化工原理课程设计说明书-板式精馏塔的设计说明书.doc

化工原理课程设计说明书
题 目： 酒精生产过程中的精馏塔设计
所在学院：
专业班级：
姓 名：
学 号：
指导教师：

2009年 月

目 录

第40页

前言 3
课程设计任务书 4
酒精精馏过程的生产方法及特点 6
设计方案的确定 10
精馏总体结构的选择和材料的选择 12
精馏过程的有关计算 15
结束语 36
参考文献 37

一、前言
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集资料的能力；
2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3. 迅速准确的进行工程计算的能力；
4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力

二、化工原理课程设计任务书
设计题目：酒精生产过程精馏塔的设计
一、设计条件
1、生产能力： 吨／日二级酒精
其中：0601班 1～16号 20吨/天；0601班17～32号1～16号 30吨/天；
0602班1～16号 40吨/天；0602班 17～32号 40吨/天
2、原料：乙醇含量26（W）的粗馏冷凝液，以乙醇——水二元系为主；
3、采取直接蒸汽加热：
4、采取泡点进料：
5、馏出液中乙醇含量>95％(V)，并符合二级酒精标准：
6、釜残液中乙醇含量不大于0．2％(W)：
7、四级酒精(含乙醇为95％(V)其它无要求)的产出率为二级酒精的2％；
8、塔顶温度 78℃，塔底温度100-104℃；
9、塔板效率0.3-0.4或更低；
10、精馏段塔板数计算值 ～22层，工厂 32层，
提馏段塔板数计算值 ～10层，工厂 16层；
11、二级酒精从塔第三、四、五层提取；
12、二、四级酒精的冷却温度为25℃，
冷却水温度：进口20℃，出口35-40℃
13、回流比大致范围 3.5-4.5（通过最少回流比计算）
14、其他参数(除给出外)可自选。

二、设计说明书的内容
1、目录；
2、设计题目及原始数据(任务书)；
3、简述酒精精馏过程的生产方法及特点，
4、论述精馏总体结构(塔型、主要结构)的选择和材料选择；
5、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径塔板设计、进出管径等);
6、设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等);
7、主体设备设计计算及说明；
8、主要零件的强度计算（选做）；
9、附属设备的计算与选择（泵、换热器）；
10、参考文献；
11、 后计及其它．

三、设计图要求
1、用594×841图纸绘制装置图一张：一主视图，一俯视图，一剖面图，两个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。
2、 用420×594图纸绘制设备流程图一张；
3、用坐标纸绘制乙醇—水溶液的y-x图一张，并用图解法求理论塔板数。
四、参考书
1、 天津大学，《化工原理》，天津，天津科学技术出版社，1990年。
2、 华南理工大学，《化工过程及设备设计》，广州，华南理工大学出版社，1986年。
3、 魏崇关，郑晓梅，《化工工程制图》，北京，化学工业出版社，1992年。
4、 刁玉玮，王立业 编，《化工设备机械基础》，大连，大连理工大学出版社，1989年。
5、 章克昌，吴佩琮，《酒精工业手册》，北京，轻工业出版社，1995年。
6、 《化工设备结构图册》编写组，《化工设备结构图册》，上海，上海科学技术出版社，1978年。
7、 柴诚敬，刘国维，李阿娜，《化工原理课程设计》，天津，天津科学技术出版社，1994年。

