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1、精选优质文档-倾情为你奉上化工原理课程设计说明书设计题目： 乙醇水精馏塔设计设计者： 专业： 学号： 1指导老师： 2013年01月11日化工原理课程设计任务 设计题目：乙醇水精馏塔设计系统进料：30C处理量： 6000吨/年进料浓度：30%乙醇（质量） 处理要求：塔顶乙醇浓度94% （质量） 塔底乙醇浓度 0.3%（质量）塔顶压强：4kPa(表压)进料状态： 泡点进料回流比： 2Rmin单板压降：0.7kPa冷却水温： 30C饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压) （1 kgf=98.066kPa）加热蒸汽： 0.2 MPa（表压）设备形式： 筛板塔年工作时： 7920小时年工作日：
2、330天（每天24h连续操作）塔顶冷凝器采用全凝器 目录一、 前言二、 设计方案简介三、 工艺流程图及说明.四、 工艺计算及精馏塔设计1、 工艺条件.2、 汽液平衡数据.3、 物料衡算.4、 实际塔板数确定5、 精馏塔内汽液负荷计算6、 工艺条件及物性数据计算7、 塔和塔板主要工艺尺寸计算8、 塔板负荷性能图五、 辅助设备设选型计算六、 课程设计的其它问题.七、 选用符号说明八、 参考文献.九、 结束语前言 乙醇（C2H5OH），俗名酒精，是基本的工业原料之一，与酸碱并重，它作为再生能源犹为受人们的重视。工业上常用发酵法（C6H10O5）n和乙烯水化法制取乙醇。乙醇有相当广泛的用途，除用作燃料
3、，制造饮料和香精外，也是一种重要的有机化工原料，如用乙醇制造乙酸、乙醚等；乙醇又是一种有机溶剂，用于溶解树脂，制造涂料。众所周知，在医药卫生方面，乙醇作为消毒杀菌剂而造福于人类。人类餐饮饭桌上饮用各种酒品，乙醇也是其中不可或缺的组成部分，如：啤酒含35，葡萄酒含620，黄酒含815，白酒含5070（均为体积分数）。据有关资料表明，乙醇对人体具有营养价值。现在，乙醇成为了一种新型替代能源乙醇汽油。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。它不影响汽车的行驶性能，还减少有害气体的排放量。乙醇
4、汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，技术上成熟安全可靠，在我国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益。乙醇精馏是生产乙醇中极为关键的环节，是重要的化工单元。其工艺路线是否合理、技术装备性能之优劣、生产管理者及操作技术素质之高低，均影响乙醇生产的产量及品质。工业上用发酵法和乙烯水化法生产乙醇，单不管用何种方法生产乙醇，精馏都是其必不可少的单元操作。本次设计的精馏塔是为了精馏乙醇以得到高纯度的乙醇，要求达到塔顶馏出物浓度（94%（wt）,塔底浓度（0.1%（wt）。本设计采用填料塔，与板式塔相比，填料塔有一下优点：（1）生产能力大；
5、（2）分离效率高；（3）压力降小；（4）持液量小；（5）操作弹性设计方案简介工艺计算及精馏塔设计1、设计条件系统进料：30C处理量： 6000吨/年进料浓度：30%乙醇（质量） 处理要求：塔顶乙醇浓度 94% （质量） 塔底乙醇浓度 0.3%（质量）塔顶压强：4kPa(表压)进料状态： 泡点进料回流比： 2Rmin单板压降： 0.7kPa冷却水温： 30C饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压) （1 kgf=98.066kPa）加热蒸汽： 0.2 MPa（表压）设备形式： 筛板塔年工作时： 7920小时年工作日： 330天（每天24h连续操作）塔顶冷凝器采用全凝器2、汽液平衡数据及t-x
