化工原理万吨乙醇水溶液连续精馏塔设计课程设计

化工与制药学院

课程设计说明书

题目: 1.5万吨乙醇~水溶液连续精馏塔设计学院: 化工与制药学院

专业班级:

学生姓名:

学号:

同组者:

指导老师:

完成日期: 年月日

09生技1班化工原理课程设计任务书一、课程设计题目

乙醇-水溶液连续精馏塔设计

二、课程设计的内容

1．设计方案的确定

2．带控制点的工艺流程图的确定

3．操作条件的选择（包括操作压强、进料状态、回流比等）4．塔的工艺计算

（1）全塔物料衡算

（2）最佳回流比的确定

（3）理论板及实际板的确定

（4）塔径的计算

（5）降液管及溢流堰尺寸的确定

（6）浮阀数及排列方式（筛板孔径及排列方式）的确定

（7）塔板流动性能的校核

（8）塔板负荷性能图的绘制

（9）塔板设计结果汇总表

5．辅助设备工艺计算

（1）换热器的面积计算及选型

（2）各种接管管径的计算及选型

（3）泵的扬程计算及选型

6．塔设备的结构设计：（包括塔盘、裙座、进出口料管）

三、课程设计的要求

1、撰写课程设计说明书一份

2、工艺流程图一张

3、设备总装图一张

四、课程设计所需的主要技术参数

原料：乙醇-水溶液

原料温度： 30℃

处理量： 1.5万吨/年

原料组成（乙醇的质量分数）：50%

产品要求：塔顶产品中乙醇的质量分数： 94%；

塔顶产品中乙醇的回收率：99%

生产时间： 300天（7200 h）

冷却水进口温度：30℃

加热介质： 0.6MPa饱和水蒸汽

五、课程设计的进度安排

1、查找资料，初步确定设计方案及设计内容，1-2天

2、根据设计要求进行设计，确定设计说明书初稿，2-3天

3、撰写设计说明书，总装图，答辩，4-5天

六、课程设计考核方式与评分方法

指导教师根据学生的平时表现、设计说明书、绘图质量及答辩情况评定成绩，采用百分制。

其中：平时表现20%

设计说明书40%

绘图质量20%

答辩20%

指导教师：王为国

学科部负责人：

年月日

化工与制药学院

《课程设计》综合成绩评定表

年月日年月日

目录

一、概述

1.1 设计依据 (1)

1.2 技术来源 (1)

1.3 设计任务及要求 (2)

二：计算过程

1.塔型选择 (2)

2.操作条件的确定 (3)

2.1 操作压力 (3)

2.2 进料状态 (3)

2.3 加热方式 (3)

2.4 热能利用 (3)

3. 有关的工艺计算

3.1 最小回流比及操作回流比的确定 (4)

3.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 (4)

3.3 全凝器冷凝介质的消耗量 (6)

3.4理论塔板层数的确定 (6)

3.5全塔效率的估算 (8)

3.6 实际塔板数 (9)

4. 精馏塔主题尺寸的计算

4.1 精馏段与提馏段的体积流量 (9)

4.1.1 精馏段 (9)

4.1.2 提馏段 (10)

4.2 塔径的计算 (11)

4.3 塔高的计算 (13)

5. 塔板结构尺寸的确定

5.1 塔板尺寸 (13)

5.2 弓形降液管 (14)

5.2.2 降液管底隙高度h0 (14)

5.3 浮阀数目及排列 (14)

5.3.1 浮阀数目 (14)

5.3.2 排列 (15)

5.3.3 校核 (16)

6. 流体力学验算

6.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降) (17)

6.1.1 干板阻力 (17)

6.1.2 板上充气液层阻力 (17)

6.1.3 由表面张力引起的阻力 (17)

6.2 漏液验算 (17)

6.3 液泛验算 (18)

6.4 雾沫夹带验算 (18)

7. 操作性能负荷图

7.1 雾沫夹带上限线 (19)

7.2 液泛线 (19)

7.3 液体负荷上限线 (19)

7.4 漏液线 (20)

7.5 液相负荷下限线 (20)

7.6 操作性能负荷图 (20)

8. 各接管尺寸的确定

8.1 进料管 (22)

8.2 釜残液出料管 (22)

8.3 回流液管 (23)

8.4 塔顶上升蒸汽管 (23)

8.5 水蒸汽进口管 (23)

9 辅助设备的选取

9.1 冷凝器 (24)

三、设计一览表 (24)

四、设计小结 (26)

附录：工艺流程图

设备总装图

一:概述

乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇必须通过一定的方法。

要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，最简单的方法就是用连续

精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。

乙醇~水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理

化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。

长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇~水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇`水体系的精馏设备是非常重要的。

塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。

1.1 设计依据

本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。

1.2 技术来源

目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。

1.3 设计任务及要求

原料：乙醇~水溶液，年产量1.5万吨

乙醇含量：45%(质量分数)，原料液温度：30℃

设计要求：塔顶的乙醇含量不小于94%(质量分数)