三、酒精精馏过程的生产方法及特点
酒精的化学名称叫乙醇。工业上通常叫的无水酒精，含乙醇在99％以上，专供科研和作分析试剂用。酒精的大生产中以含乙醇95％(容量)以上的医药酒精和％(容量)的工业酒精为主。酒精的分子式是C2H5OH，分子量常取46.07。
1、酒精有哪些用途?
第一、酒精可以为工业生产提供能源，如作为汽车的燃料或与汽油组成混合燃料。第二、酒精是一种很好的有机溶 剂，许多有机制剂的生产中都要使用，如利用酒精脱水成为乙烯，用以生产合成橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯等。第三、酒精具有杀菌作用，被医疗卫生部门广泛用作消毒剂、防腐剂。第四、制造农药。第五、食品饮料工业中，用来生产汽酒、果酒、白酒等。
总之，酒精在国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中都有广泛的用途。
2、酒精生产的方法有哪几种?
在工业生产上，用发酵法或合成法来制取酒精，在我国有95％以上的工厂，是采用发酵法生产酒精。
(一)发酵法
所谓发酵法，就是利用微生物--酵母菌在无氧条件下将糖转化为酒精的生产方法。发酵法又分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法三种。目前，固体发酵法和半固体发酵法在我国主要是用于生产白酒。一般产量较小，生产工艺较古老，劳动强度大。而在现代大生产中，都采用液体发酵法生产酒精，它与固体发酵法相比，具有生产成本低、生产周期短、连续化、设备能自动化，大大减轻劳动强度等优点。不论是固体、半固体、液体发酵法，都是利用淀粉作原料，经过微生物发酵转化为糖。再由糖转化为酒精。在转化过程中发生一系列极其复杂的生化反应。
在转化时原料中的可溶性淀粉。在糖化酶的作用下，将可溶性淀粉转化为可发酵的糖，再在酒化酶作用下，将糖水解成酒精并放出二氧化碳。
根据淀粉水解方程式，可以推算出100kg100％的淀粉，可产95％(容量)的酒精61.49kg，能产100％的酒精56.78Kg。

(二)化学合成法
随着近代有机工业的发展。可利用石油裂解所得的乙烯来合成酒精。化学合成法生产酒精的方式有间接水合法和直接水合法两种。
1．间接水合法(又称硫酸水合法) 硫酸与乙烯经加成作用生成硫酸氢乙酯：

2．直接水合法 乙烯与水蒸气在有磷酸催化剂存在下，经高温、高压作用、可直接发生加成反应生成酒精。

从反应条件可以看出，化学合成法生产酒精，所用生产设备要求具有较高的耐酸、耐压性能，生产条件和成本均较高。所以我国一般不用此方法生产酒精，基本上都是用淀粉质原料或糖质原料进行发酵来生产酒精。主要设备流程图见：

酒精生产工艺流程图：
淀粉（红薯干、玉米）冲碎
细碎
润湿
加压蒸馏
糖化成葡萄糖
发酵生成酒精（7%-8%）
醪液
粗馏（提馏段）
酒槽、水、乙醇

精馏
二级酒精
四级酒精
杂油醇
废水
低沸点酮醛
热水
糖化酶
酵母菌

酒精的生产工艺流程图

酒精蒸馏和精馏流程及特点
1、粗洒精和酒精一水蒸气
酒精工业早期，连续蒸馏、精馏工艺尚未出现时，国外的酒精蒸馏和精馏是分别进行的。蒸馏的产品叫粗酒精，粗酒精再经精馏处理才到合格的成品酒精。随着连续蒸馏精馏工艺的出现和完善，除个别国家外，粗酒精已不再作为一个产品。
在连续蒸馏、精馏过程中，蒸馏塔引出的酒精一水蒸气(或其冷凝液)直接进入排醛塔或精馏塔。粗酒精和酒精一水蒸气的酒精浓度不同，前者88％(V)，后者为40—55％(V)。
我国酒精厂都采用连续蒸馏、精馏工艺。

2、酒精连续蒸馏，精馏工艺流程
两塔流程分气相进塔和液相进塔两种形式。
（1）气相进塔的两塔流程
成熟醪经预热器3与精馏塔的酒精蒸气进行热交换，加热至 40℃以上，并进入醪塔1顶部，醪塔底用直接蒸汽加热。酒精含量为50％(v)的酒精一水蒸气从醪塔顶部引出进入精馏塔2的中部。酒糟由醪塔底部排出。精塔也用直接蒸汽加热。酒精蒸汽从塔顶顺次经过醪液预热器3和冷凝器4、5、6。预热器3和冷凝器4、5中的冷凝液全部回入塔顶作为回流。冷凝器6中的冷凝液作为醛酯馏分(工业酒精)取出，不凝结气体排入大气。
成品酒精从塔顶部第4，6块塔板上液相取出，经冷却器12,，检酒器13进入酒库，废水从精塔底部排出．
杂醇油从进抖层也上第2—4块塔板液相取出，经冷却器，乳化器和分离器分离得到粗杂醇油，再经盐析罐后进入贮器，淡酒回入精塔下部相应塔板中．
（2）液相进塔的两塔流程
这种流程大多用于糖蜜酒精厂．
该流程的特点是蒸馏塔塔赝的酒精一水蒸气经第1，2、3个冷凝器，酒精一水冷凝液液相进人精馏塔，而后在第4个冷凝器中的冷凝液作为醛酯馏分排出， 多一次排除头级杂质的机会，精馏所得的酒精质量较高。其余部分与气相进塔流程相同。

