化工原理课程设计题目乙醇-水溶液连续精馏塔设计学院名称化学化工学院指导教师班级学号学生姓名2013 年 1 月 6 日目录前言第一章流程确定和说明一. 加料方式二. 精料状况三. 塔顶冷凝方式四. 回流方式五. 加热方式六. 再沸器型式第二章精馏塔的设计计算一操作条件与基础数据2.1.1. 操作压力2.1.2. 气液平衡关系及平衡数据2.1.2. 相对挥发度的计算2.1.4. 最小回流比及操作回流比的确定二精馏塔的工艺计算2.2.1. 物料衡算2.2.2. 热量衡算2.2.3. 理论塔板数的计算2.2.4. 全塔效率的估算2.2.5. 实际塔板数三．精馏塔主要尺寸的设计计算2.3.1. 塔和塔板设计的主要依据和条件2.3.2. 塔板工艺尺寸的计算2.3.3. 筛板塔工艺尺寸计算与选取2.3.4. 筛板的流力学验算四．塔板负荷性能图2.4.1 液相下限线2.4.2 液相上限线2.4.3 漏液线2.4.4 液沫夹带线第三章辅助设备及主要附件的选型设计3.1 冷凝器的选择3.1.1 冷凝剂的选择3.1.2 冷凝器的热负荷3.1.3 冷却介质消耗量3.2 再沸器的选择3.3 除沫器的选择3.4 塔顶蒸汽出口管3.5 入口，裙座等附件设计3.6 精馏塔实际高度计算与设计第四章设计结果的自我总结与评价一精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表二设计结果的自我总结与评价附录一 不同设计条件下设计结果比较二参考文献前言在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、蒸馏、萃取等单元操作中， 气液传质设备必不可少。
塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔而实验表明筛板塔的优点是：结构简单，气体压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率均较泡罩塔高泡罩塔板由于齿封开度是固定的，因此其对蒸汽负荷变动的适应性能不好气速小时，气液接触不好；气速大时，又易使蒸汽吹开液体多孔塔板虽然结构简单，处理能力大，但操作弹性比较小对于筛板塔来说，塔板上开有许多均布的筛孔，筛孔在塔板上作正三角形排列塔板上设置溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层鼓泡而出，气、液间密切接触而进行传质在正常的操作气速下， 通过筛孔上升的气流， 应能阻止液体经筛孔向下泄漏所以，筛板塔的效率较高，操作弹性较大，能较好的适应进料量的变化此外，筛板塔还具有结构简单、处理能力强等优点由于筛板塔板的蒸汽是水平吸入液层的，因此气液搅动较好、 雾沫夹带小、接触时间长、传质效果好、其效率比泡罩塔板约高15% 本次课程设计就是针对甲醇- 水体系而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及相关设备选型。
由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正第一章流程确定和说明一．加料方式加料方式有两种： 高位槽加料和泵直接加料 采用高位槽加料， 通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速，通过重力加料，可以节省一笔动力费用，但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单， 安装方便如果采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高本设计采用高位槽进料二. 进料状况进料状况共有五种： 冷夜进料，泡点进料，气液平衡进料，露点进料，过热蒸汽进料但实际生产中常用冷夜进料和泡点进料对于泡点进料来说，与冷液进料比较，其塔板数要较多，费用相对较多而对于冷夜进料， 当组成一定时， 流量一定，对分离有利，省加热费用，而且塔板数也较少，易于控制综合考虑，设计上选用冷液进料二．塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝三．回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流对于小塔型， 回流冷凝器一般安装在塔顶， 其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难 如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。
在此情况下， 可采用强制回流， 塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中本次设计为小型塔，故采用重力回流四． 加热方式加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内，由于重组分是水，故省略加热装置但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置本次设计采用间接蒸汽加热六．再沸器型式选择再沸器时， 首先应满足工艺要求， 即在相同的传热面积下要选择体积小的，可以节省费用 本次设计选用 U 型管式再沸器，因为与其它型式再沸器相比， 它的塔和再沸器之间标高差减小，允许气化率高，操作弹性大，而且本身有蒸发空间第二章精馏塔的设计计算一 操作条件与基础数据2.1.1. 操作压力精馏操作按操作压力可分为常压，加压和减压操作， 精馏操作中压力影响很大当压力增大时， 混合液的相对挥发度将减小，对分离不利减压时，相对挥发将增大，对分离有利所以，我们选用表压为4kpa的操作压力温度100 98.5 97.3 96.1 94.1 92.4 91.2 液相组成0,00 0.04 0.10 0.14 0.20 0.25 0.30 气相组成0.000 0.273 0.430 0.482 0.525 0.551 0.575 温度89.1 87.9 86.2 84.6 82.5 81.2 79.8 液相组成0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 气相组成0.595 0.614 0.635 0.657 0.678 0.698 0.725 由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需要先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。
