化工原理课程设计

摘要。精馏是分离液体混合物最常用一种操作，在化工、炼油等工业中应用很广。它通过汽、液两相的直接接触，利用组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向汽相传递，难挥发的由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传质过程。

国际上制造乙醇的原料可分为四类。第一类是淀粉质原料，主要有玉米、甘薯、马铃薯、大麦、大米、高粱等；第二类是糖质原料，主要是甘蔗、甜菜、糖蜜；第三类是纤维素原料，是地球上最有潜力的乙醇生产原料，包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃物；第四类是其他原料，如造纸厂的硫酸盐纸浆废液、淀粉厂的甘薯淀粉渣、奶酪工业的副产品。其中，以玉米、小麦和甘蔗为原料的生产技术最为成熟，巴西和美国已经有大规模的制造基地。

本设计采用的是筛板精馏塔来分离乙醇和水。精馏的基本原理是根据液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。

同时，精馏出来的乙醇易燃，具刺激性。储存于阴凉、通风仓间内。远离火种、热源。

关键词：精馏；筛板塔；分离；乙醇—水。

目录。第一部分概述 4

一、设计目标 4

二、设计任务 4

三、设计条件 4

四、设计内容 5

五、工艺流程的说明 5

第二部分工艺设计计算 7

一、设计方案的确定 7

二、精馏塔的物料衡算 7

1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 7

2.原料液及塔顶、塔底产品的平均相对分子质量 7

3.物料衡算原料处理量 7

三、塔板数的确定 8

1.理论板层数的求取 8

2.全塔效率 10

3.实际板层数的求取 10

四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 10

1.操作压强计算 10

2.操作温度计算 10

3.平均摩尔质量计算 11

4.平均密度计算 11

5.液相平均表面张力计算 11

6.液相平均粘度计算 12

五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 12

1.塔径的计算 12

2.精馏塔的有效高度的计算 13

六、塔板主要工艺尺寸的计算 13

1.溢流装置计算 13

2.塔板布置 15

3.筛孔数与开孔率 15

七、筛板的流体力学验算 16

1.气体通过筛板压降相当的液柱高度 16

2.雾沫夹带量的验算 16

3.漏液的验算 16

4.液泛验算 17

八、塔板负荷性能图 17

1.漏液线 17

2.雾沫夹带线 18

3.液相负荷下限线 18

4.液相负荷上限线 18

5.液泛线 19

6. 操作线 20

九、设计一览表 20

十、操作方案的说明： 21

总结 21

参考文献 21

附录 22

第一部分概述。

乙醇是一种有机物，俗称酒精，分子式为ch3ch2oh，是带有一个羟基的饱和一元醇，相对分子质量为46.07。在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，有酒的气味和刺激的辛辣味。

乙醇液体密度是0.789g/cm3 ，沸点是78.4℃，熔点是-114.

3℃，其蒸汽能与空气形成**性混合物。能溶于水、甲醇、乙醚、丙酮和氯仿，能溶解许多有机化合物和无机化合物，具有吸湿性，能与水形成共沸混合物。

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、污染和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛应用于化工、日化、食品饮料和医药卫生等行业。将无水乙醇与汽油混合（俗称汽油醇）可作为内燃机的燃料，随着世界石油资源的减少，作为生物燃料的无水乙醇可能在今后的动力燃料中占一席之地。

长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是乙醇-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。

塔设备是最常见的精馏装置，无论是板式塔还是填料塔都在化工生产过程中得到了广泛应用，在此我们作填料塔的设计，必须要熟悉单元操作设备的设计流程与注意事项。

一。设计目标。

分离水和乙醇的混合液的筛板塔的设计。

二。设计任务。

1.完成该精馏塔的工艺设计，包括辅助设备及进出口管路的计算和选型；

2.画出带控制点工艺流程图、x~y相平衡图、塔板负荷性能图、塔板布置图、精馏塔工艺条件图；

3.写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。

三．设计条件。

1.常压p=1atm（绝压）。

2.原料来自粗馏塔，为95~96℃饱和蒸汽，由于沿程热损失，进精馏塔时，原料温度约为90℃；

3.塔顶浓度为含乙醇92.41%（质量分数）的药用酒精，产量为25吨/天；

4.塔釜采用饱和蒸汽直接加热，从塔釜出来的残液中乙醇浓度要求不大于0.3%（质量分数）；

5.塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比r=1.1~2.0rmin；

6.厂址：徐州地区。

表1-1 设计条件

四．设计内容。

编制一份设计说明书，主要内容包括：

1、摘要。2、流程的确定和说明。

3、生产条件的确定和说明。

4、精馏塔的设计计算：

1）工艺条件及有关物性数据的计算。

2）精馏塔塔体工艺尺寸的计算。

3）塔板主要工艺尺寸的计算。

4）塔板的流体力学验算。

5）塔板负荷性能图（精馏段）（选作）

5、设计结果列表。

6、设计结果的讨论和说明。

7、主要参考资料。

8、结论。五．工艺流程的说明。

精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器。釜液冷却器和产品冷凝器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定流程装置时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。

原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。

并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵，有时还要设置高位槽。

且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。

塔顶冷凝装置根据生产状况以决定采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面，合理的兼顾设备，操作费用操作控制及安全因素。

第二部分工艺设计计算。

一．设计方案的确定。

精馏操作的基本原理是根据各液体在混合液中的挥发度不同，采用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理来实现连续的高纯度分离。精馏过程与其他蒸馏过程的最大区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。

所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。

本设计任务书为分离乙醇-水混合物。对于简单的二元混合物的分离，且两组分有较显著的沸点差异，故选用筛板式连续精馏塔进行分离。采用**进料方式。

二．精馏塔的物料衡算。

1）原始数据。

表2-1 乙醇、水的物理性质

2）物料衡算。

原料液及塔顶、塔底产品含乙醇的摩尔分数。

乙醇和水的相对摩尔质量分别为m乙醇=46.07kg/ mol m水 =18.01kg/ mol原料含乙醇的百分数为40%，含水的百分数为60%。

塔顶乙醇含量为92.41% 塔底乙醇含量小于等于0.3%。

根据以上数据：

原料液含乙醇的摩尔分率：xf0.2067

塔顶含乙醇的摩尔分率：xd0.8264

塔底含乙醇的摩尔分率：xw0.00175

原料液平均摩尔质量mf=0.2067×46.07+（1-0.2067）×18.01=23.8100kg/kmol

原料液的摩尔流量：根据所给条件，可知 25t/天。

qn，f= 25000/（24×23.8100）=43.75kmol/h

f=d+w（2-1） fxf=dxd+wxw（2-2）

d= 7.04 w=41.67

表2-2 物料衡算表

三．塔板数的确定。

1.理论塔板数nt的求取。

乙醇-水属于理想物系，可采用**法求nt

表2-3常压下乙醇-水的平衡数据

1 根据乙醇、水的气液平衡数据做y-x及t-x-y图。

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