乙醇-水连续精馏筛板塔设计 论文

化工原理课程设计任务书一设计题目：分离乙醇－水连续浮阀式精馏塔的设计二原始数据及条件生产能力：年处理乙醇-水混合液20万吨（开工率300天/年）原料：乙醇含量为20%（质量百分比，下同）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%塔底乙醇含量不高于0.2%建厂地址：吉林地区一设计题目乙醇—水二元物系浮阀式精馏塔的设计二设计条件(1)原料来自原料罐，温度20℃，乙醇含量52%（质量分率）；原料处理量为1100kg/h。

(2)产品组成：乙醇含量 91%（质量分率）。

(3)釜液组成：乙醇浓度﹤0.04%（质量分率）。

(4)塔顶压力：。

(5)精馏塔进料状态为泡点进料。

(6)塔釜为饱和蒸汽直接加热。

三设计内容(1)确定工艺流程。

(2)精馏塔的物料衡算。

(3)塔板数的确定。

(4)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算。

(5)精馏塔塔体工艺尺寸的计算。

(6)塔板板面布置设计。

(7)塔板的流体力学验算与负荷性能图。

(8)精馏塔接管尺寸计算。

(9)塔顶全凝器工艺设计计算和选型。

(10)进料泵的工艺设计计算和选型。

(11)带控制点的工艺流程图、塔板板面布置图、精馏塔设计条件图。

(12)设计说明书。

摘要化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。

精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。

为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。

塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。

本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。

此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程，该设计方法被工程技术人员广泛的采用。

精馏设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算xF=0.254 xD=0.788 xW=0.0020 F=100kmo l／h 实际塔板数精馏段22块，提馏段7块。

工艺参数的选定泡点进料、泡点回流。

设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算塔高为11.35m,筛孔数目为3425个，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。

通过对精馏塔的运算，可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数是合理的，各种接管尺寸是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。

关键词：乙醇；水；精馏段；提馏段；筛板塔。

目录化工原理课程设计任务书 (Ⅰ)摘要 (Ⅱ)第一章前言 (1)第二章绪论 (2)§2.1设计方案 (2)§2.2选塔依据 (2)§2.3设计思路 (3)第三章塔板的工艺设计 (4)§3.1精馏塔全塔物料衡算 (4)§3.2常压下乙醇-水气液平衡组成与温度关系 (4)§3.3理论塔的计算 (12)§3.4塔径的初步设计 (13)§3.5溢流装置 (15)§3.6塔板的分布、浮阀数目及排列 (16)第四章塔板的流体力学验算 (19)§4.1气相通过浮阀塔板的压降 (19)§4.2淹塔 (20)§4.3物沫夹带 (20)§4.4塔板负荷性能图 (21)第五章塔附件设计 (26)§5.1接管 (26)§5.2筒体与封头 (27)§5.3除沫器 (27)§5.4裙座 (28)§5.5吊柱 (28)§5.6人孔 (28)第六章塔总体高度的设计 (29)§6.1塔的顶部空间高度 (29)§6.2塔的底部空间高度 (29)§6.3塔总体高度 (29)第七章附属设备设计 (30)§7.1冷凝器的选择 (30)§7.2再沸器的选择 (30)第八章设计结果汇总 (31)结束语 (32)参考文献 (33)主要符号说明 (34)附录 (35)化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。

生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。

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。

精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。

该过程是同时进行传质、传热的过程。

在本设计中我们使用筛板塔，筛板塔的突出优点是结构简单造价低。

合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。

筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构，近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。

为减少对传质的不利影响，可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。

筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳钢的比率较少。

它的主要优点是：结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60左右，为浮阀塔的80%左右；在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔；气体压力降较小，每板降比泡罩塔约低30%左右。

缺点是：小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约2～3）。

蒸馏是分离均相混合物的单元操作，精馏是最常用的蒸馏方式，是组成化工生产过程的主要单元操作。

精馏是典型的化工操作设备之一。

进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工设计初步训练，为以后从事设计工作打下坚实的基础。

§2.1 设计方案本设计任务为分离乙醇-水混合物。

对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。

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，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。

该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。

塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

图2-1 流程图§2.2 选塔依据筛板塔是现今应用最广泛的一种塔型，设计比较成熟，具体优点如下：（1）结构简单、金属耗量少、造价低廉.（2）气体压降小、板上液面落差也较小.（3）塔板效率较高.改进的大孔筛板能提高气速和生产能力，且不易堵塞塞孔§2.3 设计思路图2-2 设计思路1、本设计采用连续精馏操作方式。

