化工原理课程设计乙醇-水填料式精馏塔设计学生姓名徐程学院名称化学化工学院学号班级13级2班专业名称应用化学指导教师王菊2016年5月20日摘要填料式精馏塔是化工生产的重要化工设备。
精馏塔不仅对产品本身，而且还对产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。
因此，掌握精馏塔的基本设计对化工专业学生十分重要的。
本课程设计是关于乙醇-水的填料式精馏塔的设计，通过对填料式精馏塔的设计，熟练掌握以及运用所学知识并投入到实际生产当中去。
关键词乙醇；水；填料式精馏塔；化工生产；摘要 (I)第一部分概述 (3)概述 (3)文献综述 (3)填料类型 (3)填料塔 (4)填料选择 (4)设计任务书 (4)设计题目 (4)设计条件 (4)设计任务 (5)设计思路 (5)第二部分工艺计算 (6)平均相对挥发度的计算 (6)绘制t-x-y图及x-y图 (6)全塔物料衡算 (7)进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (7)平均摩尔质量 (8)全塔物料衡算： (8)最小回流比的计算和适宜回流比的确定 (8)最小回流比 (8)确定最适操作回流比R (9)热量衡算 (9)求理论板数及加料 (10)精馏段和提馏段操作线方程的确定 (10)理论板数及加料板位置 (11)填料高度计算 (11)精馏塔主要尺寸的设计计算 (12)流量和物性参数的计算 (12)塔板效率 (14)第三部分塔板结构设计 (14)气液体积流量 (15)精馏段的气液体积流量 (15)提馏段的气液体积流量 (16)塔径计算 (16)塔径初步估算 (17)第四部分换热器 (18)换热器的初步选型 (18)塔顶冷凝器 (18)塔底再沸器 (18)塔顶冷凝器的设计 (18)第五部分精馏塔工艺条件 (20)塔内其他构件 (20)塔顶蒸汽管 (20)回流管 (20)进料管 (20)塔釜出料管 (21)除沫器 (21)液体分布器 (21)液体再分布器 (22)填料支撑板的选择 (23)塔釜设计 (23)塔的顶部空间高度 (23)手孔的设计 (23)．裙座的设计 (23)精馏塔配管尺寸的计算 (24)塔顶汽相管径dp (24)回流液管径dR (24)加料管径dF (24)釜液排出管径dw (24)再沸器返塔蒸汽管径dv’ (25)精馏塔工艺尺寸 (26)第六部分结构设计结果 (27)总结 (28)参考文献 (28)附录 (29)第一部分概述概述乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取染料、涂料、洗涤剂等产品的原料，所以乙醇是一种重要的化工原料。
如今能源消耗有枯竭的趋势，作为一种可再生的能源，乙醇燃料成为未来代替传统化石燃料的重要能源之一。
国内乙醇生产方法主要有发酵法、乙烯水化法、合成气经醋酸制乙醇、合成气直接制乙醇等，国外乙醇生产方法主要有渗透蒸发技术、新型耦合分离技术、渗透气化膜分离技术、PVA膜渗透汽化等。
塔设备作为工业生产上最重要的设备之一，在工业生产乙醇的分离中起重要作用。
在塔设备中常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。
乙醇-水是工业上最常见的溶剂，也是十分重要的化工原料之一。
长期以来乙醇-水溶液通常都是通过蒸馏法生产，但由于乙醇-水的共沸现象，普通的精馏方法对于高纯度的乙醇来说产量不好，所以设计研究和改进精馏设备是十分重要的。
本课程设计主要是采用填料精馏塔对乙醇-水溶液进行分离。
塔设备在经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。
在乙醇的工业生产中，主要是通过精馏塔将产物乙醇与水分离，制取高纯度的乙醇。
按塔的内件结构的不同可以分为板式塔和填料塔两大类。
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。
填料塔的底部安装填料支撑板，填料随意乱堆或整砌的方式放置在支撑板上。
填料上方安装有填料压板，以防填料被上升气流吹动。
填料塔塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。
液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体则自下而上地流动，与液体逆流传质。
两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。
作为产物分离中的最重要的设备之一的塔设备，随着塔设备技术的发展，国内外制定了多种企业接触的元件，从而改善塔设备质量，缩短塔设备的制造、安装周期，以此来减少设备的投资费用。
