乙醇-水连续板式精馏塔课程设计

**学院

课程设计说明书

课程名称：化工原理课程设计

题目：乙醇-水分离过程板式连续精馏塔设计

学生姓名：*** 学号： ************ 系别：环境与建筑工程系

专业班级：

指导老师：

2012年5月

目录

1.设计方案确定 (1)

2 操作条件和基础数据 (2)

3 精馏塔的物料衡算 (2)

3.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 (2)

3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (2)

3.3 料液及塔顶、塔底产品的摩尔流率 (2)

3.4热量衡算 (3)

4 塔板数的确定 (7)

4.1 理论板层数NT的求取 (7)

4.1.1求最小回流比及操作回流比 (7)

5 精馏塔的工艺条件及相关物性数据的计算： (10)

5.1填料的选择 (15)

6 塔径设计计算 (16)

7填料层高度的计算 (18)

8附属设备及主要附件的选项计算 (19)

8.1 冷凝器 (19)

8.2 加热器 (20)

8.3 塔管径的计算及选择 (20)

8.4 液体分布器 (21)

8.5 填料及支撑板的选择 (23)

8.6 塔釜设计 (23)

8.7塔的顶部空间高度 (24)

8.8人孔的设计 (24)

8.9裙座的设计 (24)

9 对设计过程的评述和有关问题的讨论 (25)

9.1 进料热状况的选取 (25)

9.2 回流比的选取 (26)

9.3 理论塔板数的确定 (26)

10设计结果的自我总结与评价 (26)

参考文献 (28)

1 设计方案确定

泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，回流比较大，故操作回流比取最小回流比的1.1倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

规整填料塔与筛板塔相比，有以下优点

1)压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质 不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下 规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5~1/6

2)热、质交换充分 分离效率高 使产品的提取率提高

3)操作弹性大 不产生液泛或漏液 所以负荷调节范围大 适应性强。负荷调节范围可以在30% 110% 筛板塔的调节范围在70%~100%

4)液体滞留量少 启动和负荷调节速度快

5)可节约能源。由于阻力小 空气进塔压力可降低0.07MPa左右 因而使空气压缩能耗减少6.5%左右

6)塔径可以减小。此外，应用规整填料后 由于当量理论塔板的压差减小 全精馏制氩可能实现 氩提取率提高10%~15%

2 操作条件和基础数据

进料中乙醇含量（质量分数） wf=0.35； 产品中乙醇含量（质量分数） wd=0.9； 塔釜中乙醇含量（质量分数） ww<0.005； 生产能力 D′=48000吨/年； 塔顶操作压力 101.3kPa (表压)操作； 进料热状况 泡点进料； 根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算如下。

3 精馏塔的物料衡算

3.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

乙醇的摩尔质量 k m o l kg M A /07.46= 水的摩尔质量 k m o l kg M B /02.18= x F =0.35/46.07

0.35/46.07+0.65/18.02 =0.174 x D =0.9/46.07

0.9/46.07+0.1/18.02 =0.779 x W =0.05/46.07

0.05/46.07+0.95/18.02 =1.693×10-3

3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

M F =0.174×46.07+（1-0.174）×18.02=22.9007 M D =0.779×46.07+（1-0.779）×18.02=39.871 M W =0.001963×46.07+（1-0.001963）×18..02=18.075

3.3 料液及塔顶、塔底产品的摩尔流率

依给定条件：一年以300天、一天以24小时计，有W’=48000t/年=6666.67kg/h

全塔物料衡算

F’=D’+W’

0.35F’=0.90D’+0.005

3.4 热量衡算

a．加热介质和冷却剂的选择

(a)加热介质的选择。常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气，饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确的控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达到100~1000℃，适用于高温加热。缺点是烟道气比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa的饱和水蒸气作加热器介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低。塔结构也不复杂。

（b）冷却剂的选择。常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制。冷却水一般为10~25℃。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。

b.冷凝器的热负荷。

冷凝器的热负荷：Q C=(R+1)D(I VD-I LD)

