分离乙醇—水板式精馏塔设计
1、设计任务
1.1题目：
乙醇精馏塔的设计 1.2设计任务及条件：
1）原料：乙醇—水混合物，含乙醇38.2%（质量分数，下同）； 2）产品：馏出液含乙醇93.1%； 3）釜残液中乙醇含量≤1%；
4）生产能力：5000t／年乙醇产品，年开工7200小时； 5）操作条件：
1间接蒸汽加热； ○
2塔顶压力：1.03atm（绝对压强）； ○
3进料热状态：泡点进料； ○
4回流比：R=5； ○
5单板压降：75mm液柱。 ○
1.3设计要求
1）设计方案的选定，包括塔型的选择及操作条件确定等；
2）确定该精馏的流程，绘出带控制点的生产工艺流程图，标明所需的设备、管线及其有关观测或控制所必需的仪表和装置； 3）精馏塔的有关工艺计算
? 计算产品量、釜残液量及其组成； ? 计算所需理论塔板层数及实际板层数； ? 确定进料板位置。 1.4塔主体尺寸的计算（塔径） 1.5塔板结构尺寸的设计 1.6流体力学验算 1.7画出负荷性能图 1.8辅助设备的选型
1）确定各接管尺寸的大小；
2）热量衡算，计算全塔装置所用蒸汽量和冷却水用量，确定每个换热器的传热面积并进行选型；
3）根据伯努利方程，计算扬程，确定泵的规格类型； 4）壁厚，法兰，封头，吊柱等的选定。 1.9编写设计说明书
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2、工艺流程图
附图1为带控制点的工艺流程图。 流程概要；
乙醇－水混合原料经预热器加热到泡点后，从A点处送进精馏塔，塔顶上升的蒸汽从B点处出来后进入全凝器冷凝，冷凝后一部分从C点处回流，其余为塔顶产物，塔釜采用间接蒸汽加热供热，塔底产物从D点处流出，并经过冷却后送人贮槽。
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3、设计方案
3.1设计方案的确定 3.1.1塔型的选择
筛板塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3~8mm，筛孔在塔板上作正三角形排布。筛板塔的优点是：结构简单，造价低廉，气压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率较高，气流分布均匀，传质系数高；缺点：操作弹性小，筛孔小易发生堵塞，不利于黏度较大的体系分离。
本设计中，根据生产任务，若按年工作7200小时计算，乙醇产品流量为5000t／年，由于产品粘度较小，流量较大，因此即使筛孔小也不易堵塞，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。
因此，本设计最终选用筛板塔。
3.1.2操作压力
精馏可在常压、加压和减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性考虑的。
一般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于乙醇－水体系，在常压下已经是液态，且乙醇－水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。
因此，本设计选择常压操作条件。
3.1.3进料方式
进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中。这样一来，进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，设计制造均比较方便。
因此，本设计选择泡点进料。
3.1.4加热方式
精馏段通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量。若待分离的物系为某种组分和水的混合物，往往可以采用直接蒸汽加热的方式。但当在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，可使得釜残液中的轻组分浓度降低，所需的理论塔板数略有增加，且物系在操作温度下黏度不大有利于间接蒸汽加热。
因此，本设计选用间接蒸汽加热的方式提供热量。
3.1.5热能的利用
精馏的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此，热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%被有效的利用。塔顶蒸汽冷凝放出大量的热量，但其位能低，
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不可能直接用来作塔釜的热源。但可作低温热源，或通入废热锅炉产生低压蒸汽，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度再用于加热釜液。
采用釜液产品去预热原料，可以充分利用釜液产品的余热，节约能源。因此本设计利用釜残液的余热预热原料液至泡点。
3.1.6回流方式
泡点回流易于控制，设计和控制时比较方便，而且可以节约能源。但由于实验中的设计需要，所需的全凝器容积较大须安装在地面，因此回流至塔顶的回流液温度稍有降低，在本设计中为设计和计算方便，暂时忽略其温度的波动。
因此，本设计选用泡点回流。
3.2实验方案的说明
1) 本精馏装置利用高温的釜液与进料液作热交换，同时完成进料液的预热
和釜液的冷却，经过热量与物料衡算，设想合理。釜液完全可以把进料液加热到泡点，且低温的釜液直接排放也不会造成热污染。
2) 原料液经预热器加热后先通过离心泵送往高位槽，再通过阀门和转子流
量计控制流量使其满足工艺要求。
3) 本流程采用间接蒸汽加热，使用20℃水作为冷却剂，通入全凝器对塔顶
蒸汽进行冷凝。从预热器、全凝器出来的液体温度分别在50-60℃、30℃左右，之后还可对生产出来的产品利用冷却器进行冷却，这些冷却剂可以用于民用热澡水系统或输往锅炉制备热蒸汽的重复利用。
4) 本设计的多数接管管径取大，为了能使塔有一定操作弹性，允许气体液
体流量增大，所以采取大于工艺尺寸所需的管径。
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4、板式塔的工艺计算
4.1物料衡算
通过全塔物料横算，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。
1、 将各个质量分数转化为摩尔分数
x38.2/46F?38.2/46?61.8/18?0.1948
x93.1/46D?93.1/46?6.9/18?0.8408
x1/46W?1/46?99/18?0.003937
2、 各个相对摩尔质量
MF?46?38.2%?18?61.8%?28.696kg/kmol MD?46?93.1%?18?6.9%?44.068kg/kmol MW?46?1%?18?99%?18.28kg/kmol
3、 各个摩尔流量
由年产量5000t，有效工作时间为7200小时，可得产品流量D为
D?5000?10007200?44.068?15.76kmol/h
由物料衡算式可算出进料液流量F和釜残液流量W
??D?W?F?Dx D?WxW?FxF代入得
F?15.76?W0.8408?15.76?0.003937W?0.1948F
解得：
F=69.1kmol/h W=53.34kmol/h
由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表4-1
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4-1）
（