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1、双组分溶液直接蒸汽加热板式精馏塔设计设计任务：规定F、xF、xD、xW,设计出能完成分离任务的板式精馏塔1.回流比 最小回流比设夹紧点在精馏段，其坐标为(xe,ye)则R 二min y x设夹紧点在提馏段，其坐标为(xe,ye)4 =Rmin D + qF=V(R . + 1)D (1 q) Fx - xw所需基础数据：气液相平衡数据丙酮-水xi = 00.01 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.900.95 1.0; %液相丙酮平衡浓度yi = 00.253 0.425 0.624 0.755 0.793 0.8
2、15 0.830 0.839 0.849 0.859 0.874 0.898 0.935 0.9631.0; %汽相丙酮平衡浓度ti= 100 92.7 86.5 75.8 66.5 63.4 62.157.0 56.13 ;%平衡温度 甲醇-水xi = 00.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.150.90 0.95 1.0; %液相甲醇平衡浓度yi = 00.134 0.234 0.304 0.365 0.418 0.5170.958 0.979 1.00; %汽相甲醇平衡浓度61.0 60.4 60.0 59.7 59.0 58.2 57.50.20 0.30 0.40 0
3、.50 0.600.700.800.579 0.665 0.729 0.779 0.825 0.870 0.915ti= 100 96.493.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0 75.3 73.1 71.269.367.666.065.0 64.5 ;%平衡温度来源：王志魁.化工原理(第三版)，北京：化学工业出版社,2004 确定操作回流比R = (1.1 2.0)Rmin用Matlab或Excel工具求出N与R间的关系以确定适宜的回流比。(课堂讲解)2全塔物料衡算与操作方程(1)全塔物料衡算F + S = D + W(3)Fxf = Dxd + WXw(4)其中
4、S = V = (R + 1)D (1 q) F(5)W = L = RD + qF(6)联立式(3)、式(4)得：D = Ff _ ?w(7)x + Rx（2）操作方程RX+ D+1 R + 1_ W 提馏段y = xn+1 S n3计算精馏段、提馏段理论板数 理想溶液 图解法或求出相对挥发度用逐板计算法求取。 非理想溶液相平衡数据为离散数据,用图解法或数值积分法求取4.全塔组成分布、温度分布及精馏段、提馏段平均温度与组成精馏段平均温度t = （t1 + tF）/2提馏段平均温度t =（七+ tN）/2其中t1塔顶第一板温度，由y=xd查t-y数据获得，因塔顶为蒸汽冷凝;t 一加料板温度，由
5、加料板组成xm查t-x数据获得;tB塔釜温度，由xw查t-x数据获得。5物性参数的计算 塔顶条件下的物性参数（气相密度、液相密度、表面张力及粘度） 进料板组成与温度条件的物性参数 塔釜条件下的物性参数 精馏段平均物性参数 提馏段平均物性参数J 一pM附：气相密度用理想气体状态方程计算P =-Rt 液相密度 =-+ B w、w为组分A与B的质量分数，p、p分别为组分A与B的液p p p A BA B相密度，水的密度用插值法求，甲醇或丙酮的密度查有机液体相对密度共线图（陈敏恒，化工原理（上册 北京：化学工业出版社,2006） 二元含水混合物的表面张力（含水溶液）（B E Poling, J M P
6、rausnitz, J P O Conell著，赵红梅，王凤坤，陈圣坤等译，气液物性估算手册，北京：化学工业出版社,2006,497-498）b 1/4 =甲 Q1/4 +甲 Q1/4中=x V /(x V + x V )w w w w w O O中=x V /( x V + x V)O O O w w O OB=lg% / %)Q = 0.4410/T)(o官-b V2/3)q w wB + Q = lg% Wo)中 +中 =1醇类，脂肪酸类4=碳原子数，如乙酸q=2,甲醇q=1；酮类4=碳原子数-1,例丙酮q=2O W、O O分别为纯水与纯有机物的表面张力,mN/m。纯有机物的表面张力查有
7、机液体的表面张力共线 图。xw、xO分别为水与有机物的液相摩尔分数Vw、VO分别为水与有机物的液相摩尔体积,cm3/molT温度,K例估算甲醇-水混合物在303K时的表面张力，甲醇的摩尔分数为0.122,实验数据46.1 mN/m.解：303K 时O W=71.18 mN/m、O O=21.75mN/m,Vw=18 cm3/mol, Vo=41cm3/mol，q=1。(1200cm3/mol 41200cm3/molWpopWoMo,Mw有机组分与水的分子量,kg/kmol;p o,p w有机组分与水的密度,kg/m3)中 仰 =x V /(x V ) = 0.878x18/(0.122x41
8、) = 3.16W o W W O OB = lg(W /%) = lg3.16 = 0.50Q = 0.441(T)(X2 b V2/3) = 0.441(1/303)(21.75X413 -71.18x 182/3)q w w1Q = 0.34B + Q = lg（甲 q / 甲）WSO0. 5 0. =4 中Sg（中 sJ中 /中 =1.45(1)SWSO中 +中 =1(2)WSO联立式(1) (2)得： = 0.59平跖=41b i/4 = 0.59 x 71.180.25 + 0.41 x 21.750.25b = 46mN/m 水的物性数据查化工原理上册教材附录，采用内差法 甲醇、
9、乙醇、丙酮的物性数据查上册教材附录密度见p272有机液体的相对密度共线图表面张力见p274有机液体表面张力共线图液体粘度见p276液体粘度共线图液体比热容见p278液体比热容共线图气体粘度见见p284气体粘度共线图气体比热容见p286气体比热容共线图液体汽化热见p280液体汽化热共线图6塔效率的计算塔效率：Et = 0.49（a匕）-0.245OConnel公式（适用于非碳氢物系如甲醇-水物系，丙酮-水物系）丙酮-水 精馏段Et = 0.49（a匕）-0.245式中：a精馏段平均温度下的相对挥发度；匕精馏段平均温度下的液相粘度，mPa.s以乙醇-水体系为例：精馏段平均温度82.79C,七=0.
