乙醇―水溶液连续精馏板式塔设计。
化学化工与材料科学学院。
第一章工艺流程选择与示意图。
第一节概述。
一、 精馏操作在化工生产中的作用。
在化工、石油、轻工等生产中过程中，原料和中间产品有许多是有几种组分在组成的液相均相混合物，为了对某些组合分进行提纯，或**其中的有用的组分，常需对混合液进行分离。精馏就是最为常用的分离方法之一，本设计中，用精馏的方法进行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的各组分的挥发度不同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。
精馏操作通常在常压、加压、负压下进行，确定压力主要是根据所处理物料的性质兼顾技术的可行性和经济上的合理性进行考虑。本设计在4atm下进行。
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。
进料的热状态是指进料的q值，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、过热蒸汽进料。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：
泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计与制造时也比较方便。所以采用泡点进料，即q=1。
4、热能的利用。
第二章精馏塔的工艺设计计算。
第一节引言。
精馏所进行的是气液两项之间的传质，而作为气液两项之间传质的塔设备首先必须能使气液两相得到充分接触，已达到较高的传质效率。塔设备要气液处理量大、操作稳定弹性大、流体流动的阻力小、结构简单易于安装制造、耐腐蚀和不易堵塞、塔的滞留量要小。
第二节原始数据。
原料液：乙醇与水的混合液。
第三节物料衡算。
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c2h5oh，分子量为46.07kg/kmol。水的分子式为h2o，分子量为18.02kg/kmol。
3、将质量分率换成摩尔分率。
原料组成： xf(c2h5oh)==0.1436
xf(h2o)=1-0.1436=0.8564
馏出液组成： xd(c2h5oh)=0.8283
xd(h2o)=1-0.8283=0.1717
釜残液组成： xw(c2h5oh)=0.0040
xw(h2o)=1-0.0040=0.9960
4、原料液摩尔流量。
原料液的平均摩尔质量；mf=0.1436*46.07+0.8564*18.02=22.048kg/kmol
原料液的流量：f=20000*1000/300/24/22.048=125.988kmol/h
列物料衡算方程式 f=d+w
fxf=dxd+wxw
解得 d=21.34kmol/h
w= 104.65kmol/h
回流比的确定。
根据乙醇--水溶液气液平衡数据，在平衡相图上，作x=xd直线与对角线交与点a，过a点作相平衡曲线的切线，交轴与点b，此切线为精馏段操作线 。rmin/(rmin+1)=(0.8283-0.
350)/0.8283=0.577
rmin=0.36 r=1.7rmin=2.32 理论板为17块。
第4节塔工艺条件的计算。
q=0.441*(q/t) a=b+q a=lg
对乙醇q=2
vod=mo/ρod=46/736.73=62.44ml
vow=mo/ρow=46/716.76=64.18ml
vof=mo/ρof =46/730.26=63.00ml
vwd=mw/ρwd=18/972.91=18.50ml
vww=mw/ρww=18/959.06=18.77ml
vwf=mw/ρwf=18/968.77=18.58ml
不同温度下乙醇和水的表面张力。
利用上表数据利用数值插值法确定tf、tw、td下乙醇和水的表面张力（/10-3n·m-1）。
乙醇的表面张力：→
水的表面张力：
经推导 塔顶液体表面张力。
b=lg() 2.450
q=0.441*(q/t) =0.7624
a=b+q=-2.45-0.7624=-3.214
联立方程组
swd=0.024
sod=0.976
代入=0.024*（62.89）1/4+0.976*（17.30）1/4
利用同样的方法可计算出原料及塔底的表面张力；
原料液的表面张力δmf=28.01
塔底液的表面张力δmw=54.98
精馏段的表面张力δ1=（28.01+17.94）/2=22.975
提馏段的表面张力δ‘1=（28.01+54.98）/2=41.495
5、混合物的黏度。
查化工原理上册附录，利用公式计算得。
tm=81.495℃, 乙醇=4.354*10-4pa·s
tm`=91.895℃, 水=3.794*10-4pa·s
水不同温度下的粘度。
用插值法求出tm, tm`下的黏度。
pa·spa·s
精馏段：平均液相组成。
黏度=乙醇x1+μh2o(1-x1)=4.354*10-4*0.486+3.505*10-4*(1-0.486)=3.918*10-4
提馏段：平均液相组成x2=
黏度μ2=μ乙醇、x2+μh2o/(1-x2)=3.794*10-4*0.0738+3.103*10-4*(1-0.0738)=3.154*10-4.
气液相液体流率计算：
精馏段气相体积流率：v=(r+1)d=3.32*21.34=70.848kmol/h
vs===0.511m3/s
l=rd=2.32*21.34=49.50kmol/h
液相体积流率：ls===5.29*10-4
提馏段 v`=l`-w=175.489-104.65=70.848
气相体积流率：vs==70.848*25.49/3600/0.884=0.567
l`=l+qf=49.51+1*125.988=175.489kmol/h
液相体积流率：l`s==175.489*20.065/3600/919.08=1.064*10-3
塔板主要工艺尺寸的计算。
一、塔高的计算。
z===11.09≈12块。
二、塔径的计算。
塔径的确定，需求umax=c,c由下式计算：c=c20。c20由smith图查取。
取板间距ht=0.35m，板上液层高度h1=0.05m，则ht-h1=0.
35-0.05=0.30m,1)精馏段塔径的确定：
由smith图的横坐标为=0.024
查smith图得：c20= 0.06, c=0.0617 ,umax=1.543.
取安全系数为0.8，则空塔气速为：u= 1.2344m/s。
则精馏段塔径为d== 0.898m.
2)提馏段塔径的确定：横坐标为： =0.0605
查smith图得：c20=0.03, c=0.0347, umax=1.1183m/s.
取安全系数为0.8，则空塔气速为：u= 0.9258m/s。
则精馏段塔径为d== 0.754m.
3）按标准塔径圆整后，d= 900mm,
塔截面积 ：at==0.6359m2,精馏段实际空塔气速为：u==0.866m/s
提馏段实际空塔气速为：u==0.891m/s,2、塔板主要工艺尺寸的计算。
1、溢流装置的计算。
因塔径d= 0.9m，可选用单溢流弓形降液管。
a、堰长lw:
单溢流：lw:=（0.6~0.8）d 取lw:=0.6*0.9=0.54m,
b、溢流堰高度hw :
因为hl=hw+how, 选用平直堰，堰上液层高度how, 可用francis计算。即how=。
精馏段：lh=1.904m3/h, =8.887, =0.60.
查图得：e=1.032 ，则how=0.0068m
取板上层清液高度hl=0.05m，故hw=0.05-0.0068=0.0432
提馏段：lh=3.83 m3/h,查图得：
e=1.040，则how=0.011m,取板上层清液高度hl=0.
05m，故hw=0.05-0.011=0.
039m.
2、降液管。
1、降液管高度和截面积。
因为=0.6，查弓形降液管参数图得： =0.055 , 0.115
所以af=0.055*0.6359=0.
035m2, wd=0.1035m ,依下式验算液体在降液管中的提留时间：θ=3~5s,精馏段：
θ=23.16 ,提馏段：θ=11.
51.故降液管设计合理。
2、降液管低隙高度。
降液管低隙高度依下式进行计算；ho=,取u0= 0.07 m/s，则。
精馏段：ho = 0.025m, 提馏段：ho = 0.0281.
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