水-乙醇连续精馏板式塔设计任务书

1、第一章 工艺流程的选择及示意图第一节 概述一、精馏操作在化工生产中的应用在化工、石油、轻工等生产过程中，原料和中间产品有许多是由几具组分组成的液相均相混合物(或称混合液、溶液)，为了对某些组分进行提纯，或回收其中有用的组分，常需将混合液进行分离。精馏就是最为常用的分离方法之一。该设计中，用精馏的方法来分离乙醇和水的混合物。二、精馏分离的依据精馏是利用混合物中各组分挥发性不同这一性质，将混合物中各组分进行分离的单元操作。由于乙醇比水在同样的条件下更易挥发，因此，乙醇为易挥发组分，水为难挥发组分。第二节 设计方案的确定一、 操作压力精馏操作通常可在常压、加压、减压下进行，确定操作压力主要是根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于沸点低、常压下呈气态的物料必须在加压下进行蒸馏。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当地提高操作压力，可以提高塔的处理能力。但相对挥发度有所下降。对热敏性的物料和高沸点物料常采用减压精馏操作，

2、降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低温位的加热剂。但降低压力也导致塔径增加和塔顶蒸汽温度的降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。本设计为3atm压力下操作。二、加热方式 本设计的精馏塔采用间接蒸汽加热。三、进料状态进料的热状态指进料的q值，q的定义为使每千摩尔进料变成饱和蒸汽所需的热量与每千摩尔进料的汽化潜热之比。进料状态主要有五种：冷进料、泡点进料、气、液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸气进料等。其中泡点进料的操作比较容易控制，并且不受季节气温的影响；另外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造时也比较方便。所以本设计操作选择泡点进料,即q=1。四、热能利用蒸馏过程的特性是重复地进行汽化和冷凝，因此，热效率很低，其蒸馏系统的热能利用问题非常重要。五、艺流程示意图第二章 精馏塔的工艺设计计算及结构设计第一节 引言精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气、液两相传质用的塔设备首先必须要能使气、液两相得到充分接触，以达到较高的传质效率。塔设备设计要具备下列各种基本要求：1、 气、液处理量大，即当生产能力大

3、时，仍不致发生大量的雾沫夹带，拦液或液泛等破坏操作的现象。2、 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气、液负荷有较大范围的变动，仍能在较高的传质效率下进行稳定操作，并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。3、 流体流动的阻力少，可降低操作费用。4、 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。5、 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节和检修。6、 塔内的滞留量要小。第二节 原始数据原始液：乙醇和水的混合物生产能力4500kg/h 进料组成41%（质量分率）原料液温度20塔顶产品组成94%塔底产品组成0.1%操作压力40000Pa热源条件3.0atm第三节 物料衡算1、挥发度高的乙醇作为轻组分在塔顶分出，挥发度低的水作为重组分在塔底分出。2、乙醇的分子式为，分子量为46.07kg/kmol;水的分子式为，分子量为18.02kg/kmol.3、将质量分率换算成摩尔分率原料组成： 参考文献（4）下册馏出液组成： 釜出液组成： 4、原料液摩尔流量原料液平均分子量：塔顶平均分子量： 塔底平均分子量：精馏段平均分子量： 提馏段平均分子量：单位：Kg/Kmol23.53241.301520.82532.41682

4、2.17855、回流比的确定 根据乙醇水溶液气液平衡数据，在常压下作（y-X）平衡相图。作X=直线与对角线相交于a点，过a 点作相平衡曲线的切线，交轴于b点。此切线为精馏段操作线，=(0.83-0.468)/(0.83-0.192)=0.5674 参考文献（4）下册R=(1.1-2.0),截距b=,原料液为泡点进料q=1.于是有回流比与板数的关系：序号的倍数R截距b理论塔板数N11.21.57390.3225222 1.41.83620.29261731.62.09860.26791541.82.36090.24701352.02.62320.229112 任意选定以上表中的五种回流比，作R-N图，从而选出合适的回流比R=1.6395，相对应的理论塔板数N=17块。6、 原料的摩尔流量： 参考文献（4）下册7、 列物料衡算方程式 参考文献（4）下册8、 求解：9、解得： D=46.6253kmol/h W=306.0847kmol/h10、计算结果列于下表：组分进料液塔顶产品塔底产品进料量F （kmol/h）摩尔百分率馏出液D（kmol/h）摩尔百分率釜液W（kmol/h）摩尔百分率6