文献综述填料类型气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。
精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍填料塔。
新型高效规整填料的不断开发与应用，冲击了蒸馏设备以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势。
最大直径规整填料塔已达14～20m，结束了填料塔只适用于小直径塔的历史。
这标志着填料塔的塔填料、塔内件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段。
纵观填料塔的发展，新型填料的研究始终十分活跃，尤其是新型规整填料不断涌现。
如今，填料主要分为散堆填料、规整填料和毛细管填料。
填料塔填料塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点是生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小操作弹性大等。
填料塔的缺点是填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料的表面，使传质效率下降；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂蒸馏不太适合等。
拉西环是最古老、最典型的一种填料，由于它结构简单，制造容易，价格低廉，性能指数较为齐全以及机械强度高，因此长久以来，尽管它存在严重缺点，但是仍受到厂家的欢迎，沿用至今。
拉西环的缺点是结构不常开，有效空隙率比实际空隙率小得多，所以压力降比较大。
拉西环在塔内的填料方式有两种：乱堆和整砌。
乱堆装卸比较方便，但是压力降比较大，一般直径在50mm以下的拉西环用乱堆填料，直径在50mm以上的拉西环用整砌填料。
当填料的名义尺寸小于20mm时，各本身的填料分离效率都明显下降。
因此，25mm的填料可以认为是工业填料中选用比较合理的填料。
本次设计采用的为金属拉西环25mm×25mm×。
表1 金属拉西环25mm×25mm×参数项目参数项目参数公称直径D=25mm 比表面积σ=220m/m外径d=25mm 空隙率ε=95%高度h=25mm 堆积个数N=55000个/m壁厚Δ=堆积密度ρ=640kg/m 干填料因子a/ε=257/m等板高度H=湿填料因子Φ=390/m平均压降Δp=m设计任务书设计题目乙醇-水填料式精馏塔设计设计条件①常压p=1atm（绝压）。
②原料来自粗馏塔，为95~96℃饱和蒸汽，由于沿程热损失，进精馏塔时，原料温度约为90℃③塔顶浓度为含乙醇%（质量分数）的乙醇，产量为25吨/天；④塔釜采用饱和蒸汽直接加热，从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于%（质量分数）；⑤塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比R=~；⑥厂址：徐州地区设计任务1、完成该精馏塔的工艺设计，包括辅助设备及进出口管路的计算和选型；2、画出带控制点工艺流程图、x~y 相平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图；3、写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。
设计思路乙醇-水溶液通过离心泵进入再沸器中，经过加热接近或达到泡点后，从底部进入填料式精馏塔中，在填料上易挥发组分乙醇进入气相，而难挥发组分水进入液相。
易挥发组分乙醇通过塔顶管道进入冷凝器中，在冷凝器中由于温度降低乙醇冷凝，为了保证塔顶浓度为含乙醇%（质量分数），将冷凝器中的溶液重新回到填料式精馏塔中，重新蒸馏。
精馏塔底部的液体回到再沸器中重新加热至泡点温度。
经过重复多次精馏，在冷凝其中可以得到高纯度的乙醇，然后将乙醇通入储罐中。
塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。
最终，完成乙醇和水的分离。
