筛板式精馏塔的设计

1.概述

本设计为分离乙醇-水混合物，采用筛板式精馏塔。

1.1本设计在生产上的实用意义

乙醇的结构简式为C2H5OH，俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性。乙醇是一种很好的溶剂，既能溶解许多无机物，又能溶解许多有机物，所以常用乙醇来溶解植物色素或其中的药用成分，也常用乙醇作为反应的溶剂，使参加反应的有机物和无机物均能溶解，增大接触面积，提高反应速率。乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料、染料等，是农药、医药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂等的制造原料。医疗上也常用体积分数为70%——75%的乙醇作消毒剂等。

工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇。

1.发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的，在相当长的历史时期内，曾是生产乙醇的唯一工业方法。发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，如谷类、薯类或野生植物果实等；也可用制糖厂的废糖蜜；或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这些物质经一定的预处理后，经水解（用废蜜糖作原料不经这一步）、发酵，即可制得乙醇。

2.乙烯直接水化法，就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下，是乙烯与水直接反应，生产乙醇：CH2═CH2 + H─OH→C2H5OH（该反应分两步进行，第一步是与醋酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物，而后用硼氢化钠还原）。

若想要获得不同浓度的乙醇，可以采取精馏这种方法。譬如，75%的乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95.5%，此后形成恒沸物，不能提高纯度。

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。互溶液体混合物的分离有多种方法，精馏是其中最常用的一种。精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，精馏操作其基本原理是利用互溶液体混合物相对挥发度的不同，实现各组分分离的单元操作，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。

1.2 流程、设备及操作条件的确定

流程可由以下5个方面来确定。

（一）加料方式

加料分两种方式：泵加料和高位槽加料。高位槽加料通过控制液位高度，可以得到稳定流量，但要求搭建塔台，增加基础建设费用；泵加料属于强制进料方式，本次加料可选泵加料，泵和自动调节装置配合控制进料。

（二）加料状态

进料方式一般有冷液进料，泡点进料，气液混合物进料，露点进料，加热蒸汽进料五种。泡点进料对塔操作方便，不受季节温度影响。由于泡点进料时塔的制造比较方便，而其他进料方式对设备的要求高，设计起来难度相对加大，所以采用泡点进料。

（三）冷凝方式

选全凝器，塔顶出来的气体温度不高。冷凝后回流液和产品温度不高，无需再次冷凝，且本次分离是为了分离乙醇和水，制造设备较为简单，为节省资金，选全凝器。

（四）回流方式

宜采用重力回流，对于小型塔，冷凝液由重力作用回流如塔。优点：回流冷凝器无需支撑结构；缺点：回流控制较难安装，但强制回流需用泵，安装费用、点耗费用大，故不用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝回流入塔内。

（五）加热方式

根据实际精馏的费用，最适回流比应是最小回流比的1.5倍。 操作回流比：R=1.5Rmin=1.578 2.4理论塔板数的计算 精馏段操作线方程为：y n+1=

1+R R x n +1+R xD =0.612x n +0.322 提馏段操作线方程为：y n+1=

D

R F RD x n )1()(++-D R D F x w )1()

(+-(因q=1)

故y n+1=12.384xn-1.138

根据常压下得乙醇-水的X-Y 图，又因为泡点进料，所以q=1，即q 为一直线。

在平衡线与操作线之间画阶梯，可得理论塔板数N 1=19；在平衡线与提馏段之间画阶梯，可得理论塔板数N 2=1，故总理论塔板数N T =21（包括再沸器）。 2.5塔的各项参数

（1）温度：利用常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系可求得t F ，t D ，t W t F ：

)

(100)(10011

2121x x T t x x T T F F --=--→t F =84.13℃

tD ：

)

(100)(10033

4343x x T t x x T T D D --=--→t D =78.26℃

tW:

)

(100)(10055

6565x x T tw x x T T w --=--→t w =76.32℃

得：全塔平均温度()57.79332.7626.7813.84=÷++=m t ℃

精馏段平均温度:=+=21D

F t t t 81.20℃ 提馏段平均温度：=+=2

2W

F t t t 80.23℃ （2）密度： 已知：混合液密度：

B

B

A A L p a p a p +=1（a 为质量分数，M 为平均相对分子质量） 混合气密度：o

L Tp M

Top p 4.22=

塔顶温度：t D =78.26℃

气相组成y D ：

)

(100)(10033

3434y y T t y y T T D D --=--→y D =84.66%

进料温度：t F =84.13℃ 气相组成yF ：

)

(100)(100112121F F

y y t T y y T T --=--→y F =49.16%

塔底温度:t w =76.32℃ 气相组成yW ：)

(100)(100556565w w

y y t T y y T T --=--→y W =89.46%

精馏段：

液相组成x 1：x 1=2F

D x x +=0.477 气相组成y 1：y 1=2

F

D y y +=0.6691

所以M

L1=46x 1+18(1-x 1)=31.36kg/kmol

M V1=46y 1+18(1-y 1)=36.73kg/kmol 提馏段：

液相组成x 2：x 2=2F

W x x +=0.112 气相组成y 2: y 2=2

F

w y y +=0.6931

所以M

L2=46x 2+18(1-x 2)=21.14kg/kmol M

V2=46y 2+18(1-y 2)=37.41kg/kmol

由不同温度下乙醇和水的密度（单位kg/m 3）

121t =81.20℃

735

-80

20.8173573080851乙ρ-=--→ρ乙1=733.8kg/m 3

8

.971-8020.818.9716.96880851水ρ-=--→ρ水1=971.03kg/m 3

2t =80.23℃

735

-8023.8073573080852乙ρ-=--→ρ乙2=734.77kg/m 3

8

.971-8023.808.9716.96880852水ρ-=--→ρ水2=971.65kg/m 3

在精馏段，1t =81.20℃ 液相密度：

[]03

.97169977

.018.733)477.01(1846477.0/46477.01

1

-+-⨯+⨯⨯=

L ρ