分离乙醇水精馏塔设计(含经典工艺流程图和塔设备图)

分离 乙醇-水的精馏塔设计设计人员： 所在班级： 化学工程与工艺 成绩： 指导老师： 日期：化工原理课程设计任务书 一、 设计题目： 乙醇---水连续精馏塔的设计 二、 设计任务及操作条件 （1） 进精馏塔的料液含乙醇 35％（质量分数， 下同）， 其余为水； （2） 产品的乙醇含量不得低于 90％； （3） 塔顶易挥发组分回收率为 99％； （4） 生产能力为 50000 吨/年 90％的乙醇产品； （5） 每年按 330 天计， 每天 24 小时连续运行。 （6） 操作条件 a） 塔顶压强 4kPa （表压） b） 进料热状态 自选 c） 回流比 自选 d） 加热蒸汽压力 低压蒸汽（或自选） e） 单板压降 kPa。 三、 设备形式： 筛板塔或浮阀塔 四、 设计内容： 1、 设计说明书的内容 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性数据的计算； 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） 对设计过程的评述和有关问题的讨论； 2、 设计图纸要求； 1） 绘制生产工艺流程图（A2 号图纸）； 2） 绘制精馏塔设计条件图 （A2 号图纸）； 五、 设计基础数据： 1. 常压下乙醇---水体系的 t-x-y 数据； 2. 乙醇的密度、 粘度、 表面张力等物性参数。

一、 设计题目： 乙醇---水连续精馏塔的设计 二、 设计任务及操作条件： 进精馏塔的料液含乙醇 35％（质量分数， 下同）， 其余为水； 产品的乙醇含量不得低于 90％； 塔顶易挥发组分回收率为 99％， 生产能力为 50000 吨/年 90％的乙醇产品； 每年按 330 天计， 每天 24 小时连续运行。 塔顶压强 4kPa （表压） 进料热状态 自选回流比 自选 加热蒸汽压力 低压蒸汽（或自选） 单板压降 ≤0. 7kPa。 三、 设备形式： 筛板塔 四、 设计内容： 1） 精馏塔的物料衡算： 原料乙醇的组成 xF＝＝0. 1740 原料乙醇组成 xD0. 7788 塔顶易挥发组分回收率 90％ 平均摩尔质量 MF = 由于生产能力 50000 吨／ 年， . 则 qn， F 所以， qn， D 2） 塔板数的确定： 甲醇—水属非理想体系， 但可采用逐板计算求理论板数, 本设计中理论塔板数的计算采用图解法。 由乙醇和水有关物性的数据， 求的求得乙醇—水体系的相对挥发度α =5. 1016， 最小回流比的计算： 采用泡点进料， 所以 q＝1， xF， 由气液平衡方程 y ， 所以 yq， 即， 把 xF=xq=. 作 y轴平行线交操作线与 f. 如下图 即 . 求得 yq=0. 5130. 所以， 根据最小回流比计算公式 Rmin 即， Rmin=, 根据回流比 R 是最小回流比的合适倍数， 所以选择选择 2 倍。

