此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。
§1 设计任务
1．1 设计题目：水-乙醇体系板精馏塔设计
1．2 已知条件：生产能力4000kg/h（原料）、xF=40%，xD=90%，xW=1%、常压精馏、塔顶全冷凝、塔底间接加热、泡点回流、q=1、操作回流比、R=2Rmin 1．3 设计要求
（1） 能满足工艺条件，达到指定的产量和质量。 （2） 操作平稳，易于调节。 （3） 经济合理 （4） 生产安全
1．4 化工生产对塔设备的要求 （1）生产能力大。 （2）高的传质传热效率。 （3）操作稳定，操作弹性大。 (4)分离效率好
§2 设计方案流程选定【1】
2.1操作条件的确定
2.1.1精馏方式的选择：本设计采用连续精馏方式。连续精馏具有产品质量稳定，生产能力大等优点。将原料液送入精馏塔，由于该物系属于易分离物质且在所在涉及浓度范围内乙醇-水的相对挥发度较大，因而无须采用特殊精馏。
2.1.2 操作压力：本设计中水和乙醇在常压下因为液态混合物，且沸点适中，故选在常压下进行。 2.1.3 塔板形式：塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式两类，工业以错流式塔板为主。常用的错流式塔板主要为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔板。根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降较低，在乙醇和水这种粘度不大的分离工艺有较好的表现。
2.1.4 进料热状况的选择：加料方式选择加料泵打入，设计中考虑操作费用和设备问题，由题目已知给定q=1进料（泡点）。
2.1.5加热方式的选择：蒸馏大多采用间接蒸汽加热，由题目给定为塔底间接加热。乙醇和水体系也可采用直接蒸汽加热，可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，并间接省掉加热设备，但其釜液浓度相应降低，故需要在提馏段增加塔板以达到生产需求。
2.1.6 回流比的选择：回流比的选择是精馏操作的重要工艺条件。其选择的原则是使设备费用和操作费用之和最低，故在做回流比取最小回流比的两倍，即R=2Rmin。
2.1.7 再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再泡点回流入塔。冷凝器安装在较低的框架上，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。冷凝剂优选为水，水的初温由气候条件决定。
6
水与被冷却流体之间一般应用5-35℃温度差。水的出口温度一般不超过40-50℃。蒸馏釜产品主要为水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备用西式其他工段污水排放。 2.1.8工艺流程布置图（见附图）
2.2确定设计方案的原则
确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： 2.2.1满足工艺和操作的要求
所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 2.2.2满足经济上的要求
要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 2.2.3保证安全生产
例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。
以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。
§3 精馏塔工艺计算
3.1 物料衡算：【2】
生产能力4000kg/h（原料），塔顶产品组成xD=95%，原料进料xF=45%，釜残液含乙醇xW=1.0%的水溶液。
3.1.1原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 乙醇的摩尔质量 M C2H50H =46kg/kmol 水的摩尔质量 MH2O =18kg/kmol
MF?XF?MC2H5OH?(1?XF)MH2O?0.4?46?(1?0.4)?18?29.2kg/kmo l
MD?XD?MC2H5OH?(1?XD)?MH20?0.95?46?(1?0.95)?18?46.4kg/kmo lMw?XW?MC2H5OH?(1?XW)?MC2H5OH?0.01?46?(1?0.01)?18?18.28kg/kmol
3.1.2物料衡算
7
原料处理 F?G4000??136.99kmo/lh MF29.2 总物料衡算 F=D+W=136.99 由公式FXF=DXD+WXW
136.99×0.4=0.95D+（136.99-D）×0.01 联立解得
D=59.75kmol/h
W=77.24kmol/h
摩尔流量 Kmol/h +
原料
F
136.99 82.194 54.796 77.24 76.47 0.77 59.752.99 56.76
4060 991
46.4
18．28 29.2
摩尔组成
%
平均分子量
g/mol
表1 物料衡算汇总
水
乙醇
釜液
W水
乙醇
馏出液
D水
5
乙醇
95
3.2 塔板数的确定
3.2.1理论板层数N的求取
3.2.1.1 乙醇与水的平均相对挥发度的计算【3】 已知乙醇的沸点为78.3℃，水的沸点为100℃。
8
查表【4】可得乙醇在78.3℃的Antoine参数为A=7.30342 B=1630.868 C=-43.596 水的在78.3℃的Antoine参数为A=7.07406 B=1657.459 C=-46.13
1630.868?2.0059 ? PA°?101.36KPa
78.3?273.15?43.5961657.459?1.64546 ? PB°?44.20KPa lgPB°?7.07406?78.3?273.15?46.13当温度为78.3℃时，lgPA°?7.30342??PA?1???2.29
PB查表可得乙醇在100℃的Antoine参数为A=6.84806 B=1358.124 C=--71.034 水的在100℃的Antoine参数为A=7.707406 B=1657.459 C=-46.13
当温度为100℃时，lgPA°?6.84806?1358.124?2.35269 ? PA°?225.26KPa
100?273.15?71.034 lgPB°
?PA?2???2.22
PB?7.07406?1657.46100?227.02? PB°?101.32KPa
平均挥发度
???1??2?2.29?2.22?2.25
3.2.1.2 最小回流比及操作回流比计算 因 q?1，故 Xe=XF=0.4 将xF代入相平衡方程 ye???xe2.25?0.4??0.6
1?(??1)xe1?1.25?0.4Rmin?XD?ye0.95?0.6??1.75
ye?xe0.6?0.4R=2Rmin=3.5
3.2.1.3 逐板法求塔板数
因XF=0.4 XD=0.95 XW=0.01 q?1 R=3.5 ??2.25 则相平衡方程 x?y??(??1)y?y (1)
2.25?1.25y精馏段操作线方程 y?RXDx??0.778x?0.217 (2) R?1R?1求精馏塔的气、液相负荷
L=RD=3.5×59.75=209.125kmol/h
V=(R+1)D=（3.5+1）×59.75=268.875kmol/h
9
L'=L+F=209.125+136.99=346.115kmol/h V' =V=268.875kmol/h 提馏段操作线方程为
L'Wy?'x?xW?1.287x?0.002873
VV' (3)
'操作线交点横坐标（q=1）：xF=0.4
理论板数计算：先交替使用相平衡方程(1)与精馏段操作线方程(2)计算如下 y1=0.95带入（1）x1=0.894 再带入（2）得y2
y2=0.907?x2=0.813 y3=0.852?x3=0.719 y4=0.770?x4=0.598 y5=0.676?x5=0.481 y6=0.585?x6=0.385＜
第6板为加料板。
以下交替使用提馏段操作线方程(3)与相平衡方程(1)计算如下
x6=0.385
y7=0.493?x7=0.302 y8=0.386?x8=0.218 y9=0.278?x9=0.146 y10=0.185?x10=0.0916 y11=0.115?x11=0.0546 y12=0.0674?x12=0.0311 y13=0.0372?x13=0.0169 y14=0.0189?x14=0.00849﹤Xw
总理论板数为12块（包括再沸器），精馏段理论板数为5块，第6块为进料板。
xf
3.2.2实际板层数的求取
由塔顶和塔底平均温度得（由后面的计算倒推）
t=
tD?tW78.05?97.63??87.84℃ 22mpa?s，水的粘度【9】为查手册得，由内插法可得在87.84℃下，乙醇【5】的粘度为?A?0.3790?B?0.3245mpa?s
可以有下式求得平均粘度???x?【2】
ii其中xi-进料中某组分的摩尔分数
?i-该组分的粘度，按照塔的平均温度下的液体计
10