四、方案的确定
操作压力
蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。
冷却剂与出口温度
冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水（20℃）作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50℃，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。因而选择出口温度为35——40℃。

热能的利用
精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。
选取适宜的回流比（3.5——4.5），使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。
若不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷凝器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量，其数量是相当可观的。然而，在大多数情况，这部分热量由冷却剂带走而损失掉了。如果采用釜液产品去预热原料，塔顶蒸汽的冷凝潜热去加热能级低一些的物料，可以将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。
精馏方式选择
精馏的方式可分为间歇精馏和连续精馏。间歇精馏适用于处理量较少，且原料的品种、组成及分离程度经常变化的精馏过程。连续精馏的特点是，可以连续大规模生产，产品浓度、质量可以保持相对稳定，能源利用率高，操作易于控制。本次设计任务要求是日产20吨二级酒精，所以需大规模生产，应该采用连续精馏。
进料状况的选择
设计任务书中要求采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至塔内。塔顶上升蒸汽采用两个换热器对原料预热，冷凝液在泡点下一部分回流到塔内，塔顶其余的部分是设计任务书中的四级酒精，日产量为20×0.02=0.4吨，冷却后送到储罐,根据任务书中的要求选择适当的回流比。因为塔釜中酒精的含量非常小，所以在塔釜采用直接蒸汽加热，塔底的产品可以经过适当处置排放。
在本设计中，液相进塔的酒精浓度比气相进塔时要高，进料塔板上的气液两相平衡，因此当采用液相进塔时的进料位置，应比气相进料时应高2～3层，以防止提留段含酒精过多，造成精馏塔釜废液逃酒。
采用液相进料时，粗馏塔顶蒸出的酒气经预热器，冷凝器变成液相，由精馏塔中部进塔，在进料层以下第2、4、6层塔板上以酒精浓度为42%（容量）左右区域内气相提取杂醇油。塔顶蒸出的酒气经第1、2、3冷凝器冷凝后回流入精馏塔顶。在第4冷凝器排除醛酒，与粗馏塔第4冷凝器排除的醛酒汇集一起，送入主发酵罐中，在塔顶下第4～6层塔板上液相提取酒精产品，粗馏塔和精馏塔的底温一般控制在100——104度左右，塔顶温分别控制78℃左右。
加热方式的选择
若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。但对有些物系(如酒精与水的二元混合液)，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。
最小回流比Rmin
最小回流比有两种求法：作图法和解析法。在此采用解析法如下：
由《化工原理（下）》（天津大学出版社）P29的乙醇-水溶液的平衡数据可求得相对挥发度,见表4-1。
表4.1 常压下乙醇-水溶液的平衡数据
液相中乙醇的摩尔分率x
气相中乙醇的摩尔分率y
相对挥发度α
0.00
0.000
0.000
0.01
0.110
12.236
0.02
0.175
10.394
0.04
0.273
9.012
0.06
0.340
8.071
0.08
0.392
7.414
0.10
0.430
6.789
0.14
0.482
5.716
0.18
0.513
4.799
0.20
0.525
4.421
0.25
0.551
3.682
0.30
0.575
3.157
0.35
0.595
2.728
0.40
0.614
2.386
0.45
0.635
2.126
0.50
0.657
1.915
0.55
0.678
1.723
0.60
0.698
1.541
0.65
0.725
1.420
0.70
0.755
1.321
0.75
0.785
1.217
0.80
0.820
1.139
0.85
0.855
1.041
0.89
0.894
1.000
0.90
0.898
0.978
0.95
0.942
0.855
1.00
1.000
0.000
平均相对挥发度αm
3.596
由《化工原理（下）》（天津大学出版社）P34的式1-48知，泡点进料时的最小回流比为