6、-y, x-y图（1） 乙醇和水的汽液平衡数据如下：温度t / C乙醇的摩尔分数/ %温度t / C乙醇的摩尔分数/ %液相xA汽相 yA液相xA汽相 yA1000.000.0081.532.7358.2695.51.9017.0080.739.6561.2289.07.2138.9179.850.7965.6486.79.6643.7579.751.9865.9985.312.3847.0479.357.3268.4184.116.6150.8978.7467.6373.8582.723.3754.4578.4174.7278.1582.326.0855.8078.1589.4389.43表
7、一：乙醇水二元汽液平衡数据（2）作t-x-y 和 x-y图 乙醇-水溶液的x-y图3、全塔物料衡算（1）由质量分数求摩尔分数 乙醇相对分子质量 MA=46.07g/mol；水的相对分子质量 MB=18.02 g/mol。 进料、塔顶、塔底质量分数： =30%(wt%)；=94%；=0.3%。 1437.002.18)3.01(07.463.007.463.0)1(=-+=-+=BFAFAFFMaMaMax将以上计算结果列为下表物料位置进料口塔顶塔釜摩尔分数0.14370.85970.0012表二：进料、塔顶、塔釡物料摩尔分数（2）全塔物料衡算 进料平均相对分子量：22.05kg/kmol 进料
8、量：F =12.28mol/s 物料衡算： 解得：D=1.58mol/s, W=7.96mol/s4、工艺条件物性计算 工艺条件物性的计算包括：操作压强、温度、平均分子量、平均密度、液体表面张力、液体黏度及表格。下面分别计算以上各个物性数据。4.1温度的计算为了考察精馏塔内物质的状态性质，需要计算塔内各部分的温度具体为：塔顶、进料口、塔釡、精馏段平均温度、提馏段平均温度。 利用表一中数据由拉格朗日插值可求得 ：=84.73C (=0.0.1437)：78.21 C (=0.8597)：99.72C (=0.0012)可知塔内的各个温度为下：塔顶78.21C；进料口 C；塔釡 C；精馏段平均温度
9、 C；提馏段平均温度C。4.2 操作压强乙醇、水的饱和蒸汽压可以用下式计算： 式中：p为蒸气压mmHg；A、B、C为常数；t为摄氏温度（C）物质名称温度范围t/ C安托尼常数ABC乙醇-301508.044941554.3222.65水0608.107651750.286235.0水601507.966811668.21228.0表三：乙醇、水安托尼常数（摘自：物化实验）4.2.1 塔顶压力：78.21 C，=0.8597由安托尼公式可以计算出该温度下，100.866KPa， 44.129KPa假设该物系为理想物系：92.90KPa4.2.1 进料处：C，=0.1437同上，可以计算出该温度下
10、，121.551KPa， 54.296KPa67.672KP4.2.3 塔釡：C， =0.0012（同上计算可得）221.190KPa， 100.176KPa100.828KPa4.2.4 精馏段：C平均液相组成： 0.3298所以有115.305KPa， 50.558KPa72.97KPa4.2.5 提馏段：C平均液相组成： 0.0458所以有 172.863KPa， 76.998KPa81.38KPa4.3 平均分子量的计算 利用拉格朗日插值法，结合表一中数据，计算精馏段和提馏段内平均汽液相组成。4.3.1 液相组成由以上计算可知精馏段和提馏段的液相组成分别为：0.3298，0.052。汽
11、相组成精馏段： 0.5835提馏段： 0.2804所以精馏段和提馏段的平均液相组成分别为0.3298， 0.0458，0.5835，0.2804。4.3.2 计算平均分子量精馏段： 提馏段：4.4 平均密度 4.5计算密度 用下式计算密度，混合液密度： 混合气密度：。其中：a为质量分数，为平均相对分子质量不同温度下乙醇和水的密度如下表(表示乙醇，表示水)温度/ C/kg/m3/kg/m3温度/ C/kg/m3/kg/m380735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3不同温度下乙醇和水的密度求C ，C下乙醇和水的平均密度：C， =734.
