化工原理课程设计
乙醇——水浮阀精馏塔设计
化学工程与工艺化工1308班学号12010830
指导教师
摘要
本设计为分离乙醇-水混合物，采用筛板式精馏塔。精馏塔是提供混合物气、液两相接触条件，实现传质过程的设备。它是利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使混合物不断分离，以达到理想的分离效果。
选择精馏方案时因组分的沸点都不高所以选择常压，进料为泡点进料，回流是泡点回流。塔顶冷凝方式是采用全凝器，塔釜的加热方式是使用再沸器。
精馏过程的计算包括物料衡算，热量衡算,塔板数的确定等。然后对精馏塔进行设计包括：塔径、塔高、溢流装置。最后进行流体力学验算、绘制塔板负荷性能图。
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。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操作弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造价低。浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。
关键词：乙醇水精馏浮阀塔连续精馏塔板设计
目录
前言 (1)
第一章设计任务书 (2)
1.1、设计条件 (2)
1.2、设计任务 (2)
1.3、设计内容 (3)
第二章设计方案确定及流程说明 (5)
第三章塔板的工艺设计 (7)
3.1、全塔物料衡算 (7)
3.2、塔内混合液物性计算 (8)
3.3、适宜回流比 (15)
3.4、溢流装置 (21)
3.5、塔板布置与浮阀数目及排列 (22)
3.6、塔板流体力学计算 (25)
3.7、塔板性能负荷图 (29)
3.8、塔高度确定 (33)
第四章附属设备设计 (35)
4.1、冷凝器的选择 (35)
4.2、再沸器的选择 (36)
第五章辅助设备的设计 (38)
5.1、辅助容器的设计 (38)
5.2、管道设计 (39)
燕京理工学院——课程设计
第六章控制方案 (42)
第七章设计心得与体会 (42)
附录一主要符号说明 (43)
附录二塔计算结果表 (45)
附录三管路计算结果表 (47)
文献综述 (48)
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，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。
要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，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直立圆形的精馏塔内进行的，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。
浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操作弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造价低。浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。
一设计任务书
1.1 设计条件
⑴处理量9万吨/年
⑵操作条件：
精馏塔塔顶压强：1. 03 atm（绝对压强)
进料液状态：自选
回流比：自选
加热蒸汽压力：低压蒸汽
单板压降：75mm液柱
乙醇-水平衡数据自查
⑶液料组成（质量分数）：30%
⑷塔顶产品质量组成（质量分数）：90%
⑸塔顶易挥发组分回收率
⑹每年实际生产天数：300天
1.2 设计任务
⑴精馏塔的物料衡算
⑵塔板数的确定
⑶精馏塔的工艺条件及有关数据的计算
⑷精馏塔的塔体工艺尺寸的计算
⑸塔板主要工艺尺寸的计算
⑹塔板的流体力学验算
⑺塔板负荷性能图
⑻精馏塔接管尺寸的计算
1.3设计内容
⑴工艺设计
①选择工艺流程和工艺条件
1) 加料方式：贮罐加料泵精馏塔。
2) 进料热状态：泡点进料，进料根据能量充分合理利用和节能原则，可利用塔顶蒸汽的冷凝热对料液进行预热至沸点。
3) 塔顶蒸汽冷凝方式：在分凝器中利用塔顶蒸汽的冷凝热对料液进行预热，饱和液体进入回流罐，饱和气体然后在全凝器中进一步冷凝成饱和液体进入回流罐。
4) 再沸器加热方式：间接加热。
5) 塔顶产品的出料状态：塔顶产品冷却至常温后进产品贮槽。塔底采出物流的能量另作它用。
⑵精馏工艺计算
①物料衡算确定各物料流量。
②确定适宜回流比。
⑶精馏塔设备设计
①塔板设计和流体力学计算
对精馏段和提馏段分别进行塔板设计和流体力学计算。确定溢流装置的设计，塔盘布置，塔盘流动性能的校核。
②绘制塔板汽液负荷性能图
分别画出精馏段和提馏段的塔板汽液负荷性能图。
③精馏塔机械结构和塔体附件
a.接管规格：根据流量和流体性质，选取经验流速，确定进料管、塔顶蒸汽管、回流液管、塔釜再沸器进液管和蒸汽管的接管规格。
b.全塔高度：包括上下封头、裙座高度。
⑷附属设备设计和选用
①完成塔底再沸器的详细设计计算。
②泵选型。
③换热器选型：对原料预热器、塔顶产品冷却器等进行选型。
④塔顶冷凝器设计选型：根据换热量、回流管内流速、冷凝器高度对塔顶冷凝器设计选型。