Rmin=2.49
式中，xD=0.855 xF=0.121 α=3.596（后面已算出）
一般有R=（1.1∽2）Rmin,所以回流比为R=2.429∽4.416,在此取R=4.0.
由《化工原理（下）》（天津大学出版社）P5的式1-13可求得此时乙醇-水溶液的气液平衡方程为
五、精馏塔总体结构的选择和材料的选择
塔型的选择
塔设备是能够实现蒸馏和吸收两种分离操作的气液传质设备，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。虽然两类塔既适用于蒸馏操作也适用于吸收操作，但在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量小时多采用填料塔。根据本次任务的要求，并结合连续精馏的特点，应该选用板式塔。
塔板的选择
按照塔内气、液流动方式，可将塔板分为错流塔板和逆流塔板两类。
错流塔板：塔内气液两相成错流流动，即流体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以期获得较高的效率。但是降液管占去一部分塔板面积，影响塔的生产能力；而且，流体横过塔板时要克服各种阻力，因而使板上液层出现位差，此位差称之为液面落差。液面落差大时，能引起板上气体分布不均，降低分离效率。错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。
逆流塔板亦称穿流板，板间不设降液管，气液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。栅板、淋降筛板等都属于逆流塔板。这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。
对于连续精馏，宜采用错流塔板。几种主要类型的错流塔板如下：
（1）泡罩塔

塔板上设有许多供蒸气通过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体中形成液封。操作时，气体沿升气管上升，经升气管与泡罩间的环隙，通过齿缝被分散成许多细小的气泡，气泡穿过液层使之成为泡沫层，以加大两相间的接触面积。流体由上层塔板降液管流到下层塔板的一侧，横过板上的泡罩后，开始分离所夹带的气泡，再越过溢流堰进入另一侧降液管，在管中气、液进一步分离，分离出的蒸气返回塔板上方究竟，流体流到下层塔板。一般小塔采用圆形降液管，大塔采用弓形降液管。泡罩塔已有一百多年历史，但由于结构复杂、生产能力较低、压强降等特点，已较少采用，然而因它有操作稳定、技术比较成熟、对脏物料不敏感等优点，故目前仍有采用。
（2）筛板塔

筛板是在带有降液管的塔 板上钻有3~8mm直径的均布圆孔，液体流程与泡罩塔相同，蒸气通过筛孔将板上液体吹成泡沫。筛板上没有突起的气液接触元件，因此板上液面落差很小，一般可以忽略不计，只有在塔径较大或液体流量较高时才考虑液面落差的影响。
（3）浮阀塔

浮阀塔是50年代开发的一种较好的塔。在带有降液管的塔板上开有若干直径较大（标准孔径为39mm）的均布圆孔，孔上覆以可在一定范围内自由活动的浮阀。浮阀形式很多，常用的有F1型，V－4型，T型浮阀。
操作时，液相流程和前面介绍的泡罩塔一样，气相经阀孔上升顶开阀片、穿过环形缝隙、再以水平方向吹入液层形成泡沫，随着气速的增减，浮阀能在相当宽的范围内稳定操作。因此目前获得较广泛的应用。
（4）喷射型塔板

筛板上气体通过筛孔及液层后，夹带着液滴垂直向上流动，并将部分液滴带至上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。雾沫夹带的产生固然可增大气液两相的传质面积，但过量的雾沫夹带造成液相在塔板间返混，进而导致塔板效率严重下降。在浮阀塔板上，虽然气相从阀片下方以水平方向喷出，但阀与阀间的气流相互撞击，汇成较大的向上气流速度，也造成严重的雾沫夹带现象。此外，前述各类塔板上存在或低或高的液面落差，引起气体分布不均，不利于提高分离效率。基于这些缺点，开发出若干种喷射型塔板，在这类塔板上，气体喷出的方向与液体流动的方向一致或相反。充分利用气体的动能来促进两相间的接触，提高传质效果。气体不必再通过较深的液层，因而压强降显著减小，且因雾沫夹带量较小，故可采用较大的气速。
各种板式塔都具有独特之处，根据具体的数据以多种角度对泡罩塔、浮阀塔、筛板塔进行比较，可以得到以下结论：
(1)泡罩塔的蒸气负荷和操作弹性都比较高，且在负荷有较大变化时，能保持正常运行，因此我国的一些中小型酒厂广泛采用，但它的造价比较高，生产能力较低．此类板型正被一些先进的塔型所取代。
(2)浮阀塔板在蒸气负荷、操作弹性、效率和造价等方面都比泡罩塔优越，此乃目前浮阀塔被广泛采用的原因。但浮阀塔板上的浮阀随蒸汽速度的高低上下浮动，因此会发生浮阀磨损、卡住。锈死等现象。
(3)筛板塔造价较低，加工方便、压降小。除弹性较浮阀塔差外，其它性能接近于浮阀塔。随着人们对其认识的深化，近年来在国外获得广泛应用。在实现自动控制情况下，在国内酒精行业中也可能会得到广泛应用。
所以本设计采用筛板塔。筛板是在塔板上钻有均布的筛板孔，上升气流经筛孔分散，鼓泡通过液层，形成气液密切接触的泡沫层。塔的外壳为钢板焊制，以每层塔板为一节，然后用法兰连接，内部装有塔板，降液管及各种物料进出口。除此之外，它还有许多附属设备，如人孔、观察孔、换热器、回流液泵、储槽、进料管、出料管等。对于塔板有以下要求。如：塔板具有一定的刚度，维持板的水平，塔板之间有一定的密封性，以免气体，液体短路。
六、精馏过程的有关计算
精馏塔的工艺设计计算，包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。
通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题：
（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求（塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量；
（2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和下降液体量；
（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。
通常，原料量和产量都以kg/h或吨/年来表示，但在理想板计算时均须转换为kmol/h。在设计时，汽液流量又须用m3/s来表示。
（一）物料衡算
1．原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
乙醇的摩尔质量 MA=46.07kg/kmol
水的摩尔质量 MB=18.02kg/kmol
根据天津大学化工原理上册附表4 及表7 中查得 20℃时乙醇和水的密度分别为789kg/m3和998.2kg/m3，故有：
塔顶酒精的质量分数：