12、236 kg/m3 =967.096kg/m3同理：C ，722.22 kg/m3 965.17kg/m3精馏段：液相：= =821.989 kg/m3汽相：=1.182kg/m3 提馏段：液相 = =931.18kg/m3气相 =kg/m34.5 混合液体表面张力乙醇、水的表面张力和温度的关系如下表温度/C708090100乙醇的表面张力/ 10mN/m1817.1516.215.2水的表面张力/ mN/m64.362.660.758.8不同温度下乙醇、水的表面张力塔顶tD=78.21C乙醇的表面张力： =17.3021mN/m水的表面张力： =62.9043mN/m进料口：C乙醇表面张力：
13、 =16.70061mN/m水的表面张力： =53.612mN/m 塔釜tw=99.72C乙醇的表面张力： =6.48mN/m水的表面张力： =58.8532mN/m精馏段的平均表面张力36.0043mN/m精馏段的平均表面张力53.5497 mN/m 4.6 液体黏度4.6.1 塔顶：=78.21 C 、=0.8597，可查得在该温度下，乙醇和水的粘度分别为：0.48mPa.s，0.33mPa.s0.46mPa.s4.6.2 塔釡：C 、=0.0012，同（a）可得0.35mPa.s，0.28mPa.smPa.s4.6.3 精馏段平均黏度 由前面计算可知精馏段平均液相组成0.3298，可知平
14、均温度下，乙醇和水的粘度分别为：0.46mPa.s，0.36mPa.s。精馏段平均粘度：0.393mPa.s6.6.4 提馏段平均黏度由前面计算可知提馏段平均液相组成0.052，可知平均温度下，乙醇和水的粘度分别为：0.38mPa.s 0.30mPa.s。提馏段平均粘度：mPa.s全塔平均粘度：0.3483mPa.s4.7塔的物性数据列表位置项目进料口塔顶塔釡精馏段提馏段操作压强/kp67.67292.77100.82870.91281.38温度/ C84.7378.2199.7281.4792.225平均分子量/kg/kmol气相34.3825.88液相27.2719.30平均密度/kg/m
15、3气相1.1820.8637液相821.989931.18表面张力/mN/m36.004353.5497液体黏度/mPa.s0.45870.28000.3930.3483表六：塔内物性数据5、塔板数的确定（1）从二元气液平衡相图（x-y图）可知，本乙醇水物系的最小回流比在精馏段操作线和x-y线相切的那点。通过作图可知切点Q（0.7473,0.7819），所以 =2.248=2=4.496（2）精馏段和提馏段操作线方程精馏段：0.818+0.1564由精馏段操作线方程和q线方程（=0.1437）可确定提馏段操作线方程：（3）用逐板法计算塔板数通过计算可以求得理论塔板数为NT=17块（包括再沸器）
16、，加料板为第七块理论板，精馏段为10块，提馏段为6块（不包括再沸器）。（4）求塔板效率 用经验公式 计算塔板效率（a）精馏段 0.3930mPa.s 0.4198 （b）提馏段 0.3000 mPa.s 0.492 (5) 实际塔板数 精馏段：10/0.4198=24块；提馏段：=6/0.4925=13 =37块。6、精馏塔内汽液负荷计算 根据恒摩尔流假定，可以分别计算出精馏塔内上升蒸汽量和下降液体量。（1）精馏段摩尔流量： 8.6836mol/s9.44mol/s质量流量：0.419kg/s 0.1937kg/s体积流量：0.32525m3/s 2.310-4 m3/s（2）提馏段摩尔流量8
17、.6836mol/s 16.6436mol/s质量流量：0.2247kg/s0.3212 kg/s体积流量：0.2601 m3/s 3.410-4m3/s（七）、塔和塔板主要工艺尺寸计算1、塔径的设计史密斯关连图（1）精馏段 由，（安全系数）=0.60.8，=(C可由史密斯关联图查出)横坐标：0.022取板间距：m，m，则0.39m查图史密斯关连图可知：=0.0046，0.092=2.2299m/s取0.35=0.7804m/s 0.64m横截面积：0.7850.642=0.3215m2，空塔流速：0.7853m/s（2）提馏段横坐标：取板间距：0.45m，m，则0.39m查图史密斯关连图可知
18、：=0.048，0.1004=3.545m/s取0.35=1.24m/s 0.51m匀整到 =0.64m横截面积：0.7850.642=0.3215m2，空塔流速：0.809m/s2、 塔高的设计计算（1） 人孔 人孔作为安装和检修人员进出塔的唯一通道，其设置应当便于进出任何一层塔板。但由于设置人孔处塔板间距较大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难于达到要求，考虑到料液较清洁，无需经常清洗，可在进料处设一人孔,其高度为0.8m。精馏段的有效高度为 提镏段有效塔高为 故精馏塔的有效高度为 3溢流装置（1）堰长 对单溢流取0.7=0.70.64=0.448出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度
