化工原理壳程设计计算示例一浮阀塔工艺设计计算示例拟设计一生产酒精的板式精馏塔。

来自原料工段的乙醇-水溶液的处理量为48000吨/年，乙醇含量为35%（质量分率）原料温度为45℃。

设计要求：塔顶产品的乙醇含量不小于90%（质量分率），塔底料液的乙醇含量不大于0.5%。

一、塔形选择及操作条件的确定1．塔形：选用浮阀塔2．操作条件：操作压力：常压；其中塔顶：1.013×105Pa塔底：[1.013×105+N（265~530）Pa]进料状态：饱和液体进料加热方式：用直接水蒸气加热热能利用：拟采用釜残液加热原料液二、工艺流程三、有关工艺计算首先，根据题目要求，将各组成要求由质量分率转换为摩尔分率，其后由23971.1/H O kg m ρ=，3735/kg m ρ=乙醇参考资料（一），查出相应泡点温度及计算平均分子量。

同理求得0.779D x = 0.0002W x = (1)0.17646(10.176)1822.3/f f f M x M x M kg kmol =+-=⨯+-⨯=乙醇水同理求得：39.81/D M kg kmol =，18.1/D M kg kmol =1. 最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，x q =x f =0.174过点e(0.174，0.174)作x=0.174直线与平衡线交与点d ，由点d 可以读得y q =0.516，因此，min(1)0.7790.5160.7690.5160.174D q q qx y R y x --===--又过点a （0.779,0.779）作平衡线的切线，可得切点g 由切点g 可读得'0.55q x =，'0.678q y =，因此，'min(1)''0.7790.6780.7890.6780.55q q qD x y R y x --===--可见min min(2)0.789R R ==，操作回流比R=1（min / 1.27R R =在1.1~2.0的范围内）2． 塔顶产品量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 取每年工作日300天，每天24小时计，进料量为：3480010299/3002422.3F kmol h ⨯==⨯⨯由全塔物料衡算方程写出：0V F D W +=+ 00(y =蒸汽） D=65.85kmol/h 00f D W V y Fx Dx Wx +=+ W=364.85kmol/h'W L L qF RD qF ==+=+ q=1(泡点) V 0 =131.7kmol/h3. 全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：(1)()c VD LD Q R D I I =+-由资料（一）可查出：1266/VD I kJ kg =，253.9/LD I kJ kg =故6(11)65.8539.81(1266253.9) 5.30610/c Q kJ h =+⨯⨯-=⨯取冷凝介质为水，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃，那么在平均温度下水的比热为4.17/pc C kJ kg =℃，因此，冷却水的用量：621 5.30610127120/() 4.174(3525)c c cp Q W kg h C t t ⨯===--4． 热能利用拟利用釜残液预热原料液，将原料液预热至泡点所需的热量为21()f f pf f f Q W C t t =-83.834564.42fm t +==℃ 进出预热器原料的平均温度64.4fm t =℃下，可查出其比热 4.275/.pf C kJ kg =℃，所以364800010 4.275(83.8345) 1.10710/30024f Q kJ h ⨯=⨯-=⨯⨯釜残液放出的热量：12()W W PW W W Q W C t t =-若将釜残液温度降至55℃，那么平均温度为99.835577.22fm t +==℃下其比热为 4.191/.pf C kJ kg =℃，因此 6364.8518.1 4.191(99.3855) 1.22810/W Q kJ h =⨯⨯-=⨯可见W f Q Q >，理论上可以将原料液加热到泡点。

5． 理论塔板层数N T 的计算 精馏段操作线方程：10.50.3911D n n n x Ry x x R R +=+=+++ 提镏段操作线方程：1002.270.0054W m m m Wx Wy x x V V +=-=- q 线方程：X=0.174在y-x 相图中分别画出上述直线，利用图解法可求得： N T =18块，（包括塔釜）其中精馏段13块，提镏段5块6． 全塔效率估算（用奥康赖尔法） 由相平衡方程式1(1)x y x αα=+- 可得(1)(1)y x x y α-=-根据乙醇-水溶液的平衡数据（资料一）可查得10.779D y x ==1x =0.741(塔顶第一块板) f y =0.516（加料板）f x =0.174 W x =0.002 W y =0.026(塔釜)，因此可以求得：1α=1.232 f α=5.06 w α=13.2全塔的平均相对挥发度：4.36m α===全塔平均温度：78.6283.8399.3887.333D f wmt t t t ++++==℃在t m 温度下查得：0.327.,0.38.mPa s mPa s μμ=乙醇水 因为，Li i i x μμ=∑所以，0.1740.38(10.174)0.3270.336.Lf mPa s μ=⨯-⨯=0.368.LD mPa s μ= 0.327.Lw mPas μ=全塔液体的平均粘度：0.344.3Lf LD LWL mPa s μμμμ++==全塔效率：0.2450.24510.49()0.4945%(4.360.344)T L E αμ-==≈⨯7． 实际塔板数N P18400.45T P T N N E ===块（包括塔釜） 其中精馏段为：13/0.45=29块四、塔主体尺寸的计算1． 精馏段与提镏段的体积流量1） 精馏段：将已知数据整理列于下表2液相平均分子量：122.338.730/22f M M M kg kmol ++===液相平均温度：83.8378.6281.222f Dm t t t ++===℃在平均温度下可查得：233971.1/,735/H O kg m kg m ρρ==乙醇 液相平均密度：2''1)1Lm Dm LmH Ox x ρρρ-=+乙醇（ 平均质量分率：'0.350.8850.6032Dm x +==所以 3814/Lm kg m ρ=精馏段液相负荷：65.85/L RD kmol h ==365.8530243/814n DmLML m h ρ⨯===同理可以算出精馏段的气相负荷，结果列于表32) 提镏段：将已知数据整理列于表4表42. 塔径的计算由于精馏段与提镏段上升蒸汽量变化不大，为了便于加工制造，取两段塔径相同。