2．原料液及其塔顶和塔底的平均摩尔质量

3．物料恒算

因为采用直接蒸汽加热
总物料恒算 F+V0=D+W (1)
易挥发组分的物料衡算 FxF+V0y0=D xD+WxW (2)
式中：
F——原料液流量，kmol/h
V0——直接加热蒸汽的流量，kmol/h
D——塔顶产品的流量，kmol/h
W——塔底产品的流量，kmol/h
xF——原料液中乙醇的摩尔分率
y0——加热蒸汽中乙醇的摩尔分率（用纯的水蒸气，则y0 =0）
xD——塔顶产品中乙醇的摩尔分率
xW——塔底产品中乙醇的摩尔分率
直接蒸汽加热时，若塔内仍然是恒摩尔流，即是V’=V0,L’=W,
同时采用的是泡点进料，则有：R=4.0
V=(R+1)*D=5*20.24=101.19kmol/h
V’=V=101.19kmol/h=V0
L=R*D=4*20.24=80.96kmol/h
所以将R=4, D=20.24kmol/h,xF=0.121,xD=0.855,xW=0.000784
代入求解得：
F=144.48kmol/h W=225.43kmol/h V0=101.19 kmol/h
将上式代入(1)(2)(3)(4)中计算即可求得其数值，见表6-1。

表6-1 精馏塔流率表
项目
F
V0/V/ V’
W/L’
D
体积流量kmol/h
144.48
101.19
225.43
20.24

（二）操作线方程
精馏段操作线方程为:
y=L/V*x+D/V*xD=80.96/101.19*x+20.24/101.19*0.855
即y=0.8*x+0.171
进料线（q线）方程为：
x=xF=0.121
L’=L+qF=80.96+1×144.48=225.44Kmol/h
提馏段操作线方程为:
y’=L’/V’*x’-W/V’*xW=225.44/101.19*x-225.44/101.19*0.0007836
即y=2.23*x-0.00175

（三）塔板数的计算
1、图解法求理论塔板数
采用图解法求理论板层数，如图6-1精馏塔图解理论塔板图所示。
求得的结果为：
总的理论塔板数为：NT=21
进料板位置为：NF=19
其局部放大图如图6-2所示：

图6-1 精馏塔图解理论塔板图
局部放大:

图6-2精馏段图解理论塔板局部放大图

2、实际塔板层数的求取
由任务书中可知：
当提馏段理论塔板数小于22层时，工厂实际塔板数为32层
当精馏段理论塔板数小于10层时，工厂实际塔板数为16层
则实际生产中进料板为第33层塔板。NP=48
总的塔板效率为：E=NT/NP=21/48=43.75%