19、 （近似=1）（a）精馏段：=0.0042m 0.06-0.0042=0.0558m（b）提馏段：=0.0036m 0.06-0.0036=0.0564m（2）方形降液管的宽度和横截面 由0.7查表可知及则：=0.090.090.3215=0.0289m2 ，=0.15=0.150.64=0.096m验算降液管内停留时间：精馏段：56.54s提馏段：38.25s停留时间5s，故降液管可用。（3）降液管底隙高度精馏段：取降液管底隙流速为m/s，则0.0042m提馏段：取m/s，则0.0063m因为大于，故满足要求。3、塔板布置和筛孔数目与排列（1）塔板分布因为1.5m，取m，0.05m（2）筛孔
20、计算及排列 本例所处理的物系无腐蚀性，可选用4mm碳钢板，筛孔直径4mm，筛孔按正三角形排列，取孔中心距312mm。筛孔数目n为 ， =0.154m 0.27m则 =0.3313m2=2657个开孔率：10.1%4、流体力学验算（1）塔板压降 气体通过一层塔板的压降为 干板压降由下式计算 （a） 精馏段： 气体通过筛孔的速度为 7.56m/s由 查图（上册，254页）得， =0.0065m（液柱）气体通过充气液层得压降由 计算得到=0.8629m/s0.9381kg1/2/(s.m1/2)查图（上册，254页）得，=0.61 =0.610.06=0.0366m（液柱）液体表面所产生的压力将：=
21、0.004m（液柱）0.0065+0.0366+0.004=0.0471m（液柱）每层塔板的 379.8Pa（b） 提馏段： 气体通过筛孔的速度为 7.79m/s由 查图（上册，254页）得， =0.0048m（液柱）气体通过充气液层得压降由 计算得到=0.8889m/s0.8261kg1/2/(s.m1/2)查图（上册，254页）得，=0.65 =0.650.06=0.039m（液柱）液体表面所产生的压力将：=0.0058m（液柱）0.039+0.0048+0.005=0.0488m（液柱）每层塔板的 445.7Pa（2）液面落差 对于筛板塔而言，液面落差很小，且在本设计中塔径和液流量均不大
22、，故可以忽略液面落差的影响。（3）液泛 为了防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应满足，乙醇水物系属于一般物系，取。（a）精馏段： =0.5（0.45+0.0558）=0.2529m 板上不设进口堰，0.0022而 0.0471+0.06+0.0022=0.1093m=0.2529m（b）提馏段：=0.5（0.45+0.0564）=0.2532m板上不设进口堰，0.0022而 0.04880.054+0.0022=0.1074m=0.2532m塔内不会发生液泛。（1） 漏液对筛板塔，取露液量10时的汽相动能因子为7，则精馏段：5.326m/s 实际孔速m/s 稳定系数 1.41941.5提馏段：
23、8.6081m/s 实际孔速m/s 稳定系数 0.904从以上计算可知，1.5 2，所以塔内无明显漏液。（2） 液沫夹带 用式 计算液沫夹带量。精馏段：0.8629/s 2.50.06=0.15m0.0046kg液/kg气提馏段：0.8889m/s 2.50.06=0.15m0.0034kg液/kg气从以上计算结果可知， 都小于0.1kg液/kg气，所以本设计中液沫夹带量在允许的范围内。5塔板负荷性能图（以精馏段为例）（1）漏液线 7.358m/s = 0.2455m3/s 据此可以做出液体流量无关的水平漏液线（2）液沫夹带线 以=0.1kg液/kg气为限，计算的关系 ， ，=0.0558m
24、=1.13252/3联立以上几式可以得到化简后的关系为下：通过以上关系式可以作出液沫夹带线。（3）液相负荷下限线对于平直堰，取上堰液层高度m作为最小液体负荷标准。由 =0.001m 0.00088m3/s据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。（4）液相负荷上限线 以 5s作为液体在降液管中停留时间的下限，5m3/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线。（5）液泛线通过下式计算液泛线 。其中 （其中 ）； ；将有关数据带入可以求得0.1028=0.50.45+(0.5-0.61-1)0.0588=0.163=0.153/(0.4480.0042)2=11065=1.8234 列
25、表计算如下：Ls / m3/s0.0040.00060.00080.0010Vs / m3/s3.78413.71743.64233.5568表六：由以上数据即可做出液泛线。筛板塔工艺设计计算结果序号项目（名称、符号、单位）精馏段提馏段备注1塔径 m0.640.642板间距 /m0.450.453溢流型式4降液管型式5堰长 /m0.4486堰高 /m0.05580.05647板上液层高度 /m8堰上液层高度/m9降液管底隙高度 /m0.00420.006310筛孔直径 /m0.0040.00411筛孔数目n/个2657265712孔心距 /m0.0120.01213安定区宽度 /m0.070.
