化工原理乙醇精馏塔设计.doc
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南华大学化工原理课程设计乙醇-水溶液连续精馏塔优化设计
目录
乙醇——水溶液连续精馏塔优化设计 4
前言 5
精馏塔优化设计计算 6
一精馏流程的确定 6
二塔的物料衡算 6
三塔板数的确定 9
四、塔的工艺条件及物性数据计算 11
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 14
六、塔板主要工艺尺寸的计算 15
七、塔版流体力学验算 18
浮阀塔板工艺设计计算结果 23
心得体会 24
参考文献 25
精馏塔优化设计任务书
一、设计题目
乙醇—水溶液连续精馏塔优化设计
二、设计条件
1．处理量：
17500（吨/年）
2．料液浓度：
35（wt%）
3．产品浓度：
93（wt%）
4．易挥发组分回收率：
99%
5．每年实际生产时间：
7200小时/年
6.操作条件：
①间接蒸汽加热；
②塔顶压强：
101.3kpa（绝对压强）
③进料热状况：
泡点进料；
三、设计任务
a）流程的确定与说明；
b）塔板和塔径计算；
c）塔盘结构设计
i.浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图；
ii.流体力学验算；
iii.塔板负荷性能图。
d）其它
i.加热蒸汽消耗量；
ii.冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量
e）有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统工艺流程图和精馏塔装配图，编写设计说明书。
乙醇——水溶液连续精馏塔优化设计
（南华大学化学化工学院，湖南衡阳421001）
摘要：
设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对乙醇-水精馏工艺流程和主体设备设计。
关键词：
精馏塔浮阀塔精馏塔的附属设备
（DepartmentofChemistry,UniversityofSouthChina,Hengyang421001）
Abstract:
Thedesignofacontinuousdistillationvalvecolumn,inthematerial,productrequirementsandthemainphysicalparametersandtodeterminethesize,processdesignandselectionofequipmentanddesignresults,completionoftheethanol-waterdistillationprocessandequipmentdesigntheme.
Keywords:
rectificationcolumn,valvetower,accessoryequipmentoftherectificationcolumn.
前言
精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。
。
乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。
在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。
要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。
精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。
化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。
为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。
可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。
浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。
浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。
F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。
浮阀塔具有下列优点：
1、生产能力大。
2、操作弹性大。
3、塔板效率高。
4、气体压强降及液面落差较小。
5、塔的造价低。
浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。
精馏塔优化设计计算
在常压连续浮阀精馏塔中精馏乙醇——水溶液，要求料液浓度为35%，产品浓度为93%，易挥发组分回收率99%。
年生产能力17500吨/年
操作条件：
①间接蒸汽加热
②塔顶压强：
101.3kpa（绝对压强）
③进料热状况：
泡点进料
一精馏流程的确定
乙醇——水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。
塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。
塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。
二塔的物料衡算
1.查阅文献，整理有关物性数据
⑴水和乙醇的物理性质
名称