其中I VD—塔顶上升蒸汽的焓，kcal/kmol；

I LD—塔顶镏出液的焓，kcal/kmol。

I VD-I LD=x DΔH V乙+（1-x D）ΔH V水

其中ΔH V

乙—乙醇的蒸发热，kcal/lmol

ΔH V水—水的蒸发热，kcal/lmol

表 1 沸点下的蒸发潜热数据

蒸发潜热与温度的关系：

其中，Tr—对比温度。

由沃森公式计算塔顶温度的潜热：

78.5°时，对乙醇：:

蒸发潜热

对水，同理得：错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。蒸发潜热

对全凝器作热量衡算（忽略热量损失）

选择泡点回流，因为塔顶乙醇含量很高，与露点相接近，所以：

代入数据得：

c.冷却介质消耗量：

d.加热器的热负荷及全塔热量衡算。

选用300kPa（温度133.3℃）的饱和水蒸气的加热介质。

列表 2 计算乙醇、水在不同温度下混合的比热容

甲醇：

水：

由前知，D=104.8839kg/h，

W=650.3601kg/h

对全塔进行热量衡算，错误！未找到引用源。

塔釜热损失为10%，则η=0.9，则

加热蒸汽消耗量：错误！未找到引用源。KJ/kg（333K,300kPa）

表3 热量衡算数据结果

4 塔板数的确定

4.1 理论板层数NT 的求取

4.1.1求最小回流比及操作回流比

乙醇-水是非理想物系，先根据乙醇-水平衡数据（见下表1）【1】，绘出平衡线，如图（a ）所示，然后由a （0.779,0.779）点出发作平衡线的切线，由于是泡点进料，此切线与q 线交于d 点，d 点坐标为（

q

q y x ,）。

表1 乙醇-水平衡数据 液相中乙醇摩尔分数 气相中乙醇摩尔分数

液相中乙醇摩尔分数 气相中乙醇

摩尔分数

0.0 0.0 0.25 0.551 0.01 0.11 0.30 0.575 0.02 0.175 0.40 0.614 0.04 0.273 0.50 0.657 0.06 0.34 0.60 .0698 0.08 0.392 0.70 0.755 0.10 0.43 0.80 0.82 0.14 0.482 0.894 0.894 0.18 0.513 0.95 0.942 0.20 0.525

1.0

1.0

因为Xe=X F =0.174，在图上读出ye=0.522

于是Rmin= 739

.0174.0522.0522

.0779.0y y e e e

=--=--X X D

取操作回流比为1.3，则

3.1739.0759.1759.1min =?==R R 求理论塔板数

精馏操作线为：

36983.0x 526.01x x 1

y +=++

+=

R R R D

提馏段操作线经过（0.001693,0.001693）和（0.174,0.522）两点的直

线。

图解得NT=16－1=15块（不含塔釜）。其中，精馏段N T1=13，提馏段N T2=3，第14块为加料版位置。

5 精馏塔的工艺条件及相关物性数据的计算：

⑴塔顶操作压力：P D=101.3kPa

平均压力p m=（101.3+110.9）/2=111.45kPa

⑵平均温度t m

查温度组成图得：塔顶为78.5℃，加料版为83.6℃。

t m=（78.5+83.6）/2=81.05℃

⑶平均分子量Mm

塔顶：y1=x D=0.779查平衡相图得x1=0.725

M VD,m=0.779×46.07+（1－0.779）×18.02=39.871kg/kmol

M LD,m=0.725×46.07+（1－0.725）×18.02=38.356kg/kmol

进料板：x F=0.1456，y F=0.4872,（查平衡相图）

M VFm=46.07y F+（1－y F）×18.02=31.671kg/kmo

M LFm=x F×46.07+（1－x F）×18.02=22.104kg/kmo

精馏段：M V

=（39.87+31.671）/2=35.771kg/kmo

，m

M L，m=（38.356+22.104）/2=30.230kg/kmo

⑷平均密度ρm

液相平均密度ρL,m

塔顶：由T d=78.5℃，查化工物性算图手册得

ρLD，A=612.3 kg/m3，ρLD，B=972.7 kg/m3 ρLD，m=612.3×0.779+927.7×6×（1－0.779）=691.95 kg/m3 进料板：tF=83.6℃，查化工物性算图手册得