已知：fa=35% ，Da=96% ，Wa=1% ，乙醇M=46kg/mol原料液的摩尔组成 : Fx=水乙醇乙醇nnn= 18%)/35-1(46%/354635%/=0.1740 同理可求得：Dx= 18/%)961(46/%9646/%96=0.904 00394.0 18/%)11(46/%146/%1wx原料液的平均摩尔质量：kmolkgMxMxMFFFF/87.2218)2071.01(462071.0)1(水同理可求得：3.4318)904.01(46904.0DMkg/molkmolkgMW/11.1818)00394.01(4600394.0由121211ttxxttxx得：进料： 1.896.8435.05.01.8935.01740.0Ft38.94Ftc塔顶： 1.969.8714.035.01.9614.0904.0DtCtD 27.66塔釜： 1004.92025.0100000394.0DtCtW88.99名称原料液（ F）流出液（ D）釜残液（ W ）a/% 35 96 1 X(摩尔分数 ) 0.1740 0.904 0.00394 平均摩尔质量/(kg/mol) 23.80 44.6 18.11 温度t/C。
94.38 66.27 99.88 利用内插法计算精馏段和提馏段对应的气、液相摩尔分率，得： 精馏段：CtttFD325.80 227.6638.9421482.0525.0482.014.02.014.01.961.941.96325.8011yx613.01x821.01y13.97 238.9488.9922FWttt482.0525.0482.014.02.014.01.9634.921.9634.9212yx2.02x525.02y将代入 y= xaax)1(1得19.11a07.22a所以a=57.121aa2.1.4. 最小回流比及操作回流比的确定泡料，1740.0Fqxx249.0 1740.0)157.1(11740.057.1)1(1qxaax y5.1 1740.0249.0249.0904.0minqDxyyx RR=4.26.1minR二精馏塔的工艺计算2.2.1 物料衡算hkmoloooF/08.210 8.235又1740.0Fx904.0Dx0394.0Wx总物料： F=D+W 易 挥 发 组 分 ： FWDFWxDxx解 得W=177.4hkmol/D=32.68hkmol/塔顶产品质量流量hkmolGD/42.1001.03.4368.32塔釜产品质量流量hkmolGW/21.3001.011.184.177进料质量流量hkmolGF/83.42.2.2. 理论塔板的计算R=2.79，q=1 L=RD=2.79 38.69=107.95hkmol /V=(R+1)D=3.7938.69=146.64hkmol/hkmolL/03.318,hkmolV/64.146,精馏段操作线方程27.071.0 111mDmnx Rxx RRy提馏段操作线方程0046.017.2,,,1mwmmxx VWx VLy利用精馏段操作线方程及平衡方程计算，904.01Dxx，当2071.0nx时，改用提馏段操作线方程。
直到1.0mx时，停止计算经计算 N=15 块计算结果如下：最小回流比1.7 实际回流比2.79 塔顶采出量38.69 塔底采出量177.4 进料位置8 理论板数15 2.2.3. 全塔效率的估算mpasulw36.036.0)00394.01(27.000394.0mpasuld278.036.0)904.01(27.0904.032.0u当Ct785.79得x=0.629 y=0.833 据相平衡方程得 a=2.72 全塔效率%4.50)(49.0245.0lTauE2.2.4 实际塔板数块（含再沸器）30 %4.5015TT PENN2.3.2.精馏塔主要尺寸的设计计算一．空塔气速计算经查表得气相摩尔流量为284.41hkmol/，液相摩尔流量133.45hkmol/. 精馏段sm pVvs/23.2 04.1360030.2942.284360030.2941.2843sm pLM Llls/00119.0 7.817360031.2645.13336003则015.0)(21vlssppVL取板间距mHt45.0，板上液层高度mhl05.0，那么分离空间mhHtt40.005.045.0，空塔气速为smuu/658.1368.27.07.0max。
同理查表可求得提馏段smVs/34.23smLs/00388.03057.0)(21vlssppVL板间距与精馏段的都一样mHt45.0，mhl05.0，分离空间mhHlt4.0空塔气速为smuu/512.2589.37.07.0max3.3.3 筛板塔工艺尺寸计算与选取塔板间距直接影响塔高此外，塔间距 HT 与塔的生产能力、操作弹性及塔板效率有关在一定得生产任务下，采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，因而塔径可以小些，但塔高要增加反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增加，但塔高可以小些对于板数较多的精馏塔，往往采用较小的板间距适当加大塔径以降低塔高本设计采用板间距为0.8m有效塔板高度mH ENzTTT94.1245.0)1 %4.5015()1(2.3.3. 塔径与实际空塔气速精馏段m uVDs309.1 658.114.323.2414.34提馏段m uVDS09.1 512.214.334.2414.34因取上下塔径相同，故按精馏段塔径圆整后为mD4.1mDAt54.1 414.32实际空塔气速提馏段sm AVutS/45.154.123.2精馏段smAVutS/52.1 54.134.2溢流装置工艺尺寸项目)( mlw)(mhw)(mWd )(2mAf)(0mh精馏段0.91 0.042 0.174 0.111 0.02。