（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）操作条件塔顶压力4kPa （表压） 进料热状态自选 回流比自选 塔底加热蒸气压力 0.5Mpa （表压） 单板压降W 0.7kPa1) 2) 3) 4) 5) （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）设计内容设计说明书的内容 精馏塔的物料衡算； 塔板数的确定； 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算; 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； 塔板主要工艺尺寸的计算； 塔板的流体力学验算； 塔板负荷性能图； 精馏塔接管尺寸计算； 对设计过程的评述和有关问题的讨论。

1、 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 2、 1) 2)设计图纸要求： 绘制生产工艺流程图（A2号图纸）； 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设计方案的确定……1.2操作条件和基础数据..........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..........2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量2.3物料衡算.......3. .......................... 塔板数的确定3.1 理论板层数Nr的求取……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………43.3 实际板层数的求取………4. 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………4.2 操作温度计算………4.3 平均摩尔质量的计算………4.4 平均密度的计算………4.4.1 气相平均密度计算………4.4.2 液相平均密度计算………4.5 液体平均表面张力计算4.6 液体平均黏度计算……5. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1 塔径的计算……105.1.1 精馏段塔径的计算 ....... 5.1.2提馏段塔径的计算 .......5.2 精馏塔有效高度的计算 ......... 5.3精馏塔的高度计算••…6. ......................................... 塔板主要工艺尺寸的计算137.2 液面落差 ........................................................ 13 7.3 液沫夹带 ........................................................ 14 7.4漏液 ............................................................ 14 7.5液泛 ............................................................148.塔板负荷性能图 .......6.1.1 堰长Iw .................................................................................. 10 6.1.2 溢流堰高度hw ..................................................................... 11 6.1.3 弓形降液官宽度 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 开孑孔区面积计算 ........................................... 12 6.2.4筛孔计算及其排歹y .....................................................................................................12 7. 筛板的流体力学验算 .................................................... 13 7.1 塔板降 .............................................................137.1.1 干板阻力h e 计算 ............................................ 13 7.1.2 气体通过液层的阻力 h l 计算 ....................................137.1.3液体表面张力的阻力 h b 计算 ................................. -…6.1 溢流装置计算••…10 8.1 漏液线 .....15 8.2 158.3 液相负荷下限线 ......16 8.41710 158.5 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199.2 回流液管的管径计算199.3 进料液管的管径计算199.4 釜液排出管的管径计算1910.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)乙醇的摩尔质量 M A =46.07 kg/kmol 水的摩尔质量M B =18.02 kg/kmol 0.25/46.07X F =0.25/46.07 +0.75/18.02=0.1150.94/46.07X D = ------------------------------- =0.860 0.94/46.07 +0.06/18.020.001/46.07X W = ---------------------------------- =0.00040.001/46.07 +0.999/18.022.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M F = 0.115X 46.07 +(1-0.115)X 18.02 =21.25kg/kmol M D =0.860% 46.07 (1—0.860) 18.02 =42.14kg/kmol1. 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一水混合物提纯乙醇，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处理能力G F = 17000吨/年; 塔顶操作压力 进料热状况泡点进料; 单板压降W 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；4 kPa ；M w =0.001x46.07 +(1 -0.001)x 18.02 = 18.05 kg/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3故原料液的处理量为F=17000天10/（300咒24）= 111.11kmol/h总物料衡算111.11= D + W3. 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。