塔顶的乙醇回收率99%(质量分数)

二：计算过程

1. 塔型选择

根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为2083kg/h，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。其被广泛使用原因浮阀塔的主要特点如下：

①操作弹性大，在较宽的气液负荷变化范围内均可保持高的板效率。其弹性范围为5-9，比筛板塔和泡罩塔的弹性范围都大；

②处理能力大，比泡罩塔大20％-40％，但比筛板塔略小；

③气体为水平方向吹出，气液接触良好，雾沫夹带量小，塔板效率高，一般比泡罩塔高15％左右；

④干板压降比泡罩塔小，但比筛板塔大；

⑤结构简单、安装方便，制造费用约为泡罩塔的60%-80％，为筛板塔的120％-130％；

2. 操作条件的确定

2.1 操作压力

由于乙醇~水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压

其中塔顶压力为5

?

1.0132510Pa

塔底压力5

?+

N Pa

[1.0132510(265~530)]

2.2 进料状态

虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料

2.3 加热方式

精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇~水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。

2.4 热能利用

精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。

3. 有关的工艺计算

由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。

原料液的摩尔组成：

2425

.0n n n x 48

554645

46452f 2222==++=O

H OH CH CH

OH CH CH

同理可求得：0.7788,0.002D W x x == 原料液的平均摩尔质量：

322(1)0.2812460.7188)1825.87/f f CH CH OH f H O M x M x M kg kmol =+-=?+?=同理可

求得：39.81/,18.1/D W M kg kmol M kg kmol ==

30℃下，原料液中23233995.7/,780.97/H O CH CH OH kg m kg m ρρ==

由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表2。

3.1 最小回流比及操作回流比的确定

由于是泡点进料，0.2812q f x x ==，过点(0.2812,0.2812)e 做直线0.2812x =交平衡线于点d ，由点d 可读得0.567q y =，因此：

min(1)0.77880.567

0.7410.5670.2812

d q q q

x y R y x --=

=

=--

又过点(0.779,0.779)a 作平衡线的切线，切点为g ，读得其坐标为

'0.55,'0.678q q x y ==

min(2)'0.77880.678

0.788''

0.6780.55

D q q q x y R y x --=

=

=--

所以，min min(2)0.788R R == 可取操作回流比min 1(/ 1.27)R R R ==

3.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 以年工作日为300天，每天开车24小时计，进料量为：

4

1.51093.42/300242

2.3

F kmol h ?==??

由全塔的物料衡算方程可写出：

=

D

F

DX FX ηW X =0.002 0V F D W +=+00y =(蒸汽) 33.39/D kmol h = 00f D W V y Fx Dx Wx +=+126.79/W kmol h =

'W L L qF RD qF ==+=+1q =(泡点) 066.76/V kmol h =

3.3 全凝器冷凝介质的消耗量

塔顶全凝器的热负荷：(1)()C VD LD Q R D I I =+- 可以查得1266/,253.9/VD LD I kJ kg I kJ kg ==，所以

6(11)33.3939.81(1266253.9) 2.710/C Q kJ h =+??-=?

取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为30℃和40℃则 平均温度下的比热 4.174/pc c kJ kg C =?o，于是冷凝水用量可求：

6

21 2.71064686.2/() 4.174(4030)

C C pc Q W kg h c t t ?===-?-

3.4理论塔板层数的确定 精馏段操作线方程：

10.50.38911

D n n n x R

y x x R R +=

+=+++ 提馏段操作线方程：

100

1.90.0038n m w m W W

y

x x x V V +=

-=- q 线方程：0.2812x =

表1 乙醇~水溶液体系的平衡数据

液相中乙醇的含量(摩尔分数)

汽相中乙醇的含量(摩尔分数)

液相中乙醇的含量(摩尔分数)

汽相中乙醇的含量(摩尔分数)

0.0 0.0 0.40 0.614 0.004 0.053 0.45 0.635 0.01 0.11 0.50 0.657 0.02 0.175 0.55 0.678 0.04 0.273 0.60 0.698 0.06 0.34 0.65 0.725 0.08 0.392 0.70 0.755 0.10 0.43 0.75 0.785 0.14 0.482 0.80 0.82 0.18 0.513 0.85 0.855 0.20 0.525 0.894 0.894 0.25 0.551 0.90 0.898 0.30 0.575 0.95 0.942 0.35

0.595

1.0

1.0

在~y x 相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出

17T N =块(含塔釜)

其中，精馏段13块，提馏段4块。 3.5全塔效率的估算

用奥康奈尔法('O conenell )对全塔效率进行估算： 由相平衡方程式1(1)x y x αα=

+-可得(1)

(1)

y x x y α-=-

根据乙醇~水体系的相平衡数据可以查得：

10.7788D y x ==10.741x =(塔顶第一块板) 0.567f y =0.2812f x =(加料板)

0.002w x =0.026w y =(塔釜)

因此可以求得：

1 1.231, 3.35,13.32f w ααα=== 全塔的相对平均挥发度：

3.8m α=== 全塔的平均温度：

78.628099.38

863

3

D f W

m t t t t C ++++=

=

=o

在温度m t 下查得2320.335,0.395H O CH CH OH mPa s mPa s μμ=?=? 因为L i Li x μμ=∑

所以，0.28120.395(10.2812)0.3350.352Lf mPa s μ=?+-?=? 全塔液体的平均粘度：

()/3(0.3350.3820.352)/30.356Lm Lf LD LW mPa s μμμμ=++=++=? 全塔效率0.2450.245

1

0.49()0.4945.5%(3.80.356)

T L E αμ-==?