分子式
相对分子质量
密度
20℃
沸点
101.33kPa
℃
比热容
（20℃）
Kg/（kg.℃）
黏度
（20℃）
mPa.s
导热系数
（20℃）
/（m.℃）
表面
张力
（20℃）
N/m
水
18.02
998
100
4.183
1.005
0.599
72.8
乙醇
46.07
789
78.3
2.39
1.15
0.172
22.8
⑵常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表
常压下乙醇—水系统t—x—y数据如表1—1所示。
表1—1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
99.9
0.004
0.053
82
27.3
56.44
99.8
0.04
0.51
81.3
33.24
58.78
99.7
0.05
0.77
80.6
42.09
62.22
99.5
0.12
1.57
80.1
48.92
64.70
99.2
0.23
2.90
79.85
52.68
66.28
99.0
0.31
3.725
79.5
61.02
70.29
98.75
0.39
4.51
79.2
65.64
72.71
97.65
0.79
8.76
78.95
68.92
74.69
95.8
1.61
16.34
78.75
72.36
76.93
91.3
4.16
29.92
78.6
75.99
79.26
87.9
7.41
39.16
78.4
79.82
81.83
85.2
12.64
47.49
78.27
83.87
84.91
83.75
17.41
51.67
78.2
85.97
86.40
82.3
25.75
55.74
78.15
89.41
89.41
乙醇相对分子质量：
46；水相对分子质量：
18
25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力与乙醇浓度之间的关系为：
式中σ——25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力，N／m；
x——乙醇质量分数，％。
其他温度下的表面张力可利用下式求得
式中σ1——温度为T1时的表面张力；N／m；
σ2——温度为T2时的表面张力；N／m；
TC——混合物的临界温度，TC＝∑xiTci，K；
xi——组分i的摩尔分数；
TCi——组分i的临界温度，K
2.料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
X==0.174
X==0.839
X==0.0022
3.平均摩尔质量
M=0.17446.07+（1-0.174）18.02=22.9kg/kmol
M=0.83946.07+（1-0.839）18.02=41.55kg/kmol
M=0.002246.07+（1-0.0022）18.02=18.08kg/kmol
4.物料衡算
已知：
F==106.14
总物料衡算F=D+W=106.14
易挥发组分物料衡算0.839D+0.0022W=106.140.174
联立以上二式得：
D=21.79kg/kmol
W=84.35kg/kmol
三塔板数的确定
乙醇—水属理想物系，可采用图解法求理论板层数。
（1）由手册查得乙醇—水物系的气液平衡数据，绘出x—y图，见下图
（2）求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比.在图1中对角线上,自点a（0.839,0.839）作切线ab交y轴于点（0.000，0.301）
故求得=1.7
取操作回流比为R=2=2×1.79=3.58
（3）求精馏塔的气液相负荷
L=RD=3.58×21.79=78.0kmol/h
V=（R+1）D=（1+3.58）×21.79=99.80kmol/h
=78.0+106.14=184.14kmol/h
99.80kmol/h
（4）求操作线方程
精馏段操作线方程为
y=
提馏段操作线方程为
（5）图解法求理论塔板层数
采用图解法求理论塔板层数,如图1所示,求解结果为
总理论塔板层数15（包括再沸器）
进料板位置13
作图如1-1:
图1-1
2、全塔效率
查表得=0.516mPa﹒s=0.366mPa﹒s
=0.361mPa.s=0.284mPa.s===2.23
=0.5160.839+0.366（1-0.839）=0.49
=0.3610.0022+0.284（1-0.0022）=0.28
=（+）/2=（0.49+0.28）/2=0.385
=0.49（）=0.509
3、实际塔板数
精馏段塔板数：
提馏段塔板数：
四、塔的工艺条件及物性数据计算
以精馏段为例：
1、操作压力
塔顶压力：
=101.3kpa
若取每层塔板压强=0.7kpa
则进料板压力：
=101.3+120.7=109.7kpa
精馏段平均操作压力=kpa
2、温度
根据操作压力，通过泡点方程及安托因方程可得
塔顶=78.36
进料板=82.53
=
3、平均摩尔质量
⑴塔顶==0.839=0.851
=0.83946.07+（1-0.839）18.02=41.55kg/kmol
=0.85146.07+（1-0.851）18.02=41.88kg/kmol
⑵进料板：
=0.445=0.102
=0.44546.07+（1-0.445）18.02=30.50kg/kmol
=0.10246.07+（1-0.102）18.02=20.88kg/kmol
精馏段的平均摩尔质量
