乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计

化工原理课程设计化工原理课程设计题目乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计（院）系化工院专业化学工程与工艺班级2010级化工1班学生姓名 ***************学号**********指导教师**************目录一、化工原理课程设计任务书 (4)二、塔板工艺设计 (6)2.1精馏塔全塔物料衡算 (6)2.2乙醇和水的物性参数计算 (6)2.2.1 温度 (7)2.2.2 密度 (8)2.2.3相对挥发度 (11)2.2.4混合物的黏度 (12)2.2.5混合液体的表面张力 (12)2.3塔板的计算 (13)2.3.1 q、精馏段、提留段方程计算 (13)2.3.2理论塔板计算 (15)2.3.3实际塔板计算 (15)2.4操作压力的计算 (15)三、塔体的工艺尺寸计算 (15)3.1塔径的初步计算 (16)3.1.1气液相体积流量计算 (16)3.1.2塔径计算 (16)3.2塔体有效高度的计算 (19)3.3精馏塔的塔高计算 (19)3.4溢流装置 (20)3.4.1堰长 (20)3.4.2溢流堰高度 (20)3.4.3弓形降液管宽度和截面积 (20)3.5塔板布置 (21)3.5.1塔板的分块 (21)3.5.2边缘区宽度的确定 (21)3.5.3开孔区面积计算 (21)3.5.4筛孔计算及其排列 (22)四、筛板的流体力学验算 (22)4.1塔板压降 (22)4.1.1干板阻力 (22)4.1.2气体通过液层的阻力 (23)4.1.3液体表面张力的阻力（很小可以忽略不计） (23)4.1.4气体通过每层板的压降 (23)4.2雾沫夹线 (24)4.3液沫夹带 (24)4.4漏液 (24)4.5液泛 (25)五、塔板负荷性能图 (25)5.1漏液线 (25)5.2液沫夹带线 (26)5.3液相负荷下限线 (27)5.4液相负荷上限线 (28)5.5液泛线 (28)5.6图表汇总及负荷曲线图 (29)六、主要工艺接管尺寸的计算和选取 (31)七、课程设计总结 (34)八、参考文献 (35)一、化工原理课程设计任务书1.1设计题目分离乙醇一水筛板精馏塔的设计1.2原始数据及条件生产能力：年处理乙醇一水混合液2.6万吨/年（约为87吨/天）。

原料：来自原料罐，温度20℃，乙醇含量为30%（质量分率，下同）。

分离要求：塔顶乙醇含量不低于95%。

塔底乙醇含量不高于0. 05%。

塔顶压力P=105KPa。

进料状态为冷进料。

塔釜为饱和蒸汽直接加热。

1.3设计说明书内容1.设计任务。

2.塔的工艺计算：包括全塔物料恒算、塔底及塔顶温度、精馏段和提馏段气液负荷、塔顶冷凝去热负荷、冷却水用量、塔底再沸器热负荷、加热蒸汽用量、塔的理论板数、实际板数。

