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1、（一）设计题目 乙醇-水分离过程筛板精馏塔设计（二）设计任务及操作条件设计任务（1） 进精馏塔的料液含乙醇35%(质量)其余为水。（2） 产品的乙醇含量不低于90%（质量）。（3） 残液中的乙醇含量不得高于5%（质量）。（4） 生产能力为3.0万吨/年（乙醇）1年=300天、一天=24小时。操作条件（1） 精馏塔的操作压力为4.0KPa（塔顶表压）。（2） 进料状态 饱和液体、泡点进料。（3） 回流比 (1.22)。（4） 加热方式 间接蒸汽加热。（5） 单板压降 小于1.0KPa。（6） 冷却水温度：进口20，出口4045。设备型式：筛板式精馏塔（三） 设计内容设计方案本设计任务为分离乙醇水
2、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，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，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2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量（） ：原料组成（摩尔分数）D：塔顶产品流量（） ：塔顶组成（摩尔分数）W：塔底残液流量（） ：塔底组成（摩尔分数）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率X乙醇 MA = 46.07水 MB = 18.02 进料液中轻组分(乙醇)质量分数为35的摩尔分率XF =塔顶轻组分(乙醇)质量分数为
3、95的摩尔分率XD=塔底轻组分(乙醇)质量分数为1的摩尔分率XW=原料液、塔顶、塔底产品的平均摩尔流量M原料液MF=塔顶 MD =塔底 MW=物料衡算总物料衡算 F=D+W轻组分物料衡算 塔顶馏出液量 D=即 物料衡算图联立解得 塔板数的计算（1） 理论板数的求取用图解法求理论板数，由手册查得常压下乙醇水物系气液平衡组成数据，如下表所示温度t/乙醇摩尔数(%)温度t/乙醇摩尔数(%)液相(x)气相(y)液相(x)气相(y)100008227.356.4499.90.0040.05381.532.7358.2699.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.64
4、2.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.9695.81.6116.3478.7572.3676.9391.31.4629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.9478.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478
5、.1589.4189.41绘出xy图。（附图1）采用绘图法求出最小回流比及操作回流比，泡点进料时。 故最小回流比为：取操作回流比为：精馏塔的气、液相负荷精馏段 提馏段 求取操作线方程精馏段操作线方程为 提馏段操作线方程为 图解法求理论板数采用图解法求理论板数，如附图1所示求解结果为总理论板数块（含塔釜）进料板位置实际塔板数的求取相关物性参数的计算温度的计算温度/ 液相 气相 温度/液相 气相 温度/液相 气相 1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.53
6、2.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99 乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 由上表数据插值可得： =83.9364 =78.3541 =95.3531精馏段平均温度： 提馏段平均温度： 平均密度的计算已知：混合液密度：混合气密度：（1） 精馏段液相组成： 气相组成： 所以（2） 提馏段液相组成： 气相组成： 所以不同温度下乙醇和水的密度 温度/ 乙 水 温度/乙 水 80735971.8
7、95720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下的乙醇和水的密度 同理可得在下 在精馏段 液相密度 气相密度 在提馏段液相密度 气相密度 混合物的黏度，查表得： ，查表得： 精馏段黏度：提馏段黏度：相对挥发度(1) 精馏段相对挥发度：由,得 （2） 提馏段相对挥发度：由， 得 板效率可用奥康奈尔公式计算。 注： 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度 L 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度精馏段：已知 提馏段：已知 全塔实际所需塔板数，加料位置在第15块塔板。操作压力的计算塔顶压强 进料板压强 塔釜压强 精馏段平均操作压强提馏段平均操作压强全塔平均操作压强平
8、均摩尔质量的计算由附图1查得：Xy（图解理论板）X(平衡曲线)进料板平均摩尔质量气相 液相 塔底平均摩尔质量气相 液相 塔顶平均摩尔质量气相 液相 平均摩尔质量精馏段：气相 液相 提馏段：气相 液相 全塔气相 液相 平均表面张力的计算溶液表面张力可用下列各式计算由手册查得不同温度下的表面张力如下： 不同温度下的表面张力表面张力 温度78.354183.936495.3531乙醇17.7517.216.51水63.0361.8959.79进料板表面张力 塔顶表面张力 塔底表面张力 提镏段表面张力平均值精镏段表面张力平均值 全塔表面张力平均值精馏塔的塔体工艺尺寸计算塔径的计算塔径的计算按照下式计算
9、： 式中 D 塔径m；Vs 塔内气体流量m3/s；u 空塔气速m/s。空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 因此，需先计算出最大允许气速。式中 允许空塔气速，m/s；分别为气相和液相的密度， ； C气体负荷系数，m/s，对于气体负荷系数C可用下图确定；下图是按液体的表面张力为时绘制的，故气体负荷系数C应按下式校正： 精馏段塔径的计算精馏段气、液体积流率为： 精馏段气、液相平均密度为： 初选板间距HT=0.45m,取板上液层高度HL=0.05m，板间距与塔径的关系塔径D/mm300500500800800160016002400板间距HT/mm20
10、0300250350300450350600那么分离空间： 功能参数： 图的横坐标为 从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：因物系表面张力故 取安全系数为0.75，则空塔气速为塔径圆整：则塔截面积 空塔气速 提馏段塔径的计算已知 取塔板间距，板上液层高度 功能参数： 图的横坐标为 从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：因物系表面张力故 取安全系数为0.60，则空塔气速为塔径圆整：精馏段和提馏段两段相差不大，故取相等的塔径。精馏塔有效高度的计算精馏段的有效高度： 提馏段的有效高度： 已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔6块板设一个人孔，则人孔的数目
11、为： 个故精馏塔的有效高度：塔板主要工艺尺寸的计算溢流装置的计算板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因D=1.5m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。堰长：单溢流取堰长溢流堰（出口堰）高度：由,选用平直堰,堰上液层高度式中 堰上液流高度，； 塔内平均液流量，； 堰长，； E 液流收缩系数。一般情况下可取E=1，对计算结果影响不大。近似取E=1,则故弓形降液管宽度和截面：由 弓形降液管参数图查图可得 则： 停留时间，故降液管尺寸设计合理。降液管底隙高度： 式中 降液管底隙处液体流速，；取降液管底隙
12、处液体流速可以保证降液管底部液封，故降液管底隙高度设计合理。塔板设计边缘区宽度确定取（安定区宽度） （无效区宽度）开孔区（鼓泡区）面积计算开孔区面积按式计算其中 为以角度表示的反正弦函数。因此代入数据得 故 筛孔计算及其排列由于乙醇-水物系无腐蚀性,可选用碳钢板,取筛孔直径,筛孔按正三角形排列,取孔中心距筛孔数目个开孔率为 气体通过阀孔的气速为 筛板的流体力学计算塔板压降气体通过塔板的压力降直接影响到塔低的操作压力，故此压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。气体通过每层塔板的压降为上式中液柱高度可按下式计算：液柱式中 -塔板本身的干板阻力PC -板上充气液层的静压力PL -液体的表面张力P干板阻力计算：干板阻力由如下公式计算：由查干筛孔的流量系数图得 故液柱