21.25乙醇的物料衡算 111.11 X 0.115 = 0.860D + 0.0004W 联立解得D = 14.81 kmol/h W = 96.30kmol/h一鴛".0004=2.555X—0.0013.1.4图解法求理论板层数在上图对角线上，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= O.86—0.354 =2.120.354 -0.1153.1.2求精馏塔的气、液相负荷 L = RD =3.18咒14.81 =47.10kmol/hV =(R+1)D =(3.18 + 1)x14.81 =61.91kmol/h L =L+F =47.10+111.11 =158.21kmol/h V ' =V =61.91kmol/h 3.1.3求操作线方程精馏段操作线方程为=47.10x +14.81X0.860 =0.761x + 0.206 61.9161.91提馏段操作线方程为R =1.5R min =1.5x2.12=3.18X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:X D = 0.860X F =0.115的泡点温度:x w = 0.0004塔顶温度：t D =78.5C’进料板温度：t F =85.5C 塔釜温度：t w =99.5C 由乙醇一水的气液两相平衡图可查得:塔顶:X^0.860I IJ A =0.860I 塔釜：X ^ 0.0004IM =0.002= 1.02则塔内相对挥发度：d m =、他顶心底=“02x15.2 =3.94全塔液体平均粘度的计算: 液相平均粘度的计算，即X i lg 片 塔顶液相平均粘度的计算 由t D =78.5°C ，查手册【2】得:=0.45mPa s % = 0.36mPa 、slg %Dm =0.860lg(0.45)+0.140lg(0.36)解出 ^LDm = 0.44mPa s塔底液相平均粘度的计算 塔釜 y A =0.042 由t w =99.51C ，查手册【3】得:由乙醇一水的气液两相平衡图【卩可查得组成分别为. 塔顶和塔釜的气液两相组成为:查化工物性算图手册得：iL 底= 15.2£=0.34mP s 血=0.29mPa s【"Ig ^Lwm =0.042lg(0.34)+0.958lg(0.29)解出^LWm = 0.29mPa s则全塔液相平均粘度为^m =(0.44 +0.29)/2 =0.37mP 5故a m»Lm =3.94x0.37 =1.46mP s查奥康内尔（O'COnnell/关联图【"得：E0=45% 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E =1.1"0 =1.1x45% =50%3.3实际板层数的求取精馏段实际板层数N 精=12/0.50 =24提馏段实际板层数N 提=3/ 0.50 =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P D =101.3 +4= 105.3 kpa每层塔板压降A P =0.7kPa进料板压力P F =105.3+ 0.7% 24= 1221kpa精馏段平均压力P m =(105.3 +122.1/2 =113.7kpa 4.2操作温度计算从乙醇-水溶液的气液相平衡图"】查得泡点温度（近似看作是操作温度）为: 塔顶温度t D =78.5°C进料板温度t F=855C塔顶平均摩尔质量计算精馏段平均温度为：t m =（78.5 +85.5）/2 =82C4.3平均摩尔质量的计算3 =611.0kg/m 3 972.7kg/m 30.860X46.07由X D = y i =0.860，查平衡曲线（x-y 图），得为=0.848M vDm =0.860x46.07 +(1 -0.860)x18.02 = 42.14kg/kmolM LDm =0.848x46.07 +(1 -0.848)x18.02 = 41.81kg /kmol进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板（x-y 图），得 y =0.415查平衡曲线（x-y 图），得X F =0.105M vFm =0.415 咒 46.07 +(1 -0.430)咒 18.02 = 30.08kg/kmolM LFrn =0.105X46.07 +(1 -0.115)x18.02 =21.25kg/kmol精馏段平均摩尔质量M Vm =(42.14+30.08)/2 =36.11kg/kmolM Lm =(41.81 +21.25)/2 =31.53kg/kmol4.4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 PVm=P^=8.3%：73.15）=1.55kg/m 34.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1/ p Lm =送 a i / P i塔顶液相平均密度的计算 由t D =78.5 °C ，查手册【2】得塔顶液相的质量分率a A "0.860X46.07 +0.140咒18.02 "0.9401P LDm=0.940/611.0 +0.060/972.7 =624.9kg/m进料板液相平均密度的计算由t F =85.5C，查手册【2】得3 3巳=505.0kg/m P B =867.6kg/m进料板液相的质量分率a A =----------- =0.2300.105x46.07 +0.895x18.021 3吐Fm _ 0.230/505.0 +0.77Q/867.6 一773.2旳'口精馏段液相平均密度为P Lm =(624.9+773.2)/2 =699.1kg/m34.5液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即bg Xi®塔顶液相平均表面张力的计算由t D =78.5 9，查手册【2】得=17.3mN /m b g =62.9mN/m^LDm =0.860X17.3+0.140X62.9 =23.7mN /m进料板液相平均表面张力的计算由t F =85.5C，查手册得=15.9mN/m b g =60.4mN/m^LDm =0.115X15.9 +0.885X60.4 =55.3mN/m精馏段液相平均表面张力为U =(23.7 +55.3)/2 =39.5mN/m4.6液体平均黏度计算液相平均粘度依下式计算，即塔顶液相平均粘度的计算由t D =78.5乜，查手册【2】得: P A =0.45mPa s 0.36mPa s0.105x46.07半0.0006僚『=0.032Ig ^LDm =0.860Ig(0.45)+0.140Ig(0.36)解出^LDm = 0.44mPa s进料板液相平均粘度的计算由t F=85.5C，查手册【3】得:M】巴=0.45mP s A B =0.36mPa s 】Ig ^LFm =0.074lg(0.45) +0.926lg(0.36)解出％Wm = 0.37mPa s精馏段液相平均粘度为^Lm =(0.44 +0.37)/2 = 0.41mPa s5. 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Vs=^M^=61.9W36.11 =0.40m3/s3600% 3600X1.55LM Lm =47.1Z31.53=0.0006 m3/s3600 P Lm3600X699.1Ip _p 由U max =C J七」式中C由式C=C20化！计算，式中C20由图（史密斯关系图）【4】查得，图的（20丿横坐标为取板间距H T = 0.40m ，板上液层高度n = 0.06m ，则H T =0.40-0.06 = 0.34m查图（史密斯关系图）⑷得C 20 =0.073C aM a 073]395〕.0.084u max=0.084』699^=1.78m/s ¥ 1.55取安全系数为0.7,则空塔气速为U=0-7x1.78 =1.25m/s 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 ⑴2，4】查得，计算方法同精馏段。