3.塔的结构设计：包括塔高、塔径、降液管、溢流堰、开孔数及开孔率。

4.塔板流体力学验算。

5.塔板布置图、塔板负荷性能图。

6.附属设备的设计：塔顶冷凝器、塔顶再沸器、进料接管、塔顶产品接管、塔底产品接管、塔顶蒸汽接管。

7.计算塔的人孔或手孔开孔数目。

8.撰写设备结果一览表。

9.绘制精馏塔或冷凝器的设备图。

10.设计感想、设计评价。

11.参考文献。

1.4设计时间安排1.6月24日——6月28日：完成设计说明书中的1-4项。

2.6月29日——7月3日：完成设计说明书5-8项。

3.7月4日：完成设计说明书。

4.7月5日——7月7日：绘制精馏塔或冷凝器的设备图。

1.5格式基本要求1.纸型：A4纸。

2.页边距：上3.5cm，下2.5cm,左2.5cm,右2.5cm。

3.页眉：2.5cm,页脚：2cm，上侧装订。

4.字体：正文全部仿宋体、小四。

5.行距：固定值22磅。

6.包括封面、任务书、目录等，内容大概15-20页。

工艺流程图及说明首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。

因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。

气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。

液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。

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，完成乙醇与水的分离。

冷凝器→塔顶产品冷却器→乙醇储罐→乙醇↑回流↓原料→原料罐→原料预热器→精馏塔↑回流↓再沸器←→塔底产品冷却器→水的储罐→水二、塔板工艺设计 2.1精馏塔全塔物料衡算乙醇-水溶液中含乙醇 30% （质量分数下同）， 乙醇和水的相对摩尔质量分别为46kg/kmol 和18kg/kmol 。