（四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算
1.精馏塔的工作温度的计算
精馏段的计算：
依据任务书中的规定，原料液体在泡点进料，其中塔顶的温度为：tD=78°C
进料口的温度为TF=84.6C（由酒精工业手册中的附表18查得）
故精馏段的平均工作温度为tm=(78+84.6)/2=81.3°C
提馏段的计算：
同理提馏段的平均工作温度为tm’=(84.6+100)/2=92.3C
2．精馏段摩尔质量的计算
根据平衡图知：
在进料口处xF=0.121 yF=0.470
进料口处的气相平均摩尔质量为
MvFm=0.470*46.07+0.0.0.53*18.02=31.20kg/kmol
进料口处的液相平均摩尔质量为
Mlfm=0.121*46.07+0.879*18.02=21.41kg/kmol
在塔顶处有气相摩尔分率为0.855 液相摩尔分率为0.85
塔顶处气相平均摩尔质量为：
MvDm=0.855*46.07+0.0.145*18.02=42.00kg/kmol
塔顶处液相平均摩尔质量为:
MlDm=0.85*46.07+0.15*18.02=41.86kg/kmol
所以精馏段中气相的平均摩尔质量为Mvm=（31.20+42）/2=36.6kg/kmol
精馏段中液相的平均摩尔质量为Mlm=(21.41+41.86)/2=31.635kg/kmol
3.精馏段密度的计算
查酒精工业手册P574附表23中数据并通过内插值法精馏段中气体的平均密度为

液体密度的计算公式为
，式中Xi是混合液中i组分质量分数%
由tD=78C查化工原理上册附表十九得

塔顶液体平均密度的计算：
由化工原理上册附表七P335得到tD=78°C时水的密度为973kg/m3 酒精为740kg/m3，所以塔顶的平均密度为：Kg/m3
同理tF=84.6时水的密度为968.8kg/m3 酒精为730kg/m3
进料口处的平均密度为=892.8kg/m3
故精馏段液体的平均密度为=822.2kg/m3
4.液体平均表面张力的计算
液体平均表面张力依下式计算，即

塔顶液体平均表面张力的计算由tD=78C 查化工原理上册附表十九得

进料口处液体平均表面张力的计算tF=84.6C查手册

精馏段液体平均表面张力为：

5．液体平均粘度的计算
液体平均粘度依下式计算，即

塔顶液体平均粘度的计算由tD=78C，查化工原理上册

所以
即
同理tF=84.6C 有

所以=-0.457
即

（五）精馏塔的塔体的工艺尺寸的计算
1、塔径的计算
Vs=(V’/3600)*Mvm/=101.19*36.60/(3600*1.42)=0.7245m3/s
同理Ls=80.96×31.635/（3600*822.2）=0.000865m3/s
根据天津大学化工原理课程设计

式中 D—塔径，m;
Vs—气体体积流量，m3/s;
u—空塔气速，m/s
又因为u=(0.6-0.8)umax
而且
式中—液相密度，kg/m3;
—气相密度，kg/m3;
C—负荷因子，m/s.
式中可由史密斯关联图（天津大学化工原理下图3-8）查出，横标的数值为
式中分别为气、液相的体积流率，m3/s
取板间距为HT=0.40m ，板上液层高度hl=0.05m ，所以HT-hl=0.35m
式中可由史密斯关联图（天津大学化工原理下图3-8）查出C20=0.075

故
取安全系数为0.7，则空塔气速为：
u=0.7×=0.7×2.075=1.4525m/s
则有
按标准塔径圆整后为 D=1.0m
塔的截面积为
实际空塔气速为u=0.7245/0.785=0.923m/s
2、精馏塔高度的计算
(1)精馏塔的有效高度
精馏段的有效高度为
Z精=（N精-1）*HT=（32-1）×0.4=12.4m
提馏段的有效高度为
Z提=（N提-1）*HT=（16-1）×0.4=6m
在精馏塔开6个人孔其单个高度为0.8m
故精馏塔的有效高度为Z=Z精+Z提+0.8×6=23.2m
(2)精馏塔的实际高度
根据最低一层塔板到塔底的距离较大，以便有较大的塔底空间贮液，保证液体能有10-15min的停留时间，使塔底液体不致流空。故取其高度为3m。塔顶最上一层板到塔顶的距离同样比板间距要大，在本设计中取2.7m.裙座的高度为3.6m。查表P152（化工过程及设备设计）得到封头的高度为0.3m.由板式塔高度的计算公式：
H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+npHp+HD+HB+H1+H2
取进料口处和二级酒精出料口的有相同的板间距为HF=0.75m
故有H=（48-4-1-1）×0.4+4×0.75+3+2.7+0.3+3.6=29.4m
而顶部四级酒精出料管长度选用0.20m
所以塔的总高度为29.6m。