⑤原料和产品储罐的设计计算。
⑥输送管路的设计计算。
⑦控制仪表的选择参数。
⑧编写设计说明书
设计说明书是将本设计的详细介绍和说明。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果，对所选用的物性数据和使用的经验公式、图表应注明来历。
设计说明书应附有带控制点的工艺流程图，精馏塔、塔板结构和再沸器工艺条件图，计算机程序框图和源程序。
设计说明书具体包括以下内容：封面；目录；绪论；工艺流程、设备及操作条件；塔工艺和设备设计计算；塔机械结构和塔体附件及附属设备选型和计算；设计结果概览；附录；参考文献；设计体会等。
⑸图纸
用2#图纸绘制
带控制点的工艺流程图1张；
第二章 设计方案确定及流程说明
塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。
本设计的任务为分离乙醇—水二元混合物，采用连续精馏流程。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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之中。回流比根据经济核算得到，且最适宜回流比与最小回流比的关系范围为min opt R )0.2~1.1(R 。塔底采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 ⑴ 塔板类型选择
浮阀塔的优点是结构简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可以随气量的变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，气液接触时间长，塔板效率高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物性时，阀片易于塔板粘结，故操作过程中有时会发生阀片脱落和卡死等现象，导致塔板效率下降。但乙醇—水物系属于不易结焦、低粘度物系，因而不存在上述问题。综合考虑各类塔板的优缺点和待分离物系特点，确定选择浮阀塔，类型为常用的F 1型。 ⑵ 操作压力的选择
条件设定塔顶操作压力为常压，不需设置真空设备或加压设备。塔底压力略高于常压，但非常压下物系平衡数据较难获得，故在计算过程中不考虑压力变化引起的物系组成变化和温度变化，这是本设计的一个不足之处。 ⑶进料热状况的选择
本设计采用泡点进料，此时，进料热状态参数q=1，精馏段和提馏段气体摩尔流量相同，体积流量也相近，塔径基本相同。 ⑷加热方式的选择
本设计采用间接蒸汽加热，塔底设再沸器，加热蒸汽温度120℃。
⑸能量的利用问题
精馏塔塔底再沸器输入的能量大部分被塔顶冷却剂带走，能量利用率较低，故利用温度较高的产品（乙醇）或副产品（水）以及冷凝后的加热蒸汽对原料液进行余热，也可通过别的方式利用余热。
图2—1乙醇-水精馏塔工艺流程简图
第三章 塔板的工艺设计
3.1 全塔物料衡算
3.1.1 原料液
质量组成（乙醇，下同）30.0=F W 摩尔组成 1436.018
/7.046/3.046
/3.0=+=F X
质量流量 1250024
3001090000q 3mf
=??= 平均摩尔质量 kmol kg M F /02.22188564.0461436.0_
=?+?= 摩尔流量 /h 567.67kmol 22.02
12500
q nf ==
3.1.2 塔顶采出液
质量组成 9.0=D ω 摩尔组成 7788.018
/1.046/9.046
/9.0=+=D χ
质量流量 kg/h 41259
.099
.03.012500q nD
=??=
平均摩尔质量 kmol kg M /8064.39182212.0467788.0=?+?= 摩尔流量 h kmol q nD /63.1038064
.394125
==
3.1.3 塔底采出液
质量流量 8375412512500=-=m W q 质量组成 0045.04125
9
.041253.012500=?-?=
w ω
摩尔流量 h kmol q nW /04.46463.10367.567=-=
摩尔组成 0017.004
.4647788
.063.1031436.067.567=?-?=
w x
平均摩尔质量 kmol kg M /0476.18189983.0460017.0=?+?=
3.2 塔内混合液物性计算
3.2.1 温度
常压下乙醇—水物系的平衡数据见表2，利用拉格朗日插值法(或安托因方程)求的各点温度。
表3—1 常压下乙醇---水系统t-x-y 数据
进料温度（泡点）
82.382.782.382.5723.3726.0824.2526.08F F t t --=?=--（℃）
塔顶温度（露点）
--=?=--78.1578.4178.15
78.2578.1589.4383.8789.43
D D t t (℃)
塔底温度（泡点）
--=?=--95.5100.095.5
99.170 1.90.33 1.9
W W t t (℃)
精馏段平均温度 ++=
=
=182.5778.25
80.412
2
D F
t t t (℃)
提馏段平均温度 ++=
=
=299.1778.25
90.872
2
W F
t t t (℃)
