5万吨/年乙醇水精馏塔设计方案1.1 设计概述乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要的原料。在很多地方，要求乙醇有不同的浓度，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。所以，得到高纯度的乙醇很有必要。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。精馏是多次分离过程，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，塔内装有若干层塔板。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回流装置，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。1.2 塔设备的应用、分类及其特点塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境保护等各个方面都有重大影响。塔设备的设计和研究受到化工、炼油等行业的极大重视。塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要，为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔。长期以来，人们最常用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料塔两大类。板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，主要的塔型是浮阀塔、筛板塔和泡罩塔。1.2.1 泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有以下优点：（1）操作弹性大（2）无泄漏、液气比范围大（3）不易堵塞，能适应多种介质泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修不方便以及气相压力降较大。1.2.2 筛板塔筛板塔也是很早就出现的板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点：（1）生产能力大（提高2040）（2）塔板效率高（提高1015）（3）压力降低（降低3050），而且结构简单，塔盘造价减少40左右，安装维修都比较容易1.2.3 浮阀塔20世纪50年代起，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的蒸馏、脱吸等传质过程。浮阀塔之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：（1）处理能力大（2）操作弹性大（3）塔板效率高（4）压力降小其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。2 设计方案的确定及流程说明2.1 塔型选择根据生产任务，若按年工作日330天，每天开动设备24小时计算，产品流量为5万吨/年，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，选用筛板塔。2.2 操作流程本次设计为常压操作，乙醇-水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。为降低费用，塔釜采用直接蒸汽供热，不设再沸器，采用鼓泡管，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程如附录B所示。精馏装置有精馏塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器、贮槽等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与部分冷凝进行精馏分离，由冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇-水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。13 精馏塔的工艺设计3.1 全塔物料衡算3.1.1 进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 进料液流量 进料组成 (质量分率)塔顶组成 (质量分率)塔底组成 (质量分率)3.1.2 进料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量3.1.3 物料衡算年实际生产天数为330天，每天工作24小时，则: (3-1) (3-2)联立两式，得塔顶产品流量：塔底残液流量：3.2 常压下乙醇-水气、液平衡组成与温度关系表3-1 常压下乙醇-水的气、液平衡组成液相中乙醇的摩尔分数/x气相中乙醇的摩尔分数/y温度t/001001.91795.57.2138.91899.6643.7586.712.3847.0485.316.6150.8984.123.3754.4582.726.0855.882.332.7359.2681.539.6561.2280.750.7965.6479.851.9865.9979.757.3268.4179.367.6373.8578.7474.7278.1578.4189.4389.4378.153.2.1 温度利用表3-1中数据，由拉格朗日插值可求得： ： ： 精馏段平均温度： 提馏段平均温度： 3.2.2 平均摩尔质量精馏段：液相组成 气相组成 所以 提馏段：液相组成 气相组成 所以 3.2.3 密度已知，混合液密度：(为质量分率，为平均相对分子质量)，不同温度下乙醇和水的密度见表3-2。混合气密度：表3-2 不同温度下乙醇和水的密度温度t/乙醇的密度水的密度温度t/乙醇的密度水的密度80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下的乙醇和水的密度。：,：,在精馏段，液相密度: 代入数据，求得：气相密度：在提馏段，液相密度: 代入数据，求得：气相密度：3.2.4 表面张力不同温度下乙醇和水的表面张力见表3-3。二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算。公式: 注：,，,式中下角标，w、o、s分别代表水、有机物及表面部分，、指主体部分的分子数，、为主体部分的分子体积，、为纯水、有机物的表面张力，对于乙醇。表3-3 不同温度下乙醇和水的表面张力温度t/乙醇的表面张力/水的表面张力/701864.380171562.69016.260.710015.258.8精馏段，：乙醇的表面张力： 水的表面张力： 因为,所以联立方程组，代入求得：，提馏段，：乙醇的表面张力： 水的表面张力： 因为,所以联立方程组，代入求得：，3.2.5 黏度，查表3-4得：，查表3-4得：，表3-4 不同温度下乙醇和水的黏度温度t/乙醇的黏度/水的黏度/600.6010.4688800.4950.35651000.3610.2838精馏段黏度：提馏段黏度：3.2.6 相对挥发度精馏段挥发度：由,得 ，所以 提馏段挥发度：由,得 ，所以 3.3 塔板数的计算3.3.1 回流比将表3-1中数据作图得x-y、t-x(y)曲线，如图3-1、图3-2所示。为方便计算机计算，在乙醇-水物系的x-y曲线中，以A(0.124，0.470)点为分界线，将该曲线分成OA和AB两段，将其对应段曲线拟合成以下两式表示。OA段:AB段:在x-y图上，过点B（0.894,0.894）作相平衡曲线的切线BD,与y轴的交点为D（0,0.2），则取操作的回流比为最小回流比的1.5倍，即3.3.2 气、液相负荷精馏段：提馏段：3.3.3 气、液体积流量精馏段：提馏段：3.3.4 操作线方程本设计采用直接蒸汽加热： 恒摩尔物流假设：精馏段 提馏段 3.3.5 理论塔板数精馏段：操作线方程1：AB段方程2：采用逐板计算法：将代入方程2中试差，解得。将代入方程1中，解得。将代入方程2中试差，解得。将代入方程1中，解得。计算结果如表3-5所示。 因此，精馏段理论塔板数为22块，提馏段理论塔板数为3块，从第23块进料，总理论板层数为块。3.3.6 实际塔板数精馏段：已知： 所以： 取44块。提馏段：已知： 所以： 取8块。所以实际塔板数为:，加料板位置在第45块塔板。3.3.7 全塔效率全塔效率：表3-5 乙醇-水物系理论板数的逐板计算结果精馏段块精馏段块理论板序号液相组成气相组成理论板序号液相组成气相组成10.8550.856150.7650.78120.8500.851160.7510.76930.8450.847170.7330.75440.8400.843180.7080.73450.8350.839190.6720.70360.8300.835200.6120.65470.8250.831210.4980.55980.8200.826220.2690.36890.8140.822提馏段块100.8080.817理论板序号液相组成气相组成110.8010.811230.06150.0881120.7940.805240.00910.0121130.7860.798250.00110.0007140.7770.7914 精馏塔主体尺寸的计算4.1 塔径精馏段：横坐标：（液气动能参数）取板间距，板上清液高度,则分离空间为。查史密斯关联图，得,则(气体负荷因子)泛点气速:取安全系数为0.7，则操作气速为：塔径：圆整后，塔截面积：实际操作气速：提馏段：横坐标：（液气动能参数）取板间距，板上清液高度,则分离空间为。查史密斯关联图，得,则(气体负荷因子)泛点气速:取安全系数为0.7，则操作气速为：塔径：圆整后，塔截面积：实际操作气速：4.2 有效高度塔的有效高度(不包括裙座、上封头)：由于物料清洁，无需经常清洗设备，所以每隔8块塔板设置一人孔，则人孔数为