ρLF,A=608.7 kg/m3，ρLF，B=969.46 kg/m3

ρLF，m=608.7×0.174+969.46×（1－0.174）=906.69 kg/m3

=（691.95+906.69）/2=799.32 kg/m3 精馏段：ρL

，m

汽相平均密度ρv,m

⑸液体的平均粘度μL

，m

塔顶；由Td=78.5℃，查化工物性算图手册得

μLD,A=0.5mPa·s μLD,B=0.363 mPa·s

lgμLDm=0.779lgμLD,A+（1－0.779）lgμLD,B=﹣0.332

解得μLDm=0.466 mPa·s

进料板：t F=83.6℃，查化工物性算图手册得

μLF，A=0.547 mPa·s，μLF，B=0.3406 mPa·s

精馏段；lgμLFm=0.174lgμLF，A=（1－0.174）lgμLF，B=﹣0.432 =0.370 mPa·s

解得μLF

，m

塔底条件下的流量物性参数：

①液相相对分子质量：由于塔底乙醇含量很少，所以可视为纯水。

②气相密度：错误！未找到引用源。

③液相密度：错误！未找到引用源。

查相关数据：错误！未找到引用源。

④液相粘度查相关数据的：错误！未找到引用源。，错误！未找到

引用源。，错误！未找到引用源。

塔底数据结果

符

进料条件下的流量及物性参数

F=473.739kmol/h，错误！未找到引用源。

查平衡曲线：y=0.1456

①气相平均相对分子质量：

错误！未找到引用源。（kg/kmol）

②液相平均相对分子质量：

错误！未找到引用源。（kg/kmol）

③气相密度：

④液相密度：查化工物性手册知，错误！未找到引用源。

⑤液相粘度查表，t=83.6℃，错误！未找到引用源。

⑥进料流量

F=10848.49kg/h

表进料数据结果

精馏段的流量及物性参数

①气相平均相对分子质量：

②液相平均相对分子质量：

③液相密度：

④气相密度：

⑤液相黏度：

⑥气相流量：

⑦液相密度：

提镏段的流量及物性参数

①相平均相对分子质量：

②液相平均相对分子质量：

③液相密度：

④气相密度：

⑤液相黏度：

⑥气相流量：

错误！未找到引用源。

⑦液相流量：

表精馏段、提镏段数据结果

5.1 填料的选择

填料是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。

本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。

①规整填料是一种在塔内按均匀图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气、液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。

250Y型波纹填料是最早研究制相比，可提高近一倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大的幅度提高。

②比表面积与通用散装填料相比，可提高近一倍，填料压降较低，

通量和传质效率均改善。

②与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大的改善。

③工业生产中气液均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适合的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。

鉴于以上250Y型的特点，本设计采用Mellapok－250Y型填料，因本设计塔中压力很低。

6 塔径设计计算

⑴精馏段的塔径计算

由气速关联式：

试中

错误！未找到引用源。—液体粘度，mPa·s；

A—250Y型为0.291；

L、G—液体、气体质量流速，kg/s；

错误！未找到引用源。—液体、气体密度，错误！未找到引用源。；

g—重力加速度，错误！未找到引用源。。

精馏段：

代入式中求解得：错误！未找到引用源。

空塔气速：错误！未找到引用源。

体积流量：

圆整后：D=800mm，空塔气速u=2.24m/s

⑵提镏段塔径计算

解得错误！未找到引用源。此时，速度较小，取错误！未找到引用源。

空塔气速：错误！未找到引用源。=2.472m/s

体积流量：

圆整后：D=1200mm，空塔气速u=1.568m/s

⑶选取整塔塔径

精馏段和提镏段塔径圆整后D=1200，为精馏塔的塔径。

7 填料层高度的计算

⑴精馏段

所以

查得错误！未找到引用源。

精馏段填料高度：

式中错误！未找到引用源。—精馏段理论板数根据前图得错误！未找到引用源。—2.8(查得

错误！未找到引用源。)错误！未找到引用源。

⑵提镏段

同理