乙醇—水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐，塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品 1-1）得： （1-2） y x y i B B BA i x P V ） 得 )1()1(A A A A B A B A i x x y y x x y y --==α （1-4）将上表数据代入得：序号 1 2 3 4 5 α序号 6 7 89 10则 绘制t-x-y 图及x-y 图表3乙醇—水系统t —x —y 数据沸点t/℃乙醇摩尔数/% 沸点t/℃ 乙醇摩尔数/%气相 液相 气相 液相 82根据上面表中的数据绘制乙醇-水的t-x-y 相图，如下： 图2 乙醇-水相图有图可知：=t F 84℃, =t D 79℃, =t w 100℃ 精馏段平均温度：m t =（t F +t D ）/2=（84+79）/2=℃ 提馏段平均温度：m t =（t F +t w ）/2=(84+100)/2=92℃全塔物料衡算查阅相关文献，整理有关物性参数表4 乙醇-水物性参数项目数值 天处理原料能力 F=30t/天质量分数 ωF= ωD= ωW= 分子量M 乙醇=kmolM 水=kmol进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数F ：进料量（kmol/h ） F x ：原料组成（摩尔分数。
下同） D ：塔顶产品流量（kmol/h ） D x ：塔顶组成 W ：塔底残液流量（kmol/h ）Wx ：塔底组成根据公式 ：BBA A A A A M wM w M w n +=（1-5）原料液乙醇的摩尔组成 F x =01.18/68.007.46/32.007.46/32.0+=塔顶产品乙醇的摩尔组成 D x =0.9241/46.070.9241/46.070.0759/18.01+ =0.8264塔底残夜乙醇的摩尔组成 W x =0.003/46.070.003/46.070.997/18.01+0.001175=平均摩尔质量根据公式可得： b a a a M x M x M )1(_-+= （1-6） 原料液的平均摩尔质量： 馏出液的平均摩尔质量： 塔釜残液的平均摩尔量：全塔物料衡算：进料量：F =30吨/天=h kmol /878.552401.1868.03000007.4632.030000=⨯+⨯全塔物料衡算式：F=D+W 解之得：D= kmol/h ，W=h表5物料衡算表 项 目数 值 进料流量F ，kmol/h 塔顶产品流量D ，kmol/h 塔釜残液流量W ，kmol/h 进料组成，xF(摩尔分数） 塔顶产品组成，xD(摩尔分数） 塔釜残液组成，xW(摩尔分数）最小回流比的计算和适宜回流比的确定最小回流比平衡线方程x xx x x x y 04.2104.3)104.3(104.3)1(1+=-+=-+=αα因为 1=q 所以1553.0==F q x x相平衡方程： ()359.011=-+=xxy q αα泡点进料 ： q y y = 最小回流比 ： 295.21553.0359.0359.08264.0min =--=--=qq q D x y y x R确定最适操作回流比R因为()min 0.2~1.1R R =所以取443.3295.25.15.1min =⨯==R R热量衡算已求得：=D t 78℃ =W t 100℃ =F t 80℃ 1t =℃ 2t =92℃D t 温度下: 1p C = kJ/(kmol·K) 2p C = kJ/(kmol·K)=⨯⨯ = kJ/(kmol·K)Wt 温度下：1p C =(kmol·K) 2p C= kJ/(kmol·K) =⨯⨯= kJ/(kmol·K) D t 温度下：1γ=kg ； 2γ=kg ；= ⨯ = kJ/kg （1）0℃时塔顶气体上升的焓V Q塔顶以0℃为基准， D D pD VM V t C V Q ••+••=γ=⨯⨯⨯⨯ = kJ/h （2）回流液的焓R Q=D t 78℃温度下1p C = kJ/(kmol·K) 2p C = kJ/(kmol·K) =⨯⨯ = kJ/(kmol·K) D p R t C L Q ••==⨯⨯ kJ/h（3）塔顶馏出液的焓D Q因馏出口与回流口组成一样，所以 D p D t C D Q ••==⨯⨯ kJ/h（4）冷凝器消耗的焓C QDR V C Q Q Q Q --== kJ/h（5）进料口的焓F QF t 温度下：1p C =(kmol·K)； 2p C =(kmol·K)；=⨯⨯=所以 F p F t C F Q ••==⨯⨯塔底残液的焓W Q=⨯⨯ =kJ/(kmol·K) （7）再沸器B Q塔釜热损失为10%，则η=设再沸器损失能量 B Q Q 1.0=损， DW C F B Q Q Q Q Q Q +++=+损 加热器的实际热负荷 =++ =h求理论板数及加料精馏段：精馏段操作线方程： 提馏段：提馏段操作线方程：001152.098.11-=+m m x y (1-12)理论板数及加料板位置精馏段：由平衡线方程的：y yx ⨯-=04.204.3与172.07913.01+=+n n x y 联立已知y1=xD=x1=110.61033.04 2.04y y =-依次类推，可得：x 1 y 1 x 2 y 2 x 3 y 3 x 4 y 4 x 5 y 5 x 6y 6由于x 3=>x F = x 4=<x q =所以在第3和第4块塔板之间进料。