5、9.3075 0.196538.6990 0.8330.60850.10283.40250.80357.9263 0.17275.4762 0.9混合液352.71 146.6253 1306.08471第四节 塔温的确定由于各操作阶段的乙醇和水的质量百分含量已确定，所以根据乙醇和水的质量百分含量，查得各组分的温度和密度：温度密度塔顶乙醇的摩尔分率：进料的乙醇摩尔分率：塔底乙醇的摩尔分率：第五节 塔板数的确定 本设计采用图解法计算塔板数，（如附图一）直角梯级条件并不完全符合，会引起一定的误差，但具有简便的优点。图解法的步骤如下：在y-x图中画出待分离混合液（乙醇和水）的平衡线与y-x的对角线；作的垂线与对角线交于点在y轴上定出点,连结ab,画出精馏段操作线； 作的垂线与对角线交于点，过e点作斜率为q=1的ef线，此线与ab线交于点d；作的垂线与对角线交于点，连接cd可画出提馏段操作线；从点a开始，在平衡线与精馏段操作线间画阶梯，跨过d点后改在平衡线与提馏段操作线间画阶梯，直到到达或跨过的垂线为止，所画的阶梯数就是所需理论斑层数（包括塔釜）从附图和先前确定的最佳回流比R=1.6395，在

6、气液平衡相图上作得理论塔板数为=17块，进料位置是第16块。第六节 理论塔板数及进料位置的确定（3）全塔效率的计算（根据“奥康内尔的精馏塔效率关联图”来估算塔效率）当t=81.2，查乙醇水溶液气液平衡数据表，得x0.4052,0.6156参考文献（6）附表 参考文献（4）下册当t=83.6，查乙醇水溶液气液平衡数据表，得x0.1972,0.5093因为在精馏塔内，当压力和温度的变化都比较小时，可取塔顶与塔底相对挥发度的几何平均值作为全塔的平均值相对挥发度，即进料液在塔顶与塔底的平均温度下粘度：查t=82.4时，乙醇粘度为：，水的粘度为：查“奥康内尔的精馏塔效率关联图”得=47实际塔板数p=17/0.47=36块 参考文献（5）P53实际加料板:N=16/0.47=34块，即第34板为加料板。取（塔板间距）为0.4m，则塔的有效高度：第七节 热量衡算计算加热蒸汽量 参考文献（4）下册(1). 原料液带入的热量由于从乙醇水混合物的热焓表，查得(2). 回流液带入的热量由于78.9从乙醇水混合物的比热表查得(3). 塔顶蒸汽带出热量V=1175.1KJ/kg(4). 塔釜液带出的热量因塔釜中

7、乙醇的含量很少，故可以近似按水记查塔底温度下（w=86.80）水的比热4.522KJ/(kg)（5）. 加热蒸汽用量查饱和水蒸汽表，1.0atm ,饱和水蒸气的气化潜热为2476.8KJ/Kg=(5972882.298+2501940.139-3360824.549-823528.6971)/2476.8=1732.2631kg/h计算冷却用水量设冷却水进出口温度分别和冷却用水量： 第八节 塔和塔板主要工艺尺寸设计 计算塔径时，根据适宜的空塔气速，求出塔的截面积即可求出塔径。塔径D 按各操作阶段的温度，分别查出乙醇水溶液与蒸汽的密度：精馏段的平均密度精馏段的平均密度 气相密度提馏段的平均密度气相密度精馏段下流液量： L=RD=1.639546.6253=76.4422 kom/h 精馏段上升液量: V=L+D=76.4422+46.6253=123.0675kom/h 液气动能参数为：选取查图，得由于原料的温度为20，查乙醇水溶液的表面张力表，由乙醇浓度为%，查得=0.0245N/m0.073 参考文献（5）P25最大允许气速取安全系数为0.75，则适宜空塔速度为：u=0.752.58

8、2=1.9881m/s由下式计算精馏段的塔径： 参考文献（5）P25按标准塔径尺寸圆整，取D=1.0m；提馏段下流液量： 提馏段上升液量：液气动能参数为：选取查图，得由于原料的温度为20，查乙醇水溶液的表面张力，由乙醇浓度为10%，查得=0.0265N/m0.073 参考文献（5）P25最大允许气速取安全系数为0.75，则适宜空塔速度为：u=0.752.7413=2.0560m/s由下式计算精馏段的塔径：按标准塔径尺寸和精馏段的塔径圆整，此精馏塔的塔径取=1.0m；那么实际塔截面面积： 参考文献（5）P86实际空塔速度： 安全系数： 在0.6-0.8范围之间，合适。名称单位mol/hm3/s123.06751.443376.4422123.06751.0005205.664第九节 浮阀塔的选定及工艺尺寸的确定浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它兼有了泡罩塔和筛板塔的特点：、处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20-40%，而接近于筛板塔。

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