化工原理水-乙醇连续精馏塔设计

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1、【设计计算】（一）设计方案的确定本设计任务为分离乙醇和水的混合物。对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液经过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，塔顶上升蒸汽采用全凝气冷凝，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后送入储罐。该物系属不易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.6倍，塔釜采用直接加热蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（二）工艺计算1、物料衡算：原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数如下。MA=46kg/kmol（乙醇）MB=18kg/kmol（水）xF==0.21xD==0.82

2、又MF=MA×xF+（1-xF）×MB=46×0.21+(1-0.21)×18=23.88MD=0.82×46+(1-0.82)×18=40.96∴qn.D==55.48kmol/hη===0.99∴qn.F=218.82kmol/hqn.D/qn.F=（xF-xW）/(xD-xW)即55.48/218.82=∴xw=0.00295qn.F×xF=qn.D+qn.w×xw218.82×0.21=55.48×0.82+qn.w×0.00295∴qn.w=155.46kmol2、Rmin的确定图1乙醇—水体系为非理想体系，其平衡曲线有下凹部分，当操作线与q

3、线的交点尚未落在平衡线上之前，操作线已与平衡线相切，如图1。此时Rmin可由点（xD，yD）向平衡曲线向切线的斜率求得。由附图可见，该切线的斜率为==0.13求得：Rmin=1.625R=1.6Rmin=2.60由于物料采用泡点进料：q=1则有qn.v〃=qn.v0=（R+1）qn.D=3.7qn.Dqn.l=qn.l+qn.F=Rqn.D+qn.F3、塔板数的确定（1）精馏塔的气、液相负荷qn.L=R×qn.D=2.6×55.48=144.248kmolqn.L′=qn.l+qn.F=144.248+218.82=363.068kmolqn.v=(R

4、+1)qn.D=qn.v′=(2.60+1)×55.48=199.728kmolqn.L′+qn.v0=qn.v′+qn.w∴qn.v0=8.34kmol/h（2）回收率乙醇的回收率为：HA=×100﹪=×100﹪=99.002﹪水的回收率为：HB==HB=84.84﹪（3）操作线方程：精馏段操作线方程为y=2.60x/3.60+xD/3.60即y=0.722x+0.2278提馏段操作线方程为即y=1.749x-0.00221（4）图解法求理论版层数采用直角阶梯法求理论板层数，如图1所示。在塔底或恒沸点附近作图时需要将图局部放大。求解结果为总理论塔板数

5、N=13-1=12（不包括再沸器）进料板位置N=11精馏段理论板层数N=10提留段理论板层数N=3（包括进料板）（5）实际板层数的初步求取求得塔平均温度87.5℃=0.085×0.4+（1-0.085）×34.65×10=0.35E=0.17-0.616=45%实际塔板数N=N精+N提=23+7=23+7=30（6）踏板总效率估算①操作压力计算塔顶操作压力：pD=p表+p当地=4+101.3=105.3kpa取每层塔板压强降△p=0.7kpa塔底操作压力pw=105.3+23×0.7=121.4kpa平均操作压力pM=（105.3+121.4）/2=1

6、13.35kpa②操作温度：依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇、水的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度tD=82.06℃塔底温度tw=105.4131℃平均温度tm=（tD+tw）/2=93.74℃③黏度的计算在tm=93.74℃时，查得MH2O=0.292mpa.sμB=0.36mpa.s则μＬ＝∑xi×μLi=0.144×0.36+（1-0.144）×0.292=0.3018mpa.s④相对挥发度计算塔顶相对挥发度αD=pB.D/pH2O.D=117.286/51.476=2.2784塔底相对挥发

7、度αw=pB.W/pH2O.W=271.9499/122.5495=2.2191平均相对挥发度α===2.249⑤塔板总效率的估算根据ET′=0.49（αμL）-0.245求得ET′=0.5388且ET′-ET=0.88﹪(<1﹪)所以假设成立。（三）精馏段的工艺条件及有关物性的数据计算1、操作压力塔顶操作压力pD=p当地+p表=101.313+4=105.308kpa每层塔板压降△p=0.7kpa进料板压降pF=105.308+0.7×23=121.408kpa精馏段平均压降pm=（105.308+121.408）/2=113.358kpa2、操作温

8、度依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙醇—水的饱和蒸气压由安托尼方程计算，