化工原理课程设计乙醇和水.docx
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化工原理课程设计乙醇和水
设计任务书
（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
1）塔顶压力4kPa（表压）
2）进料热状态自选
3）回流比自选
4）塔底加热蒸气压力0.5Mpa（表压）
5）单板压降≤0.7kPa。
（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
1、设计说明书的内容
1）精馏塔的物料衡算；
2）塔板数的确定；
3）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；
4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；
5）塔板主要工艺尺寸的计算；
6）塔板的流体力学验算；
7）塔板负荷性能图；
8）精馏塔接管尺寸计算；
9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
2、设计图纸要求：
1）绘制生产工艺流程图（A2号图纸）；
2）绘制精馏塔设计条件图（A2号图纸）。
1.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1.1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1.2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
2.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
2.1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
2.2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
2.3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
2
3.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
2
3.1
NT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
2
3.1.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
2
3.1.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
3
3.1.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
3
3.1.4
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
3
3.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
4
3.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5
4.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5
4.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5
4.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5
4.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5
4.4
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
6
4.4.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
6
4.4.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
6
4.5
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
7
4.6
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
7
5.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯85.1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
5.1.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
8
5.1.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
9
5.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
9
5.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
10
6.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
10
6.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
10
6.1.1
lw⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
10
6.1.2
w⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
11
h
6.1.3
WdAf⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11
6.1.4
ho⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
11
6.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
12
6.2.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
12
6.2.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
12
6.2.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
12
6.2.4
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
12
7.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
7.1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
7.1.1hc⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
7.1.2hl⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
7.1.3hσ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
13
7.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
13
7.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
14
7.4
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
14
7.5
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
14
8.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
15
8.1
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
15
8.2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
15
8.3
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
16
8.4
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
17
8.5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
9.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
9.1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
9.2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
9.3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
9.4⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
10.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20
11.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23
1.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—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
进料中乙醇含量（质量分数）wF=0.25；
产品中乙醇含量（质量分数）wD=0.94；
塔釜中乙醇含量（质量分数）wW=0.001；
处理能力GF=17000吨/年；
塔顶操作压力4kPa；
进料热状况泡点进料；
单板压降≤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
乙醇的摩尔质量
MA=46.07kg/kmol
水的摩尔质量
MB=18.02
kg/kmo
l
xF=
0.25/46.07
=0.115
0.25/46.07
0.75/18.02
xD=
0.94/46.07
=0.860
0.94/46.07
0.06/18.02
xW=
0.001/46.07
=0.0004
0.001/46.07
0.999/18.02
2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.11546.07（10.115）18.0221.25kg/kmol
MD=0.86046.07（10.860）18.0242.14kg/kmol
MW=0.00146.07（10.001）18.0218.05kg/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
故原料液的处理量为F=
1700010
3
（
）
111.11
kmol/h
/300
24
21.25
总物料衡算
111.11=D+W
乙醇的物料衡算
111.11
0.115=0.860D+0.0004W
联立解得
D=14.81
kmol/h
W=96.30
kmol/h
3.塔板数的确定
3.1理论板层数NT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。
表1乙醇—水系统t—x—y数据
沸点
乙醇摩尔数/%
沸点t/℃
乙醇摩尔数/%
t/℃
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
64.7
99.2
0.23
2.9
79.85
52.68
66.28
99
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
86.4
82.3
25.75
55.74
78.15
89.41
89.41
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，xq=0.115
故最小回流比为
0.86
0.354
2.12
Rmin
0.115
0.354
R=1.5R
min=1.52.12=3.18
3.1.2
求精馏塔的气、液相负荷
L
RD
3.1814.8147.10kmol/h
V
（R
1）D
（3.181）14.81
61.91kmol/h
L'
L
F
47.10
111.11158.21
kmol/h
V'V61.91kmol/h
3.1.3求操作线方程
精馏段操作线方程为
y
Lx
DxD
47.10
x
14.81
0.8600.761x0.206
V
V
61.91
61.91
提馏段操作线方程为
'L
'
W'xW
158.21x'
96.300.00042.555x'
y
'x'
0.001
V
V
61.91
61.91
3.1.4图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数，结果见上图，得理论塔板数NT=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：
xD0.860
由乙醇—水的气液两相平衡图【1】可查得组成分别为xF0.115的泡点温度：
xW0.0004
塔顶温度：
tD
78.5℃
进料板温度：
tF
85.5℃
塔釜温度：
tW
99.5℃
由乙醇—水的气液两相平衡图可查得：
塔顶：
xA
0.860
塔顶和塔釜的气液两相组成为：
yA
0.860
塔釜：
xA
0.0004
yA
0.002
查化工物性算图手册得：
顶
1.02
15.2
底
则塔内相对挥发度：
m
顶
底1.02
15.23.94
全塔液体平均粘度的计算：
液相平均粘度的计算，即lg
Lm
xilgi
塔顶液相平均粘度的计算
由tD78.5C，查手册【2】得：
A0.45mPasB0.36mPas
lgLDm
0.