（六）塔板主要工艺尺寸的计算
1、溢流装置计算
因为塔径D=1.0m 可选用单溢流弓形降液管采用凹形受液盘，深度hw’=50mm各项计算如下:
(1)堰长lw
取lw=0.6D=0.6×1.0=0.6m
(2)溢流堰高度hw
由hw=hl-how
选用平直堰，堰上液层高度how由下式计算，即

式中-塔内液体流量，/h
how-堰上液层高度,m
lw-堰长,m
近似取E=1，则=（m
取板上液层高度为hl=50mm
故hw=50-8.5=41.5mm
(3)弓形降液管宽度Wd和截面积Af
由lw/D=0.6查图3-13（化工原理书下册160页），得Af/AT=0.055, Wd/D=0.11
故Af=0.055×0. 785=0.0431
Wd=0.11m
依下式验算液体在降液管中停留时间，即
=19.93s
故降液管设计合理
(4)降液管底隙高度h0

=0.0206m
因为hw-h0=0.0415-0.0206=0.021m>0.006m
故降液管底隙高度设计合理
2、塔板分布
(1)塔板的分块
因为D>800mm，故塔板采用分块式，查表5-3（化工原理课程设计）得：塔板分3块。
(2)边缘区面积的计算
取Ws=Ws’=0.1m,Wc=0.07m
(3)开孔区面积Aa按下式计算（化工原理课程设计P113），即

其中x=D/2-(Ws+Wd)=1.0/2-(0.11+0.1)=0.29m
r=D/2-Wc=1.0/2-0.07=0.43m
故

(4)筛孔计算及排列
本设计中虽然所处理的物系无严重的腐蚀性，但为延长在水蒸气工作条件下的使用寿命，可选用的不锈钢板。取筛孔直径d0=5mm筛孔按正三角形排列（其具体形式见图3），取孔中心距t为t=3d0=15mm筛孔数目n为

开孔率为

气体通过阀的气速为

筛孔分布如下：

图6-3 筛板塔筛板孔分布图

（七）筛板的流体力学验算
1、塔板压降
(1)干板阻力hc的计算
干板阻力hc由下式计算（化工原理课程设计P115），即

由 查图5-10（化工原理课程设计P115）得C0=0.772故

(2)气体通过液层的阻力h1的计算，即

查图5-11（同上）得
故

(3)液体表面张力的阻力的计算
液体表面张力所产生阻力由下式计算，即

气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即

hp=0.036+0.031+0.004=0.071m液柱
故气体通过每层塔板的压降为

2．液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且本设计中的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。
3．液沫夹带
液沫夹带量由下式计算（化工原理课程设计P116），即

hf=2.5hL=2.5×0.05=0.125m
故

故在本设计中液沫夹带量在允许的范围内。
4．漏夜
对筛板塔，漏液点气速 可由下式计算，即

实际孔速为u0=15.66m/s>
稳定系数为

故在本设计中无明显的漏夜。
5．液泛
为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度Hd应服从下式关系，即

乙醇——水物系属一般物系，取 则

而=hp+hL+hd
板上不设进口堰，hd可由下式计算，即

Hd=0.071+0.00075+0.05=0.122m

故在本设计中不会发生液泛现象。

（八）塔板负荷性能图
1．漏夜线
由

所以
整理得

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，
计算结果列于表6-2

表6-2 漏夜线气液流速关系表
Ls,m3/s
0.0004
0.0010
0.0015
0.0035
Vs,m3/s
0.331
0.342
0.350
0.374
由表6-2数据即可作出漏夜线1。
2．液沫夹带线
以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下由

故

整理得

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，
计算结果列于表6-3
表6-3筛板塔液沫夹带线数据表
Ls,m3/s
0.0005
0.0015
0.0025
0.0035
Vs,m3/s
1.620
1.528
1.456
1.393
由上表数据即可作出液沫夹带线
3．液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层高度 作为最小液体负荷标准。由下式得

取 E=1 则

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。
4．液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式得

故

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。
5．液泛线
联立,以及
得
由上式确定液泛线,忽略式中,将,,
及泛点率= 代入上式,得
因物系一定,塔板尺寸结构一定,则等均为定值
而
代入数据得
整理得
化简得