3.2.2 密度
已知：混合液密度
1
A B
L
A B
ωωρρρ=
+
混合气密度ρ???==???00022.422.4V
V V M T P T M T P T
3.2.3 平均摩尔质量
○
1精馏段 =1
80.41t (℃)
液相组成
--=?==--1180.779.880.4179.8
43.16%0.431639.6550.7950.79x x
气相组成
--=?==--1180.779.880.4179.8
62.59%0.625939.6550.7965.64
y y
所以 =?+-?=10.431646(10.4316)1830.084(/)L M kg kmol
=?+-?=10.625946(10.6259)1835.52(/)V M kg kmol ○
2提馏段 =2
90.87t (℃)
液相组成
--=?==--2295.589.090.8789.0
5.68%0.0568
1.907.217.21x x 气相组成
--=?==--2295.589.090.8789.0
32.68%0.326817.0038.9138.91
y y
所以 =?+-?=20.056846(10.0568)1819.59(/)L M kg kmol =?+-?=20.326846(10.3268)1827.15(/)V M kg kmol
3.2.4 液相质量组成
精馏段 ωω?=
=乙水0.431646
0.66
30.084
=1-0.66=0.34
提馏段 ωω?=
=乙’水’0.056846
0.1334
19.59
=1-0.1334=0.8666
3.2.5 纯物质密度
不同温度下乙醇和水的密度见表2
表3—2 不同温度下乙醇和水的密度 精馏段 =180.41t (℃)
乙醇
ρρ--=?=--3乙乙858080.4180
734.59(/)730735735
kg m
水
ρρ--=?=--3水水858080.4180
971.5376(/)968.6971.8971.68
kg m
提馏段 =290.87t (℃)
乙醇
ρρ--=?=--3乙’乙959090.8790
723.304(/)720724965.3kg m
水
ρρ--=?=--3水’水959090.8790
964.6997(/)961.85965.3965.3
kg m
3.2.6 液相密度
精馏段 ρρ-=+?=3110.6610.66
1/(
)801.02(/)734.59971.5376
L L kg m
提馏段 ρρ-=+?=3220.133410.1334
1/
923.58(/)723.304964.699
L L kg m
3.2.7 气相密度
??022.4V
T M T
精馏段 ρ?=
=?+31273.1535.52
1.23(/)2
2.4(27
3.1580.41)
V kg m
提馏段 ρ?=
=?+32273.1527.15
0.91(/)22.4(273.1590.87)
V kg m
3.2.8表面张力
二元有机物—水溶液表面张力可用下式计算
公式 4
/1o o 4/1w w 4/1m σ?ψ+σ?ψ=σσσ
式中，下标w 和o 分别代表纯水和纯有机物，上标σ代表表面层，σψw 和σψo
分别代表水和有机物在表面层内的比体积分数，由下列诸式联立求出：
o
q
w )(lg B ψψ= W B b += σ
σψψ=o
q
w )(lg b )V q V (T q 441.0W 3/2w w 3/2O O σ-σ=
而体积分数w ψ和o ψ分别为
o o w w w w w V x V x V x +=
ψ o
o w w o
o o V x V x V x +=ψ
式中，q 为与有机物特征和大小有关的常数，对于乙醇，q=2。不同温度下乙醇和水的表面张力见表3
表3—3 不同温度下乙醇和水的表面张力
○1 精馏段 =1
80.41t (℃)
表面张力：
乙醇
σσ--=?=--211908016.217.15
17.11(dyn /cm )80.418017.15o o
水
σσ--=?=--211908016.217.15
62.522(dyn /cm )80.418017.15
w w
摩尔体积：
乙醇 =
=3046
37.40(/)1.23
V cm mol 水 =
=318
22.47(/)801.02
m V cm mol
已知X 1=0.4316,X W =1-X 1=1-0.4316=0.5684
ψψ=+?=
???+?=22
000002
()()
(0.568422.47)0.431637.40(0.568422.470.431637.40)0.349
w w w w w x v x v x v x v ∴ψψ===-21lg()lg 0.3490.458o
w
B
?=?-?=-+2/32/317.1137.402
0.441(62.52222.48) 1.004
273.1580.412
Q σσψψ===+=-2
11111
()lg
1.462w o b B W σσψψ+=0
1sw s 联立解得 σψ=0.17sw σ
ψ=0
0.83s σσ=?+?=?=1/4
1/41/421
10.1762.5220.8317.145 2.16722.05(dyn /cm )m m ○
2 提馏段 =2
90.87t (℃)