860lg（0.45）0.140lg（0.36）
解出LDm
0.44mPas
塔底液相平均粘度的计算
塔釜yA
0.042
由tW99.5
C，查手册【3】得：
A
0.34mPsB0.29mPas【1】
lg
LWm0.042lg（0.34）0.958lg（0.29）
解出LWm0.29mPas
则全塔液相平均粘度为
Lm（0.440.29）20.37mPs
故mLm3.940.371.46mPs
查奥康内尔（o'connell）关联图【1】得：
E045%
【1】
因为筛板塔全塔效率相对值为1.1，故精馏塔的全塔效率为
E
1.1E01.145%
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
6
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
塔顶操作压力PD101.34105.3kpa
每层塔板压降P0.7kPa
进料板压力PF105.30.724122.1kpa
精馏段平均压力Pm（105.3122.1）/2113.7kpa
4.2操作温度计算
从乙醇-水溶液的气液相平衡图【1】查得泡点温度（近似看作是操作温度）为：
塔顶温度tD78.5C
进料板温度tF85.5℃
精馏段平均温度为：
tm（78.585.5）/282℃
4.3平均摩尔质量的计算
塔顶平均摩尔质量计算
由xD
y10.860，查平衡曲线（x-y图），得
x10.848
MVDm
0.860
46.07
（1
0.860）
18.02
42.14kg/kmol
MLDm
0.848
46.07
（1
0.848）
18.02
41.81kg/kmol
进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板（x-y图），得
yF0.415
查平衡曲线（x-y图），得
xF0.105
MVFm
0.415
46.07
（1
0.430）
18.02
30.08kg
/kmol
MLFm
0.105
46.07
（1
0.115）
18.02
21.25kg
/kmol
精馏段平均摩尔质量
MVm
（42.14
30.08）2
36.11kg/kmol
MLm
（41.81
21.25）2
31.53kg/kmol
4.4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
Vm
PmMVm
113.7
36.11
1.55kg/m3
RTm
8.314（82
273.15）
4.4.2液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即
1Lmaii
塔顶液相平均密度的计算
由tD
78.5C，查手册【2】得
A
611.0kg/m3
B972.7kg/m3
塔顶液相的质量分率
aA
0.860
46.07
0.940
0.860
46.07
0.140
18.02
LDm
1
624.9kg/m3
0.940611.0
0.060972.7
进料板液相平均密度的计算
由tF
85.5℃，查手册
【2】得
A
505.0kg/m3
B
867.6kg/m3
进料板液相的质量分率
aA
0.105
46.07
0.230
0.105
46.07
0.895
18.02
LFm
0.230505.0
1
773.2kg/m3
0.770867.6
精馏段液相平均密度为
Lm
（624.9773.2）2
699.1kg/m3
4.5液体平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算，即
Lmxii
塔顶液相平均表面张力的计算
由tD
78.5C，查手册【2】得
A
17.3mN/mB
62.9mN/m
LDm
0.86017.3
0.14062.923.7mN/m
进料板液相平均表面张力的计算
由tF
85.5℃，查手册得
A
15.9mN/mB
60.4mN/m
LDm
0.11515.9
0.88560.455.3mN/m
精馏段液相平均表面张力为
Lm（23.755.3）239.5mN/m
4.6液体平均黏度计算
液相平均粘度依下式计算，即
lgLmxilgi
塔顶液相平均粘度的计算
由tD78.5C，查手册【2】得：
A0.45mPasB0.36mPas
lgLDm0.860lg（0.45）0.140lg（0.36）
解出LDm0.44mPas
进料板液相平均粘度的计算
由tF85.5℃，查手册【3】得：
A0.45mPsB0.36mPas【1】
lgLFm0.074lg（0.45）0.926lg（0.36）
解出LWm0.37mPas
精馏段液相平均粘度为
Lm（0.440.37）20.41mPas
5.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
VMVm
61.91
36.11
0.40m3/s
3600
Vm
3600
1.55
Ls
LMLm
47.10
31.53
0.0006m3/s
3600
Lm
3600
699.1
由umaxC
L
V
V
0.2
【4】
式中C由式
C
C20
L
计算，式中
C20由图（史密斯关系图）
查得，图的
20
横坐标为
LsL
VsV
1
2
0.0006699.1
0.401.55
1
2
0.032
取板间距HT
0.40m，板上液层高度hL
0.06m，则
HThL0.40
0.060.34m
查图（史密斯关系图）【4】得C200.073
0.2
0.2
C
C20
L
0.07339.5
0.084
20
20
umax
0.084
699.11.55
1.78m/s
1.55
取安全系数为0.7，则空塔气速为
u0.7umax
0.7
1.781.25m/s
4Vs
4
0.40
D
0.64m
u
3.141.25
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【1，2，4】查得，计算方法同精馏段。
计算
结果为
D0.52m
比较精馏段与提馏段计算结果，两段的塔径相差不大，圆整塔径，取
D0.8
m
塔截面积为
AT
D23.140.82
0.50m2
4
4
实际空塔气速为
Vs
0.40
u
0.8m/s
AT
0.50
5.2精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为
Z精（N精
1）HT（241）0.49.2m
提馏段有效高度为
Z提（N提
1）HT（61）0.42m
故精馏塔的有效高度为
ZZ精Z提9.2211.2m
5.3精馏塔的高度计算
实际塔板数n
30块；
进料板数nF
1块；
由于该设计中板式塔的塔径
D800mm，为安装、检修的需要，选取每6层塔板
设置一个人孔
【4】
，故人孔数
np5；
进料板处板间距HF
0.5m；
设人孔处的板间距Hp
0.6
m；
【4】
为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，故选取塔顶间距
HD1.7HT1.70.400.68m；
塔底空间高度HB1.2m
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