=kg/kmol
=kg/kmol
4、平均密度
（1）气相密度
由理想气体状态方程计算,即
kg/kmol
（2）液相平均密度依下式计算,即
1/
塔顶液相平均密度的计算
由78.36℃,查手册得
744.64kg/970.6kg/
kg/
进料板液相平均温度的计算
由82.53℃查手册得
740.132kg/970.823kg/
进料板液相的质量分率
kg/
精馏段液相平均密度为
（757.58+877.19）/2=817.39kg/
5、液体表面张力
=
塔顶液相平均表面张力的计算
由78.36℃,查手册得
18.477mN/m62.94mN/m
0.839×18.477+0.161×62.94=25.63mN/m
进料板液相平均表面张力的计算
由82.53℃,查手册得
18.120mN/m62.301mN/m
0.174×18.120+（1-0.174）×62.301=54.61mN/m
精馏段液相平均表面张力为
（25.63+54.61）/2=40.12mN/m
6.液体平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算,即
=∑
塔顶液相平均捻度的计算
由=78.36℃,查手册得
=0.485mPa﹒s=0.366mPa﹒s
=0.839+0.161
解出=0.463mPa﹒s
进料板液相平均黏度的计算
由=82.53℃,查手册得
=0.479mPa﹒s=0.348mPa﹒s
=
解出=0.372mPa﹒s
精馏段液相平均表面张力为
=（0.463+0.372）/2=0.418mPa﹒s
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1.塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为
=2787.44=0.774
===8.3×
由=
式中C由式计算,其中的由史密斯关联图查取,图的横坐标为
=
取板间距=0.30m,板上液层高度=0.05m,则
=0.30-0.05=0.25m
查图得=0.053
=0.053=0.061
=0.061=1.53m/s
取安全系数为0.65,则空塔气速为
=0.65=0.65×1.53=0.997m/s
D===0.995m
按标准塔径圆整后为D=1.0m
塔截面积为
==0.785
实际空塔气速为
==0.986m/s
2.精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为
=（24-1）×0.30=6.9m
提馏段有效高度为
=（6-1）×0.30=1.5m
在进料板上方开一人孔,其高度为0.8m
固精馏塔的有效高度为
=6.9+1.5+0.8=9.2m
六、塔板主要工艺尺寸的计算
1.溢流堰装置计算
因塔径m,可选用单溢流弓型降液管,采用凹型收液盘。
各计算如下:
（1）堰长
取=0.62=0.62×1.0=0.62m
（2）溢流堰高度
由=
选用平直堰,堰上液层高度由下式计算,即
近似取=1,则
==0.008m
取板上清液层高度mm
故=0.06-0.008=0.052m
（3）弓形降液管宽度和截面积
由=0.62
查图得=0.061=0.120
故=0.061=0.061×0.785=0.0479
=0.12=0.12×1.0=0.120m
依下式验算液体在降液管中停留时间,即
=17.30s＞5s
固降液管设计合理
（4）降液管底隙高度
取
则m
0.052-0.016＝0.036m＞0.006m
故降液管低隙高度设计合理。
选用凹型受液盘,深度mm。
2.塔板布置
（1）塔板的分块
因mm,故塔板采用分块式。
查表得,塔板分为3块。
（2）边缘区宽度确定
取0.070m,m
（3）开孔区面积计算
开孔区面积按下式计算,即
其中-（0.120+0.070）=0.310m
=-0.035=0.465m
故2（0.310）=0.530
（4）塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子=10,用下式求孔速,即
=8.8
求每层塔板上的浮阀数，即
N==72
浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。
取同一横排的孔心距t=90mm=0.090m则可按下式估算排间距t,即：
=0.081m=81mm
考虑到塔的直径比较大，必须采用分块试、式塔板，而各分块板的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用81mm，应小于此值，故取=75mm=0.075m。
按t=90mm，=75mm以等腰三角形叉排方式做图，排得阀数72个。
按N=72重新核算孔速以及阀孔动能因数：
=9.0
=10.22
阀孔动能因数变化，仍在9~12范围。
塔板开孔率==11.08%
七、塔版流体力学验算
1.气相通过浮阀塔板的压强降
干板阻力：
=13.74m/s
因，故按下式计算干板阻力，即
h=0.035m液拄
板上充气液层阻力：
本设备分离乙醇和水的混合液，即液相为水，可取充气系数。
依下式知
h=0.50.06=0.03m液柱
液体表面张力所造成的阻力：
此阻力很小，忽略不计。
因此，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为
=0.035+0.030=0.065m液拄
则单板压降=0.065817.399.81=521.21
2.淹塔
