+=由以上条件，作Txy 图，结果如下：图 2-3由上图可知：常压下，进料乙醇的摩尔分数为时，溶液的泡点温度为℃，露点温度为℃。
2.3 工艺操作条件的确定 2.3.1 压力的确定蒸馏可在常压、加压和减压下进行，通常，对常压下沸点在室温至150℃左右的混合液，可以采用常压蒸馏。
一般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。
对于乙醇—水体系，在常压下是液态，且乙醇—水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。
因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加。
因此，本设计选择常压操作条件。
2.3.2进料热状态的确定进料有5种状态，分别为过冷进料（q>1）；泡点进料（q=l）；气液混合进料（0<q<l)；饱和蒸汽进料（q=0）：过热蒸汽进料（q<0）。
泡点进料时操作较易控制，且不受季节气温的影响。
此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相等，设计和制造比较方便。
因此，采用泡点进料。
2.3.3回流比的确定回流比大小不仅影响到所需的理论塔板数，而且影响到加热和冷却剂的消耗量，以及塔板、塔径、塔釜和冷凝器的结构设计的选择。
因此，适宣回流比的选择是一个重要问题。
最小回流比的确定(1)作图法（用于两组分精馏计算）。
由乙醇—水溶液的xy气液平衡图及q线方程联立可求得Rmin(2)解析法（用于多组分精馏计算）。
用恩德伍德公式求出最小回流比 Rmin这里为两组分溶液，所以采用作图法确定最小回流比下图为：常压下，乙醇—水溶液的x —y （气液平衡相图）、各点具体数据图图 2-4图 2-5精馏段操作线斜率qD q D min minx x y -x 1R R -=+泡点进料时，q 线斜率为无穷大，乙醇的液相摩尔分数X F =X q =，由上图对应可知y q =故最小回流比0.6730.324-0.5960.596-0.779x y y -x x y y -x R fq q D qq q D min ==-=-=回流比的确定根据R=~2)R min ，确定实际回流比。
求得最小回流比=（基于摩尔），实际回流比取最小回流比的倍得实际回流比0.80761.20.6731.2R R min =⨯=⨯= 2.3.4 塔盘类型与选择板式塔塔板种类根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。
目前板式塔大多采用溢流式塔板。
穿流式塔板操作不稳定，很少使用。
各种塔盘性能比较工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。
这些塔板各有各的特点和使用体系，板式塔主要塔板的优缺点如表所示，各种塔盘比较如表所示：表 2-1圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高板间距大压力降比较大用于具有特定要求的场合S型泡罩塔板稍简单简化了泡罩的型式，因此性能相似费用高板间距大压力降比较大用于具有特定要求的场合条形浮阀简单操作弹性较好；塔板效率较高；处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程重盘式浮阀有简单的和稍复杂的T型浮阀简单筛板（溢流式）简单正常负荷下的效率高；费用最低；压力降稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易适于处理量变动少且不析出各塔盘比较表 2-2结论：浮阀塔盘在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔盘优越，筛板塔盘造价低、压力降小，除操作弹性较差外，其他性能接近于浮阀塔盘。
综合比较可得：浮阀板在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩板优越，结合本项目实际情况，初步选择浮阀塔。
2.3.5塔釜加热、塔顶冷凝方式塔顶采用全凝器冷凝，塔底冷凝器的冷却剂常采用水，若所需冷却温度较低，可采用冷却盐水。
根据冷源情况和工艺要求，采用冷水冷却。
塔釜采用再沸器加热，通常，蒸馏釜的加热方式多采用间接蒸汽加热，但在塔底产物基本是水，且在低浓度下的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热。
直接蒸汽加热可利用压力较低的蒸汽加热，不必设置庞大的传热面，塔斧只需安装鼓泡管，故可节省设备费用和操作费用。
因此，采用间接加热方式。
2.3.6工艺流程图图 2-63 精馏塔的工艺计算3.1 物料衡算根据装置维护工作量，一般按330天，连续生产的可按8000小时计算，维护工作量大的，要根据实际情况定。
解： 乙醇的摩尔质量=46，水的摩尔质量=18由已知条件得：生产能力38000吨/年=38000/8000=吨/小时进料组成 0.32445/1855/4655/46x F =+=（摩尔分数，下同）塔顶产品组成 0.77910/1890/4690/46x D =+=残釜液组成 0.0039499/181/461/46x W =+=原料液的平均摩尔质量 M F =×+×= 原料液流量 F=×= kmol/h得⎪⎩⎪⎨⎧==kmol/h 103.02W kmol/h 72.45D塔顶易挥发组分的摩尔回收率=99.3%0.324175.470.77972.45100%Fx Dx F D =⨯⨯=⨯ 塔釜难挥发组分的摩尔回收率=86.5%）0.324-1（175.47）0.00394-1（103.02100%）x -1（F ）x -1（W F W =⨯⨯=⨯3.2 操作线的计算精馏段方程 提馏段方程3.3 精馏塔工艺条件及有关物性数据 3.3.1 Aspen plus 简捷计算法计算结果如下图所示图 3-1可知，精馏塔实际理论塔板数为N T =35。
塔板总效率45.71%100%3516N N E PT T =⨯==由于存在中间进料，所以需要对气液负荷较大的塔板进行设计，通过保证要求最高的塔板的分离效率，从而保证每块塔板都都能满足分离要求。
3.3.2 AspenPlus 严格计算法采用严格算法计算，并将结果导入到excel 中（只显示两位小数），各塔板数据结果如下：图 3-2由图可以看出，在第1块和第33块塔板的气液相负荷较大，所以采集第1和第33块塔板的数据如下表精馏塔物性数据表 3-13.4塔径计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。
可参照下表所示经验关系选取:表 3-2塔板间距的选择初选板间距HT=，板上液层高度hL，对常压塔一般取为~（通常取~）；对减压塔，可低至~。
取板上液层高度hL =，故：HT-hL=，气液两相流动参数为：图 3-3由史密斯关联图可查得：C20=修正C为：0572.02026.6363054.0202.02.020=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=σC C ：sm Cu V V L /1.32311.399031.3990349.93370572.0max =-=-=ρρρ：在范围内取安全系数为，则：s m u u /1.05851.32318.08.0max =⨯==：m uV D s1.071.058536003410.7544=⨯⨯⨯==ππ；按设计标准，将塔径圆整为，则 塔截面积 ：222 1.131.244m D A T=⨯==ππ则实际空塔气速为0.838m/s 1.1336003410.75A V u T s =⨯==。
符合板间距与塔径经验关系，所选板间距合理。
因此确定设计过程中精馏段塔径为。
3.5 溢流装置计算溢流类型与液体负荷及塔径的经验关系如下所示：表 3-3<45<7 <70<9 <9090-160<11 <110110-250<11 <110110-250<11一般场合用于高液气比或大型塔板用于小塔及液体流量小本次设计塔径D=，且液体流量较小。
故选择单溢流。
溢流堰长lw根据单溢流取lw为（）D，取堰长lw为，则：出口堰hw堰高则由板上液层高度及堰上液层高度而定。
堰上液层高度太小会造成液体在堰上分布不均匀，影响传质效果，设计时应使堰上液层高度how大于6mm，若小于此值需采用齿形堰。