精馏塔设计流程

在一常压操作的连续精馏塔内分离水—乙醇混合物。已知原料的处理量为2000吨、组成为36%（乙醇的质量分率，下同），要求塔顶馏出液的组成为82%，塔底釜液的组成为6%。设计条件如下：

操作压力 5kPa(塔顶表压)；

进料热状况自选；

回流比自选；

单板压降≤0.7kPa；

根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。

【设计计算】

（一）设计方案的确定

本设计任务为分离水—乙醇混合物。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，将原料液通过预料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，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

（二）精馏塔的物料衡算

1. 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

M=46.07kg/kmol

乙醇的摩尔质量

A

M=18.02kg/kmol

水的摩尔质量

B

F x =18.002

.1864.007.4636.007.4636.0=+= D x =64.002

.1818.007.4682.007.4682.0=+= W x =024.002.1894.007.4606.007.4606.0=+=

2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

F M =0.18×46.07+(1-0.18)×18.02=23.07kg/kmol

D M =0.64×46.07+(1-0.64)×18.02=35.97kg/kmol

W M =0.024×46.07+(1-0.024)×18.02=18.69kg/kmol

3.物料衡算

以每年工作250天，每天工作12小时计算

原料处理量 F =

90.2812

25007.2310002000=⨯⨯⨯kmol/h 总物料衡算 28.90=W D +

水物料衡算 28.90×0.18=0.64D+0.024W

联立解得 D =7.32kmol/h

W =21.58kmol/h （三）塔板数的确定

1. 理论板层数T N 的求取水—乙醇属理想物系，可采用图解法求理论板层数。

①由手册查得水—乙醇物系的气液平衡数据，绘出x —y 图，如图。

②求最小回流比及操作回流比。

采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.18 , 0.18)作垂线ef 即为进料线（q 线），该线与平衡线的交点坐标为

q y =0.52 q x =0.18

故最小回流比为

min R =q q q

D x y y x --=35.018

.0-52.052.0-64.0= 3 取操作回流比为

R =min R =1.5×0.353=0.53

③求精馏塔的气、液相负荷

L =RD =17.532.753.0=⨯=kmol/h

V =D R )1(+=（0.53+1）20.1132.7=⨯kmol/h

'L =F L +=5.17+28.90=34.07 kmol/h

'V =V =11.20kmol/h

④求操作线方程

精馏段操作线方程为

y =x V L +D x V D =418.0462.064.020

.1132.720.1117.5+=⨯+=x x 提馏段操作线方程为

W x V W x V L '''''y -===⨯-024.020

.1158.21x 20.1107.34' 3.042'x -0.046 ⑤图解法求理论板层数

采用图解法求理论板层数，如图1所示。求解结果为

总理论板层数 T N =16（包括再沸器）

进料板位置 F N =5

2. 实际板层数的求取

精馏段实际板层数 精N =

2055

.011= 提馏段实际板层数 提N =1009.955.05≈= （四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

以精馏段为例进行计算。

1. 操作压力计算

塔顶操作压力 D P =101.3+5=106.3kPa

每层塔板压降 ΔP =0.7kPa

进料板压力 F P =106.3+0.7×20=120.3kPa

精馏段平均压力 m P =(106.3+120.3)/2=113.3kPa

2. 操作温度计算

依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中水、乙醇的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：

塔顶温度 D t =79.3°C

进料板温度 F t =95.4°C

精馏段平均温度 m t =4.872)4.953.79(=+°C

3. 平均摩尔质量计算

塔顶平均摩尔质量计算

由D x =1y =0.64，查平衡曲线（见图1），得

1x =0.714

m VD M =0.64×46.07+(1-0.64)×18.02=35.97kg/kmol

m LD M =0.714×46.07+(1-0.714)×18.02=38.05kg/kmol

进料板平均摩尔质量计算

由图解理论板（见图1），得

F y =0.52

查平衡曲线（见图1），得

F x =0.2

m VF M =0.52×46.07+(1-0.52)×18.02=32.61kg/kmol

m LF M =0.2×46.07+(1-2)×18.02=23.63kg/kmol

精馏段平均摩尔质量

m V M =(35.97+32.61)/2=34.29kg/kmol

m L M =(38.05+23.63)/2=30.84kg/kmol

4. 平均密度计算

（1）气相平均密度计算

由理想气体状态方程计算，即

m

m m RT Vm V M P =ρ=30.1)15.2734.87(314.829.343.113=+⨯⨯kg/m 3 （2）液相平均密度计算

液相平均密度依下式计算，即

i i t a m ρρ//1∑=

塔顶液相平均密度的计算

由D t =79.3°C ，查手册[3]得

A ρ=741.6kg/m 3

B ρ=971.8kg/m 3

=m LD ρ63.774)

8.97118.06.74182.01=+kg/m 3 进料板液相平均密度的计算

由F t =95.4°C ，查手册得