由上述计算结果可知：塔内平均蒸汽流量：31.056 1.151.103/22SJ ST S V V V m s ++=== 塔内平均液相流量：30.0006750.002250.00146/22SJ ST S L L L m s ++===塔内气相平均密度：31.250.8161.0335/22VJ VT V kg m ρρρ++===塔内液相平均密度：3814911863/22LJ LT L kg m ρρρ++===塔径的计算式可写成：D =由于塔内适宜的空塔气速max (0.6~0.8)u u =，因此，需要先计算最大允许速度max u 。

最大允许空塔气速的计算式为：max u =取塔板间距H T = 0.4m ，塔板上液层高度h l = 60mm = 0.6m ，那么分离空间：0.40.060.34T L H h m -=-=功能参数：()0.0382S S L V == 由史密斯关联图（资料二）查得：C 20 = 0.073，由于，0.220()20C C σ=在全塔平均温度下76.283.8399.3886.533D F W T T T ++++==℃,液相所含乙醇的平均摩尔分率为0.7430.1740.0020.3073++=所以液体的临界温度：0.307(273243)(10.307)(273374.2)609mc i ic T x T K =∑=++-⨯+=由资料（一）查得25℃下乙醇水溶液的表面张力，126/dyn cm σ= 平均塔温下乙醇水溶液的表面张力可由下式计算：1.22211()mc mc T T T t σσ-=- 1.22609(27386.5)[]2619.95/609(27325)dyn cm σ-+=⨯=-+所以0.219.950.073()0.07320C ==max u =0.7 2.11 1.47/u m s =⨯=0.951/D m s ==根据塔径系列尺寸圆整为：D = 1000mm这样一来，精馏段的上升蒸汽的速度为：2244 1.0561.345/3.141SJ J V u m s D π⨯===⨯ 提镏段的上升蒸汽的速度为：24 1.464/ST T Vu m s D π==3. 塔高的计算塔高可以根据下式计算：(2)D T T f W Z H N S H SH H H =+--+++已知实际塔板数N=40，板间距H T =0.4m 由于料液比较清洁，无需经常清洁，取每隔 8块板设置一个人孔，那么人孔数目为：40148S =-=若取人孔两板间的间距：'0.6T H m =塔顶空间：H D =1.2m 塔底空间：H W =2.5m 进料板空间高度：H F =0.5m总高度：Z=1.2+(40-2-4)×0.4+4×0.6+0.5+2.5=20.2m五、塔板结构尺寸的设计 1. 塔板尺寸由于D>800mm ，采用单溢流型分块式塔板，取无效边缘区宽度，W C = 40mm ，破沫区宽度 W S =70mm ，由参考资料（一）可查出l W =705mm ，弓形溢流管宽度W d = 146mm ，弓形降液管面积：A f =0.0706m 20.0706/0.090.78540.50.040.4620.50.1460.070.2892f T C d S A A DR W m Dx W W m===-=-==--=--= 验算：液体在精馏段降液管内的停留时间0.07060.441.850.000675f T J SJ A H s s L τ⨯===>液体在提镏段降液管内的停留时间0.07060.412.650.000225f T T STA H s s L τ⨯===>2. 弓形降液管1） 堰高：采用平直堰 w l w h h h =-取60,10l ow h mm h mm ==故601050w h mm =-= 2） 降液管底隙高度h 0若精馏段取h 0 =15mm,提镏段取h 0=25mm ，那么液体通过降液管底隙时的流速：精馏段：'000.0006750.0643/0.70.015SJ w L u m s l h ===⨯ 提镏段： 一般经验数值为'00.07~0.25/u m s ='000.002250.129/0.70.025SJ w L u m s l h ===⨯ 3） 进口堰高度'w h 及进口堰与降液管间的水平距离l h ：本设计不设置进口堰。