26、0714边缘区宽度 /m0.050.0515鼓泡区面积 /m216开孔率 /%101017空塔气速 /(m/s)0.78530.80918筛孔气速 /(m/s)7.567.7919稳定系数 1.670.09420每层塔板压降 /Pa21气相负荷上限 /(m3/s)22气相负荷下限 /(m3/s)23操作弹性24五、精馏塔附属设备的设计选型 1、换热器的计算与选型换热器包括塔顶全凝器、塔底再沸器、原料加热器，下面分别对各个换热器进行计算并且选取适合的设备型号。1.1 塔顶全凝器 假设本设计塔顶采用泡点回流，用25 C的冷却水循环冷却，冷却水升温15C；操作方式为逆流操作。塔顶温度78.21C，冷
27、却水温度变化为25 C40 C。查图（上册514页）可知78.21C下乙醇和水的汽化热分别为：857kJ/kg=85746.07=39482kJ/kmol2357 kJ/kg=235718.02=42473 kJ/kmol逆流：塔顶 t 78.21C 78.21C C 水 t 40 C 25 C 53.21C45.30C对塔顶冷凝部分混合物（溜出液）进行热量衡算，可得到8.683610-30.859739482+0.140342473=346.4898 kJ/s有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为5001500kcal/(m2.h. C)本设计中取 K2996J/(m2. h. C
28、)所以传热面积：9.1907m21.2 原料加热器 原料液用饱和蒸汽加热（30），逆流操作，原料液温度从25 C升高到85.07C。C，14.93C，14.67 C不同温度下乙醇和水的比热容为，经查图（上册510页）可知C时 2.37 kJ/(kg .k) 4.179 kJ/(kg .k)C时 3.66 kJ/(kg .k) 4.20kJ/(kg .k)则平均比热容为：2.968kJ/(kg .k) 4.189 kJ/(kg .k)3.8277 kJ/(kg .k)所以 48.3303 kJ/s传热系数取 K=450W/(m2.C) 则0.m21.2 塔底再沸器选用120C饱和水蒸气加热，逆流
29、操作，传热系数取K2996J/(m2. h. C)，料液温度变化：99.72C100 C，蒸汽温度变化：120C120C，C，20C，20.1396 C。查图（上册514页）可知99.72C下乙醇和水的汽化热分别为：803kJ/kg=80346.07=36994kJ/kmol2257 kJ/kg=225718.02=40671 kJ/kmol8.683610-30.001236994+0.998840671=353.1323kJ/s所以传热面积：21.0691m2四 设计符号说明 填料的有效比表面积 ； 塔板上泡层高度 ； 调料的总比表面积 ； 与板上液层阻力相当的液柱高度 ； 允许的最大填料
30、层高度 ； 塔板开孔区面积 ； 降液管截面积 ； 降液管的底隙高度 ； 塔截面积 ； 堰上液层高度 ； 筛孔总面积 ； 出口堰高度 ； 流量系数 无因次； 进口堰高度 ； 计算时的负荷系数 ； 与克服表面张力压降相当的液柱高度 液柱； 气相负荷因子 ； 板式塔高度 ； 填料直径 ； 塔底空间高度 ； 筛孔直径 ； 降液管内清液层高度 ； 塔径 ； 塔顶空间高度 ； 液体扩散系数 ； 进料板处塔板间距 ； 气体扩散系数 ； 气相总传质单元高度 ； 液沫夹带量 ； 人孔处塔板间距 ； 液流收缩系数 无因次； 封头高度 ； 总板效率 无因次； 裙座高度 ； 气相动能因子 ； 等板高度 ； 重力加速度
31、 9.81； 稳定系数 无因次； 与干板压降相当的液柱高度 ； 与液体流过降液管的压降相当的液柱高度 ； 液体体积流量 ； 气相总吸收系数 ； 液体体积流量 ； 堰长 ； 润湿速率 ； 弓形降液管宽度 ； 相平衡常数 无因次； 破沫区宽度 ； 气相总传质单元数 理论板层数 操作压力 ； 压力降 ； 筛孔数目 鼓泡区半径 ； 筛板的中心距 ； 空塔气速 ； 泛点气速 ； 气体通过筛板的速度 ； 粘度 ； 漏液点气速 ； 液体通过降液管底隙的速度 ； 气体体积流量 ； 液体质量流量 ； 气体质量流量 ； 液相摩尔分数 气相摩尔分数 气相摩尔比 板式塔的有效高度 ； 充气系数 无因次； 筛板厚度 ； 空隙率 无因次； 液体在降液管内停留时间 ；