2、常压操作。

3、泡点进料。

4、间接蒸汽加热。

5、选R=(1.1-2.0)Rmin 。

6、塔顶选用全凝器。

7、选用筛板塔，其突出优点是结构简单，造价低，制造方便；生产能力第三章 塔板的工艺设计§3.1 精馏塔全塔物料衡算F ：进料量（kmol/s ） F x ：原料组成（摩尔分数，下同） D ：塔顶产品流量（kmol/s ） D x ：塔顶组成 W ：塔底残液流量（kmol/s ） W x ：塔底组成()4320/468.9120/4680/1893/4683.8793/467/180.3/460.11760.3/4699.7/182010100.2/4610.2/18F=20/=0.342koml/s 330243600F=D+W F D W x x x ==%+==%+==%+⨯⨯+-⎡⎤⎣⎦=⨯⨯原料乙醇组成：塔顶组成： 塔底组成： 进料量： 万吨年物料衡算式为： F D=0.0358kmol/s, w=0.30621kmol/sxF xD xWD W =+ 联立代入求解：§3.2 常压下乙醇-水气液平衡组成与温度关系1．温度利用表中数据用插值法求得tF：66.921.77.860.89－－=21.791.80.89-－t F t F =87.41℃ t D ：72.7443.8941.7815.78－－=41.8987.8315.78-－t D t D =78.25℃t W ：90.105.95100－－=01176.0100－－t W t W =99.72℃精馏段平均温度 t 1=2F D t t +=225.7841.87＋=82.83℃提馏段平均温度 t 2=2F w t t +=272.9941.87+=93.57℃2．密度已知：混合液密度 依式 Lρ1=ρρBB AA aa+（a 为质量分数，M 为平均相对分子质量）混合汽密度 依式 0022.4v T pM T ρρ=塔顶温度：D t =78.25℃ 气相组成：78.4178.1578.2578.1578.1589.4310089.43D y --=-- D y =85.09％进料温度：F t =87.41℃ 气相组成：89.086.789.087.4138.9143.7538.91100Fy --=-- F y =42.26％塔府温度：w t =99.72℃ 气相组成：10095.510099.72017.000100wy --=--w y =1.06％① 精馏段： 液相组成1x ：()1/2D F x x x =+ 146.39x =%气相组成1y ：()1/2D F y y y =+ 1 1.06y =%所以()()11460.46391810.463933.99/460.63681810.636835.83/L V M k g k m o l M k g k m o l =⨯+⨯-==⨯+⨯-=②提馏段 液相组成2x ：()2/2w F x x x =+ 2 4.51x =% 气相组成2y ：()2/2w F y y y =+ 221.66y =%所以()()22460.4511810.045119.26/460.21661810.216624.06/L V M kg kmol M kg kmol=⨯+⨯-==⨯+⨯-=表3-2 不同温度下乙醇和水的密度 ：求得在与下的乙醇和水的密度（单位：3/kg m ）390859087.4187.41727.11/724730724D CF CFt C kg m ρρ︒--===--390859087.41727.11/965.3968.6965.3WF WFkg m ρρ--==--310.210.12907.15/727.11967.01F Fkg m ρρ-=+=390859078.2578.25738.10/724730724F CD CDt C kg m ρρ︒--===--390859078.25973.06/965.3968.6965.3WD WD kg m ρρ--==--310.9310.93750.79/738.10973.06D Dkg m ρρ-=+=3W 90859099.7299.72712.34/724730724W C Cwt C kg m ρρ︒--===--390859099.72958.88/965.3968.6965.3WW WW kg m ρρ--==--310.00310.003957.85/712.34958.88W Wkg m ρρ-=+=所以3132907.15750.79828.97/22907.15957.85932.50/22F DL F W L kg m kg mρρρρρρ++===++=== ()4611841.48/LD D D M x x kg kmol =⨯+-⨯= ()4611820.49/LF F F M x x kg kmol =⨯+-⨯= ()4611818.03/LW W W M x x kg kmol =⨯+-⨯=141.4820.4930.99/22LD LF L M M M kg kmol ++===218.0320.4919.26/22LW LF L M M M kg kmol ++===()4611841.83/VD D D M y y kg kmol =⨯+-⨯=()4611829.83/VF F F M y y kg kmol =⨯+-⨯=()4611818.30/VW W W M y y kg kmol =⨯+-⨯=118.0329.8335.83/22VD VF V M M M kg kmol ++===218.0329.8324.06/22VW VF V M M M kg kmol ++===()29.83273.15 1.0122.4273.1587.41VFρ⨯==⨯+ ()41.83273.151.4522.4273.1578.25VD ρ⨯==⨯+()18.30273.150.6022.4273.1599.72VWρ⨯==⨯+31 1.23/2V kg m ρ==32 1.010.600.80/2V kg m ρ+==2．混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算1/41/41/4msw w so o σϕσϕσ=+注：0000000w w w w w w w x V x V x V x V x V x V σσ==++000//sw sw w w s s s x V V x V V ϕϕ==2/3/2/3lg 0.441q w o o w w w V q B Q V T q σϕσϕ⎛⎫⎡⎤⎛⎫==⨯- ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎝⎭, 2lg 1swsw so so A B Q A ϕϕϕϕ⎛⎫=+=+=⎪⎝⎭, , 式中下角标，w,o,s 分别代表水、有机物及表面部分；x w 、x o 指主体部分的分子数，V w 、V o 主体部分的分子体积，δw 、δo 为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q = 2。