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1、 0. 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。 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。 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：(
2、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
3、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
4、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
5、料摩尔分数：xF塔顶摩尔分数 ： xD塔釜残液的摩尔分数： xW2 原料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.1154*46+(1-0.1154)*18=/kmolMD=0.860*46+(1-0.86)*18=/kmolMW=0.0004*46+(1-0.0004)*18=/kmol3 物料衡算 原料的处理量 F=3000/（300*24）/21.2312=19.63 kmol/h总物料衡算 19.63=D+W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 （三） 精馏工艺条件计算T 的求取 确定回流比R乙醇水属于理
6、想物系，可采用图解法求回流比R和理论塔板数。 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 求最小回流比及操作回流比。故最小回流比为Rmin=(0.86-0.45)/(0.45-0.115)=1.22 取操作的回流比为 R=2Rmin 求气液相负荷LV 求操作线方程精馏段操作线方程为: Y=L*X/V + D*XD/ V =提馏段操作线方程为: Y= L*X/V - W*XW/ V 确定理论塔板数。结果见上图，得理论塔板数NT =15块（不包括再沸器），精馏段12块，提馏段3块（不包括再沸器） 确定实际塔板数。 精馏段实
7、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精馏塔工艺参数汇总NpN精N提ETNTRRmin29236154精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算41 操作压力计算 塔顶操作压力 PD =101.34105.3 kPa 每层塔板压降 P = 0.7kPa 进料板压力P= 精馏段平均压力 PM = 42 操作温度计算 依据据操作压力,由泡点方程通过试差法计算出泡点温度,其中乙醇与水的饱和蒸气压由安托因方程P*=A - B /(T +C) 计算,计算过程略.计算结果如下: 塔顶温度 tD = 进料板温度 tF = 84 .0 精馏段
8、平均温度温 tm =( 78.0 + 82.0 ) /2 = 4.3 平均摩尔质量的计算由XD=y1=0.86，查平衡曲线得：X1= 0.825 塔顶液相的平均摩尔质量： MVDm46 +(1-0.86)18 = /kmol MLDm= 0.825 46 +(1- 0.825 ) 18 = 41.1 kg/kmol 进料板的摩尔质量，由图解理论板得 yF =0.415 由平衡曲线得：XF =0.25 MVFm46+（1-0.415）18 = /kmol MLFm46 +(1-0.25) 18 = 25kg/kmol 平均摩尔质量： MVm=(42.08 + 29.62)/2=35.85 kg/
9、kmol MLm=(41.1 + 25)/2=/kmol 4.4 平均密度计算气相平均密度计算vm = Pm * MVm / R * Tm =113.35 * 35.85/8.314 * (81.0 + 273.15)=1.337 kg/m3液相平均密度计算塔顶TD=78查手册水= 973 kg/ m3, 乙醇 = 744.4 kg/m3进料TF=82查手册水= 969 kg/ m3, 乙醇 = 737.3 kg/m3塔顶密度 LDH= 1/XD/A + (1-XD)/ B = 735.3 kg/ m3进料板的液相质量分数： A= XF*MA/XF*MA+(1-XF)MB = 0.46进料板的
10、液相密度:LDM= 1/A /A + (1-A)/ B= 833.3 kg/ m3精馏段的平均密度LDM=(735.3+833.3)/2 = / m34.5 液体平均表面张力的计算塔顶表面平均张力由T=78查手册得：水=62.9mN/m, 乙醇lDm=18(1-0.86)=24.68mN/m进料板的表面张力由T=84查手册得：水103N/m,乙醇=17.88 103N/mlFm (1-0.25)50.82mN/m精馏段的液相平均表面张力LM3）/2=37.75mN/m5 塔径和塔高的计算 5.1 塔径的计算精馏塔的气，液体体积流率为VS= 0.07 m3/sLs= 0.0001 m3/s由um
11、ax=查图表 取板间距HT= 板上液层高度hL=查化工原理课程设计P105图5-1得：C20 = 0.074C = C20 * =0.074 * = 0.084Umax = C = 1.59 m/s取设计的泛点率为0.7，则空塔气速为：U = 0.7 Umax = /s塔径D= =圆整得：D=塔截面积为：=*实际空塔气速为：5.2 精馏塔有效高度的计算精馏段的有效高度Z精=（N精-1）HT=(23-1)0.4 = 8.8 m提馏段的有效高度Z提=（N提-1）HT=（6-1）0.4 = 2m在进料板的上方开人孔其高度为=,故精馏段的有效高度为： Z= Z精+ Z提+0.8=10.611m6. 塔
12、板主要工艺尺寸的计算 6.1 溢流装置的计算：因塔径和流体量适中，选取单溢流弓形降管。堰长取溢流堰高度由 选用平直堰，堰上液层高度=取板上清液层高度=故m 弓形降液管宽度和截面积由 查化工原理课程设计P112图5-7得 故液体在降液管停留的时间，即故降液管设计合理。降液管底隙高度 取 m/s，则故降液管底隙高度设计合理 边缘宽度的确定，查化工原理课程设计P114 取 ，所以开孔的面积代入式中解得：=0.084 筛孔的计算筛孔的孔径，孔中心距 t为 筛孔的数目为 开孔率为 =10.1气体通过阀孔的气速为： m/s 7. 塔板流动性能的校核7.1 液沫夹带的校核液沫夹带量ev，即 代入得：故设计中液沫夹带量ev在允许范围内。 7.2 塔板压降干板阻力h0可计算如下：查化工原理课程设计图5-10，得代入故 m液柱气体通过液层阻力由 查化工原理课