即 R=2Rmin=0. 879.进料热状况选择为泡点进料， 所以 q=1 精馏段， 根基操作线方程： y= 所以， y=0. 468 x+0. 415 联立y=x 所以 x=xD=0. 7801 提馏段， y=联立 y=x 求得 y=2. 872x-0. 078 所以提馏段x=xw=0. 04 根据 xD， xw， 及 xq 以及操作线方程， 利用图解法在 x-y 坐标上做出平衡线与对角线并且画梯级作图如下： 由图可知， 精馏段塔板为 10. 提馏段为 5. 一个再沸器. 所以提馏段为 4 个板. 所需总塔板数为提馏段和精馏段之和， 故， 所需总塔板数为 14. 查手册得水和乙醇气液平衡数据， t 数据利用表 2 中数据由拉格朗日插值可求得Ft、Dt、Wt。 进料口Ft：61.16401 .8437.2361.167 .821 .84F t , Ft=79. 26℃ 塔顶Dt：43.899515.7872.7443.8941.7815.78D t，Dt=78. 05℃ 塔釜Wt：00 . 110090. 105 .95100w t，Wt=97. 63℃ 精馏段平均温度65.7821DFttt℃ 提馏段平均温度 445.8822wFttt℃ 由塔顶和塔底平均温度得 t=84.87263.9705.782 WtDt℃ 查手册得， 由 内 插法可得在 87. 84℃ 下， 乙醇的粘度为smpaA3790. 0， 水的粘度为smpaB3245. 0 可以有下式求得平均粘度ii x 其中 xi-进料中某组分的摩尔分数 i -该组分的粘度， 按照塔的平均温度下的液体计 则av=0. 4*0. 3790+0. 6*0. 3245=0. 3463mPaS 带入回归方程 E1=0. 563-0. 276lg)(lg0815. 0lgavav 2=0. 594 该算法为泡罩塔蒸馏塔总板效率， 则筛板塔为 E=1. 1E1=0. 653 精馏段实际板层数N精= 10/0. 653=16 提馏段实际板层数N提=4/0. 653=7 进料板位置16rN 总的塔板数Nc=16+7=23 3） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算： 一、 乙醇气液平衡数据（101. 3kPa） 表 1 如下 T/℃ 液相xa/% 气相ya/% T/℃液相xa/% 气相ya/% T/℃液相xa/% 气相ya/% 100 0 0 88. 36. 9 38. 1 82. 425 55. 5 99. 3 0. 2 2. 5 87. 97. 4 39. 2 81. 630. 6 57. 7 98. 8 0. 4 4. 2 87. 77. 9 40. 2 81. 235. 1 59. 6 97. 7 0. 8 8. 8 87. 48. 4 41. 3 80. 840 61. 4 96. 7 1. 2 12. 8 87 8. 9 42. 1 80. 445. 4 63. 4 95. 8 1. 6 16. 3 86. 79. 4 42. 9 80 50. 2 65. 4 95 2 18. 7 86. 49. 9 43. 8 79. 854 66. 9 94. 2 2. 4 21. 4 86. 210. 5 44. 6 79. 659. 6 69. 6 93. 4 2. 9 24 86 11 45. 4 79. 364. 1 71. 9 92. 6 3. 3 26. 2 85. 711. 5 46. 1 78. 870. 6 75. 8 91. 9 3. 7 28. 1 85. 412. 1 46. 9 78. 676 79. 3 91. 3 4. 2 29. 9 85. 212. 6 47. 5 78. 479. 8 81. 8 90. 8 4. 6 31. 6 85 13. 2 48. 1 78. 286 86. 4 90. 5 5. 1 33. 1 84. 813. 8 48. 7 78. 1589. 4 89. 4 89. 7 5. 5 34. 5 84. 714. 4 49. 3 95 94. 2 89. 2 6 35. 8 84. 515 49. 8 100 100 89 6. 5 37 83. 320 53. 1查阅文献， 整理有关物性数据 表 2 如下 （1） 水和乙醇的物理性质 水和乙醇的物理性质 名称 分子式 相 对 分子质量 密度20℃3/kgm 沸 点101. 33kPa ℃ 比热容 (20℃) Kg/(kg.℃) 黏度 (20℃) mPa.s 导热系数 (20℃) /(m.℃) 表面 张力    (20℃) N/m水 2H O 18. 02 998 100 4. 183 1. 005 0. 599 72. 8乙醇 25C H OH 46. 07 789 78. 3 2. 39 1. 15 0. 172 22. 8 乙醇相对分子质量： 46； 水相对分子质量： 18 由常压下乙醇-水溶液的温度组成 t-x-y 图可查得 塔顶温度 tD=78. 3℃ 泡点进料温度 tF=84. 0℃ 塔釜温度 tW=99. 9℃ 全塔平均温度CttttWFD04 .873 由 液体的 黏度 共线 图 可查 得 t=87. 4℃ 下 ， 乙 醇的 黏度 μL=0. 38mPa· s， 水的黏度μ L =0. 3269mPa· s 3269. 0)1740. 01 (38. 01740. 0LiiLx  smPa336. 0 根据物性参数数据求的求得乙 醇—水体系 的相对挥发度α=5. 1016， 根据最小回流比计算公式 Rmin=(xD-yq) /(yq-xq) 即， Rmin=(0. 7788-0. 5179) /(0. 5179-0. 1740) =0. 7586， 由于根据选择适宜的回流比， 选择 R=1. 7Rmin=1. 2896， 4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算： 塔径的计算 精馏段的气、 液相体积流率为 smVMVVMVMs/127. 1464. 1360039.3978.15036003111 smLMLLMLMs/293. 17 .782360041.3605.10036003111 提馏段的气、 液相体积流率为 smMVVVMVMs/111. 1006. 1360068.2678.1503600322'2 smMLLLMLMs/1092. 298.887360046.286 .32736003322'2 由 VVLCUmax 由下式计算20 c 由史密斯关联图查取： 精馏段： 图的横坐标为： 031. 0)464. 17 .782(3600015.023600002702. 0)(2/ 12/ 11111vLssVL 取板间距 mHT40. 0 板上液层高度 mhL05. 0， 则 HT-hL=0. 40-0. 05=0. 35m 查图得 075. 020C 0824. 0)2006.32(075. 0)20(2 . 02 . 01201LCC 111max, 1VVLCU 464. 1464. 17 .7820824. 0 =1. 903m/s 取安全系数为 0. 7， 则空塔气速为： smuu/332. 1903. 17 . 07 . 0max, 11 muVDs3871. 1334. 114. 3015. 244111 按标准塔径圆整后为1D =1. 4m 塔截面积为 222115386. 14 . 1414. 34mDAT 精馏段实际空塔气速为 smAVuTS/310. 15386. 1015. 2111 提馏段： 图的横坐标为： 046. 0)006. 198.887(3600981. 13600003081. 0)(2/ 12/ 12222vLssVL 取板间距 mHT40. 0 板上液层高度 mhL05. 0， 则 mhHLT35. 005. 040. 0 查图得 076. 020C 0919. 0)2067.51(076. 0)20(2 . 02 . 02202LCC 2222max, 2VVLCU 006. 1006. 198.8870919. 0 =1. 026m/s 取安全系数为 0. 7， 则空塔气速为： smuu/91. 1729. 27 . 07 . 0max, 22 smuVDs/15. 191. 114. 3981. 144222 按标准塔径圆整后为2D =1. 4m 塔截面积为 222225386. 14 . 1414. 34mDAT 提馏段实际空塔气速为 smAVuTS/288. 15386. 19811. 1222 精馏塔有效高度的计算 精馏塔有效高度为： mHNZT8 . 240. 0181（（））精精 提馏段有效高度为： mHNZT2 . 540. 01141（（））提提 在进料板上方开一人孔， 其高度为 0. 8m， 故精馏塔的有效高度为： mZZZ8 . 88 . 02 . 58 . 28 . 0提精 表 5 塔板间距与塔径的关系 塔 径/D， m 0. 3～0. 5 0. 5～0. 8 0. 8～1. 6 1. 6～2. 4 2. 4～4. 0 板间距/HT， mm 200～300 250～350 300～450 350～600 400～600 由表验算以上所计算的塔径对应的板间距均符合， 所以以上所假设的板间距均成立。