分离乙醇水的精馏塔设计
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 xF0.1740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，D2） 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=5.1016，最小回流比的计算：采用泡点进料，所以q1，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、。进料口： , =79.26塔顶：，=78.05塔釜：，=97.63精馏段平均温度提馏段平均温度 由塔顶和塔底平均温度得=查手册得，由内插法可得在87.84下，乙醇的粘度为，水的粘度为可以有下式求得平均粘度其中xi-进料中某组分的摩尔分数-该组分的粘度，按照塔的平均温度下的液体计则=0.4*0.3790+0.6*0.3245=0.3463mPaS带入回归方程E1=0.563-0.276lg2=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 = 10/0.653=16提馏段实际板层数 =4/0.653=7进料板位置 总的塔板数 Nc=16+7=233） 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/%1000088.36.938.182.42555.599.30.22.587.97.439.281.630.657.798.80.44.287.77.940.281.235.159.697.70.88.887.48.441.380.84061.496.71.212.8878.942.180.445.463.495.81.616.386.79.442.98050.265.495218.786.49.943.879.85466.994.22.421.486.210.544.679.659.669.693.42.924861145.479.364.171.992.63.326.285.711.546.178.870.675.891.93.728.185.412.146.978.67679.391.34.229.985.212.647.578.479.881.890.84.631.68513.248.178.28686.490.55.133.184.813.848.778.1589.489.489.75.534.584.714.449.39594.289.2635.884.51549.8100100896.53783.32053.1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18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.8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全塔平均温度由液体的黏度共线图可查得t=87.4下，乙醇的黏度L=0.38mPa·s，水的黏度L =0.3269mPa·s 根据物性参数数据求的求得乙醇水体系的相对挥发度=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 提馏段的气、液相体积流率为由 由下式计算由史密斯关联图查取：精馏段：图的横坐标为：取板间距 板上液层高度 ，则 HT-hL=0.40-0.05=0.35m查图得 =1.903m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为=1.4m塔截面积为 精馏段实际空塔气速为 提馏段：图的横坐标为：取板间距 板上液层高度 ，则查图得 =1.026m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为=1.4m塔截面积为 提馏段实际空塔气速为 精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度为： 提馏段有效高度为：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： 表5 塔板间距与塔径的关系塔 径/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/HT，mm200300250350300450350600400600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。5）塔板主要工艺尺寸的计算；溢流装置计算因塔径D=1.4m ,可选用单溢弓形降液管,采用凹形受液盘.各项计算如下: 堰长的计算 堰长一般根据经验公式确定，对于常用的弓形降液管：单溢流 堰长 lw取 溢流堰高度的计算溢流堰高度可由下式计算：式中：板上清液层高度，m；一般取50100 堰上液层高度，；一般设计时不宜超过6070 mm. 对于平直堰，堰上液层高度可用弗兰西斯（Francis）公式计算，即式中：塔内液体流量， 液体收缩系数。近似取E=1 精馏段： ，故取则取板上清液层高度 故 提馏段： ， 故取 则取板上清液层高度 故 弓形降液管宽度Wd及截面积AF精馏段： 由 查弓形降液管的参数表得：得： 液体在降液管中停留时间,按式，即故降液管设计合理，可以实现分离。提馏段：由查弓型降液管参数图得：得： 液体在降液管中停留时间,按式，即故降液管设计合理，可以实现分离。3.5.1.4 降液管底隙高度h0式中：液体通过底隙时的流速， 根据经验，取=0.060.25精馏段：取 则故降液管底隙高度设计合理.选用凹形受液盘深度：提馏段：取 则