10、2294, y广0.5422，查有机液体粘度共线图82.79C下醇的粘度为0.433mPa.s,查教材附录水的粘度为0.3439mPa.s。a=工=0.5422/0.2294 *与 / Xb 0.4578/ 0.7706匕= x R = 0.433x0.2294 + 0.3439x（1-0.2294） = 0.3643mPa.s 提馏段Et = 0.49（a匕）-0.245式中：a提馏段平均温度下的相对挥发度；匕一提馏段平均温度下的液相粘度,mPa.s7计算实际塔板数全塔效率：Et = 0.49（a匕）-0.245OConnel公式（适用于非碳氢物系）式中：a塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；
11、瞄塔顶与塔底平均温度下的液相粘度,mPa.s 精馏段Et = 0.49（a匕）-0.245式中：a精馏段平均温度下的相对挥发度；匕精馏段平均温度下的液相粘度,mPa.sN（Np）精=ER注意：要圆整塔板数T 提馏段Et = 0.49（a匕）-0.245式中：a提馏段平均温度下的相对挥发度；匕提馏段平均温度下的液相粘度,mPa.s（N ） = NS1注意：要圆整塔板数p提 ET全塔所需塔板数：Np =（气）精+ （气）提全塔效率：Et = （% -1）/Np提醒：全塔效率的工业测定值通常在0.30.7之间8冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷QC - V （DV -【DL ）待求量：进料温度&、塔顶上升
12、蒸汽温度/（与对应的露点温度）、回流温度、（与对应的泡点 FDV DDL D温度）。物性数据： 各组分在平均温度下的液相热容、气相热容或汽化热。 各组分的热容方程常数如 c = A + BT + CT2 + DT31 - T由沃森公式计算汽化热AHv2 =AHv 1（1）0.38ri9估算塔径（1）板间距的初选板间距nt的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检 修等因素。对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装 检修有利；但板间距增大后，会增加塔身总高度，金属消耗量，塔基、支座等的负荷，从而导致全塔造价 增加
13、。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔高可降低；但是板间距 过小，容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据各种不同情况予以考虑。如对易发 泡的物系，板间距应取大一些，以保证塔的分离效果。板间距与塔径之间的关系，应根据实际情况，结合 经济权衡，反复调整，已做出最佳选择。设计时通常根据塔径的大小，由表4-1列出的塔板间距的经验数 值选取。表1塔板间距与塔径的关系塔径/D，m0.3 0.50.5 0.80.8 1.61.6 2.42.4 4.0板间距/Ht mm200300250350300450350600400600化工生产中常用板间距为：200，2
14、50，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，其值不应小于600mm。（2）估算塔径D =寸4匕/兀uu = (0.6 0.8)umaxmax C(PL PPGWW =L (WGP G )0.5PLC=C (M)0.2C =f(W, H -h )20 2020T L式中：C操作物系的负荷因子；一操作物系的液体表面张力，mN/m； Ht板间距；hL-一 板上液层高度。注意：（1）板上液层高度和塔板间距由设计者选定。对常压塔一般取为0.050.08m，对减压塔一般取 为0.0250.03m。（2） 一定要按压力容器标准圆整塔径。目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径应圆整到 标准值。塔径在1m以下者，标准化先按100mm增值变化；塔径在1m以上者，按200mm增值变化，即 1000mm、1200mm、1400mm、1600mm等。圆整时，D1m间隔为100mm，必要时D1m间隔为200mm，必要时D2m可用100mm为间隔。(3)