≈?

3.6 实际塔板数P N

/17/0.45537.4P T T N N E ===，即38块(含塔釜)

其中，精馏段的塔板数为：13/0.45528.6=，即29块 4. 精馏塔主题尺寸的计算 4.1 精馏段与提馏段的体积流量 4.1.1精馏段

整理精馏段的已知数据列于表3(见下页)，由表中数据可知： 液相平均摩尔质量：1

25.8738.75

32.31/22

f M M M k

g kmol ++=

=

=

液相平均温度：8078.62

79.32

2

f D

m t t t C ++=

=

=o 表3 精馏段的已知数据

在平均温度下查得23233971.8/,738/H O CH CH OH kg m kg m ρρ== 液相平均密度为：

3

2

2

''

11

Lm

Lm

Lm

CH CH OH

H O

x x ρρρ-=

+

其中，平均质量分数'

0.50.88

0.692

Lm x +=

= 所以，3794.9/Lm kg m ρ=

精馏段的液相负荷33.39/L RD kmol h ==

333.3932.31

1.357/794.9

n Lm

LM

L m h ρ?=

=

=

同理可计算出精馏段的汽相负荷。精馏段的负荷列于表4。

表4 精馏段的汽液相负荷

4.1.2提馏段

整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表6。

表5 提馏段的已知数据

表6 提馏段的汽液相负荷

4.2 塔径的计算

由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道： 汽塔的平均蒸汽流量：

3() 1.073 1.1

1.09/22

SJ ST S V V V m s ++=

== 汽塔的平均液相流量：

3()0.0003770.000869

0.000623/22

SJ ST S L L m s ++=

== 汽塔的汽相平均密度：

31.2740.878

1.076/2

2VJ VT

V kg m ρρρ++=

=

=

汽塔的液相平均密度：

3794.9889.2

842.05/2

2

LJ LT

L kg m ρρρ++=

=

=

塔径可以由下面的公式给出：

D =

由于适宜的空塔气速max (0.6~0.8)u u =，因此，需先计算出最大允许气速max u 。

max u =

取塔板间距0.4T H m =，板上液层高度1600.06h mm m ==，那么分离空间：

10.40.060.34T H h m -=-=

功能参数：(

0.0382S S L V == 从史密斯关联图查得：200.073C =，由于0.220()20

C C σ

=，需先求平均表面张力：

全塔平均温度

76.28099.38

86.1933D F W T T T C ++++==o，在此温度下，乙醇的平均摩尔分数为0.7410.28120.002

0.3413

++=，所以，液体的临界温度：

0.307(273243)(10.307)(273342.2)609c i ic T xT K ==?++-?+=∑ 设计要求条件下乙醇~水溶液的表面张力2126/dyn m σ= 平均塔温下乙醇~水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：

1.22211

()mc mc T T T T σσ-=-， 1.2

2609(27386.5)[

]2619.95/609(27325)dyn cm σ-+=?=-+ 所以：

0.2

46.30.073(

)0.08620

C ==

max 0.086 2.4/u m s === 0.7 2.4 1.68/u m s =?=

0.909D m =

=

根据塔径系列尺寸圆整为1000D mm = 此时，精馏段的上升蒸汽速度为：

22

44 1.073

1.37/1SJ J V u m s D ππ?=

==? 提馏段的上升蒸汽速度为：

2

4 1.4/ST

T V u m s D π=

=

4.3 塔高的计算

塔的高度可以由下式计算：

(2)P T T F W Z H N S H SH H H =+--+++

已知实际塔板数为40N =块，板间距0.4T H m =由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目S 为：

38

148

S =

-=个 取人孔两板之间的间距0.6T H m =，则塔顶空间 1.2D H m =，塔底空间 2.5W H m =，进料板空间高度0.5F H m =，那么，全塔高度：

1.2(3824)0.440.60.5

2.519.4Z m =+--?+?++=

5. 塔板结构尺寸的确定 5.1 塔板尺寸

由于塔径大于800mm ，所以采用单溢流型分块式塔板。 取无效边缘区宽度40C W mm =，破沫区宽度70S W mm =， 查得705W l mm =

弓形溢流管宽度146d W mm = 弓形降液管面积20.0706f A m =

/0.0706/0.78540.09f T A A ==

/20.50.040.46C R D W m =-=-=

/20.50.1460.070.284d S x D W W m =--=--=

验算：

液体在精馏段降液管内的停留时间