为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度，（）。
可用下式计算，即
与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度h:
前已算出
=0.065m液柱
液体通过降液管的压头损失：
因设进口堰，故按下式计算，即
0.0070液柱
板上液层高度，前已选定板上液层高度为
0.060m
则=0.065+0.06+0.0070=0.132m
取=0.5，又已选定=0.30m，=0.036m。
则
=0.5（0.3+0.036）=0.168m
可见,符合防止淹塔的要求。
雾沫夹带按下两式计算泛点率，即
泛点率=————————————①
及泛点率=————————————————②
板上液体流径长度=1.0-20.12=0.76m
板上液流面积0.785-20.061=0.663m
乙醇和水为正常系统，可查表取物性系数K=1.0,又查得泛点负荷系数C=0.083,将以上数值带入①，得
泛点率==57.5%
按②计算泛点率，得
泛点率==60.57%
以上两式计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带能量够满足<0.1kg（液）/kg（气）的要求。
3.塔板负荷性能图
（1）雾沫夹带线 依式做出,既
泛点率=
按泛点率为80%计算如下:
整理得：
0.0397+1.0336=0.044
或：
由式
（1）知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，依式
（1）算出相应的值列于表1-2中，可据此做出雾沫夹带线
（1）。
表1-2
0.0000.002
1.1081.056
（2）液泛线
根据
由上式确定液泛线。
忽略式中，得
因物系一定，塔板结构尺寸一定，则及等均为定值，而与又有如下关系，即
式中阀孔数N与孔径也为定值，因此可将上式简化成与的如下关系：
即0.0661=0.095-1.196-1.366
或=1.437-18.094-20.666
在操作范围内任取若干个值，依式
（2）算出相应的值列于表1-3中。
表1-3
0.0000.00050.0010.002
1.4371.3071.2301.109
根据表中数据做出液泛线
（2）
（3）液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3~5s。
依式可知液体在降液管中的停留时间为
以作为液体在降液管中停留时间的下限，则
-----------------------（3）
求出上限液体流量值（常数）。
在图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线（3）。
（4）漏液线对于F1型重阀，依=5计算，则。
又知
则得
以F=5作为规定气体最小负荷的标准，则
-----（4）
据此作出与液体流量无关的水平漏液线（4）。
（5）液相负荷下限线取堰上液层高度0.008m作为液相负荷下限条件，依的计算式计算出的下限值，依此作出液相负荷的下限线，该线为与气相流量无关的竖直线（5）。
取E=1,则
---（5）
根据本题附表1，2及式（3），（4），（5）可分别做出塔板负荷性能图上的
（1），
（2），（3），（4），（5）共5条线，见图1-2。
由塔板负荷性能图可以看出：
任务规定的气，液负荷下的操作点A（设计点），处于适宜操作区内的适中位置。
塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏页控制。
按照固定的液气比，由图2查出塔板的上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制，所以
=1.120.388
操作弹性=2.89
图1-2
浮阀塔板工艺设计计算结果
项目
数值及说明
备注
塔径D
1.0
板间距
0.3m
塔板形式
浮阀塔
空塔气速u
0.997（m/s）
堰长
0.62m
堰高
0.052m
板上液层高度
0.008m
降液管底隙高度
0.016m
浮阀数N/个
72
阀孔气速
9.90（m/s）
阀孔动能因数
10.22
临界阀孔气速
15.01（m/s）
孔心距t
0.090m
排间距
0.081m
单板压降
521.21pa
液体在降液管内停留时间
17.3s
降液管内清液层高度
0.06m
泛点率/%
57.5
气相负荷上限
1.12（m/s）
气相负荷下限
0.388（m/s）
操作弹性
2.89
心得体会
此次课程设计让我受益匪浅，使我对精馏塔有了更深一步的了解。
精馏塔有许多分类标准,其中根据塔内气、液接触构件的结构形式,可以将精馏塔分为塔式和填料式两大类。
板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡状、蜂窝状形式穿过板上的液层，进行传质和传热。
在正常操作条件下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。
浮阀精馏塔是化工生产中重要的设备之一。
结合本设计中流体的物性特点，在考虑各种类型塔的优缺点，本设计中选择了浮阀精馏塔。
通过本次设计，让我感触最深的是细心、专心、耐心。
因为在设计中有很多的细节问题，不细心，就出现错误，一旦出现错误，就是要重头在来，那就要浪费很多时间，而设计的时间是有限的，所以要想按时完成就必须要细心、专心、耐心。
同
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