F:进料量(kmol/s) X F:原料组成 D:塔顶产品流量(kmol/s) X D:塔顶组成 W:塔底残液流量(kmol/s) X W:塔底组成原料甲醇组成：30460.143630704618F X ==+塔顶组成：95460.88149554618D X ==+塔底组成：0.01460.0200.0599.54618W X =≈+ 2.2 平均摩尔质量kg/km ol ＝22.0208180.1436)－(1＋460.1436＝ M F ⨯⨯Kmol Kg M D /6793.4218)8814.01(468814.0=⨯-+⨯=()kg/km ol 56.1818020.01020.046=⨯-+⨯=W M2.3 全塔物料衡算：依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，有：全塔物料衡算：釜液处理量 h Kmol F /97.1630208.22243001000106.24=⨯⨯⨯⨯=， 0.14360.020163.9723.52/0.88140.020F W D W D Fkmol h χχχχ--==⨯=--163.9723.52140.45/W F D kmol h =-=-=2.2乙醇和水的物性参数计算 2.2.1 温度常压下乙醇-水气液平衡组成与温度的关系根据表中数据可以求得F t D t W t1.1238.01436.03.851661.01238.01.843.85:--=--F F t t ℃73.84=F t 2. 72.7414.8841.7843.8972.7415.7841.78:--=--D D t t ℃17.78=D t3. 0020.010090.105.95100:--=--W W t t ℃94.99=W t 2.精馏段平均温度：℃46.8121=+=D F tt t3.提留段平均温度：℃34.9222=+=WF t t t 2.2.2 密度已知：混合液密度：BBAAla a ρρρ+=1混合气密度：004.22TP M P T V =ρ塔顶温度：℃17.78=D t 气相组成：43.8910015.7817.7843.8915.7815.7841.78:--=--D D y y %44.88=D y进料温度：℃73.84=F t 气相组成：89.501001.8473.8489.5004.471.843.85--=--=F F y y %84.48=F y塔底温度：℃94.99=W t 气相组成：WW y y 100094.991000.1705.95100:--=-- %23.0≈W y（1） 精馏段液相组成：%28.5121=+=FD x x x 气相组成：%64.6821=+=FDy y y 所以mol kg M L /36.32)5128.01(185128.0461=-⨯+⨯= mol kg M V /22.37)6864.01(186864.0461=-⨯+⨯= (2) 提留段液相组成：%18.822=+=FW x x x 气相组成：%54.2422=+=FWy y y 所以mol kg M L /29.20)0818.01(180818.0462=-⨯+⨯= mol kg M V /87.24)2454.01(182454.0462=-⨯+⨯=不同温度下一寸与水的密度表℃73.84=F t3.7428073.841.7303.7429080:--=--CF CF ρρ 3/53.736m kg CF =ρ8.9718073.843.9658.9719080:--=--wF wF ρρ 3/73.968m kg wF =ρ2.97030.013.73930.01-+=Fρ 3/67.887m kg F =ρ ℃17.78=D t2.7547017.783.7422.7548070:--=--CD CD ρρ 3/5.744m kg CD =ρ8.9777017.788.9718.9778070:--=--wD wD ρρ 3/9.972m kg wD =ρ9.97292.015.74492.01-+=Dρ 3/75.758m kg D =ρ ℃94.99=W t1.7309094.994.7171.73010090:--=--CW CW ρρ 3/48.717m kg CW =ρ3.9659094.994.9583.96510090:--=--wW wW ρρ 3/45.958m kg wD =ρ43.958005.0146.717005.01-+=Wρ 3/54.952m kg W =ρ 所以31/21.8232m kg DF L =+=ρρρ32/11.9202m kg W F L =+=ρρρmol kg x x M D D LD /68.42)1(1846=-⨯+⨯=mol kg x x M F F LF /02.22)1(1846=-⨯+⨯=mol kg x x M W W LW /00.18)1(1846=-⨯+⨯=mol kg M M M LFLD L /35.3221=+=mol kg M M M LFLW L /01.2022=+=mol kg y y M D D VD /76.42)1(1846=-⨯+⨯= mol kg y y M F F VF /68.31)1(1846=-⨯+⨯=mol kg y y M W W VW /99.18)1(1846=-⨯+⨯=mol kg M M M VFVD V /02.3721=+=mol kg M M M VFVW V /88.3022=+=31101/27.14.22m kg t M T V V ==ρ 32202/03.14.22m kg t M T V V ==ρ 2.2.3相对挥发度%36.14=F x %84.48=F y 85.41436.014484.011436.04484.0==--F α%14.88=D x %44.88=D y 04.18814.018856.018814.08856.0==--D α%020.0=W x %27.2=W y 52.11%02.01%23.01%02.0%23.0==--W α（1）精馏段平均相对挥发度81.221=+=DF ααα（2）提留段平均挥发度05.822=+=WF ααα2.2.4混合物的黏度℃46.811=t 查手册得s mpa •=3567.0水μ s mpa •=854.0乙醇μ ℃34.922=t 查手册得s mpa •=3023.0水μ s mpa •=154.0乙醇μ（1）精馏段黏度：s mpa x x •=+=4224.0-1111）（水乙醇μμμ （2）提留段黏度：s mpa x x •=+=.31150-1222）（水乙醇μμμ 2.2.5混合液体的表面张力 乙醇表面张力： 水表面张力查物理化学手册可得水的表面张力的经验公式：)]291(002.01[07275.0--•=T σ所以可以求得m mN WF /02.63=σ，m mN WD /97.63=σ，m mN WW /81.60=σ 取表可以通过内插法算得m mN WF /07.17`=σ,m mN WD /47.17`=σ,m mN WW /51.15`=σ塔顶表面张力：444`)1(WD D WD D D x x σσσ+-=， m mN D /85.20=σ 444`)1(WF F WF F F x x σσσ+-=， m mN F /40.47=σ 444`)1(WW D WW W W x x σσσ+-=， m mN W /80.60=σ（1）精馏段的平均表面张力：m mN /125.34240.4785.201=+=σ（2）提馏段的平均表面张力：m mN /10.54240.4780.602=+=σ2.3塔板的计算2.3.1 q 、 精馏段、提留段方程计算1434.0=F x 泡点温度84.86℃平均温度：℃23.5222046.842+=+t T乙醇的摩尔热容K kmol kJ c mA •=⨯=/84.1394604.3乙醇的摩尔汽化焓kmol kJ r A /6.42048461.914=⨯=水的摩尔热容K kmol kJ c mB •=--⨯-+⨯=/2.75]50605123.51)178.4183.4(178.4[18水的汽化潜热kmol kJ r B /43056182392=⨯=)/(13.91K kmol kJ x c x c c B mB A mA mP •=+=平均汽化热kmol kJ x r x r r B B A A /3.42805=+=13.1)(1=-+=t T rcq mP对1436.0=F x 不论q=1还是q=1.13 挟点均是切点。