乙醇水精馏塔设计

⑴综合运用“化工原理”和相关选修课程的知识，联系化工生产的实际完成单元操作的化工设计实践，初步掌握化工单元操作的基本程序和方法。

⑵熟悉查阅资料和标准、正确选用公式，数据选用简洁，文字和工程语言正确表达设计思路和结果。

⑶树立正确设计思想，培养工程、经济和环保意识，提高分析工程问题的能力。二、设计任务及操作条件在一常压操作的连续精馏塔内分离乙醇－水混合物。

生产能力（塔顶产品）3000 kg/h

操作周期 300 天／年

进料组成 25% （质量分数，下同）

塔顶馏出液组成≥94%

塔底馏出液组成≤0.1%

操作压力 4kPa（塔顶表压）

进料热状况泡点

单板压降：≤0.7 kPa

设备型式筛板

三、设计内容：

(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件数据的计算；

(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) 绘制生产工艺流程图；

(10) 绘制精馏塔设计条件图；

(11) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。

[ 设计计算 ]

（一）设计方案选定

本设计任务为分离水－乙醇混合物。

原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至84℃后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却至25℃后送至产品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。

1精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。

2操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于乙醇和水这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。

3塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降较低，在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。

4加料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。由于原料温度稳定，为减少操作成本采用30度原料冷液进料。

5由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。

6再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至65度回流入塔。冷凝冷却器安装在较低的框架上，通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，馏出产品进入储罐。塔釜产品接近纯水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备稀释其他工段污水排放。

（二）精馏塔的物料衡算

原料液处理量为3000kg/h,（每年生产300天），塔顶产品组成94%（w/w）乙醇。原料25%（w/w）乙醇水溶液，釜残液含乙醇0.1%（w/w）的水溶液。

分子量M水=18 kg/kmol；M乙醇=46 kg/kmol。

1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

原料摩尔分数：x F=（0.25/46）/(0.25/46+0.75/78)=0.1154

塔顶摩尔分数：x D=（0.94/46）/（0.94/46+0.06/18）=0.860

塔釜残液的摩尔分数：x W=(0.001/46)/(0.001/46+0.999/18)=0.0004

2原料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

M F=0.1154*46+(1-0.1154)*18=21.2312kg/kmol

M D=0.860*46+(1-0.86)*18=42.08kg/kmol

M W=0.0004*46+(1-0.0004)*18=18.0112kg/kmol

乙醇的物料衡算 19.63*0.1154=0.86*D+0.0004*W

解得：塔顶采出量 D=2.626

塔底采出量 W=17.004

（三）精馏工艺条件计算

1.理论塔板数N T 的求取

错误!未找到引用源。确定回流比R

乙醇—水属于理想物系，可采用图解法求回流比R和理论塔板数。

错误!未找到引用源。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。

常压下乙醇—水溶液的t-x-y图

常压下乙醇—水溶液的t-x-y图

错误!未找到引用源。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G（0.115，0.115）作垂线ec即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为 y=0.45 x=0.115

故最小回流比为R min=(0.86-0.45)/(0.45-0.115)=1.22 取操作的回流比为 R=2R min=2*1.22=2.44 取整 R=2.5

错误!未找到引用源。求气液相负荷

L=RD=2.5*2.626=6.565

V=（R+1）D=3.5*2.626=9.191

L′=L+F=6.565+19.63=26.195

V′=V=9.191

错误!未找到引用源。求操作线方程

精馏段操作线方程为: Y=L*X/V + D*X D/ V =0.714ⅹ+0.246

提馏段操作线方程为: Yˊ= Lˊ*Xˊ/Vˊ - W*X W/ Vˊ=2.85ⅹ′-0.0007

⑵确定理论塔板数。

结果见上图，得理论塔板数N T =15块（不包括再沸器），精馏段12块，提馏段3块（不包括再沸器）错误!未找到引用源。确定实际塔板数。

精馏段实际塔板数 N精 = 12/0.52=23块

提馏段实际塔板数 N提 = 3/0.52= 6块

精馏塔工艺参数汇总表