乙醇和水系统平衡时气液二相的平衡数据

Wilson方程计算101.325kpa下二元体系气液平衡

从文献查得乙醇和水的Antoine常数 (见表1)。

表1 Antoine常数

利用Antoine方程计算在78.15℃时乙醇和水的饱和蒸气压计算值为：

PSl=1．0058×105 Pa，PS2=0.4393×105Pa。常压下汽相混合物服从理想气体定律，则y1=1.0074，y2=2.3056。

对于二元溶液Wilson方程的表达式为：

其中y1=1.0074、y2=2.3056，x1=0.8943、x2=0.1057,带入上式计算后得到Aij(见表2)。

表2 Wilson状态方程参数

组分

乙醇（1）

水（2）

乙醇（1）

1.0000

0.8995

水（2）

0.1441

1.0000

利用参数Aij计算各活度系数r,饱和蒸汽压P1’

当P-Pn<t时，调整温度继续上述计算，得101.325kpa下乙醇一水体系的汽液平衡数据，计算结果见表附表3。

计算。当然也可以找中国知网中的论文。只需要输入“Wilson方程”就可已找到很多相关的论文。

充电吧！具体计算没法打出来！呵呵！

液体混合物中各组分在同一温度下具有不同的挥发能力.因而,经过汽液见相变达到平衡后,各组分在汽、液两相中的浓度是不相同的.根据这个特点,使二元混合物在精馏塔中进行反复蒸馏,就可分离得到各纯组分.为了得到预期的分离效果,设计精馏装置必须掌握精确的汽液平衡数据,也就是平衡时的汽、液两相的组成与温度、压力见的依赖关系.大量工业上重要的系统的平衡数据,很难由理论计算,必须由实验直接测定,即在恒压（或恒温）下测定平衡的蒸汽与液体的各组分.其中,恒压数据应用更广,测定方法也较简便.

乙醇和水的相平衡图：

相平衡是指多相系统中各相变化达到的极限状态。此时在宏观上已经没有任何物质在相际传递，但在微观上仍有方向相反的物质在相际传递，且速度相等，故传递的净速度为零。

化工热力学研究的两相系统的平衡，有气液平衡、气固平衡、汽液平衡、汽固平衡、液液平衡、液固平衡和固固平衡；相数多于2的系统，有气液固平衡、汽液液平衡等。

扩展资料：

相平衡条件及相关概念

在一个封闭的多相体系中，相与相之间可以有热的交换、功的传递和物质的交流。对具有个相体系的热力学平衡，实际上包含了如下四个平衡条件:

（1）热平衡条件:：设体系有α、β、‥‥‥、Φ个相，达到平衡时，各相具有相同温度Tα=Tβ=‥‥‥=TΦ

（2）压力平衡条件:：达到平衡时各相的压力相等：pα=pβ=‥‥‥=pΦ。

（3）相平衡条件：任一物质B在各相中的化学势相等，相变达到平衡：μBα=μBβ=‥‥‥=μBΦ

（4）化学平衡条件：化学变化达到平衡：ΣνBμB=0 [2] 。

相：体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。体系中相的总数称为相数，用Φ表示。

气体：不论有多少种气体混合，只有一个气相。

液体：按互溶程度可组成一相、两相或三相共存。

固体：一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶除外，它是单相）

自由度：确定平衡体系的状态所必须的独立强度变量的数目称为自由度，用字母f表示。这些强度变量通常是压力、温度和浓度等。

独立组分数：在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需的最少独立物种数称为独立组分数。

参考资料来源：百度百科——相平衡

题目 乙醇-水溶液连续精馏塔优化设计

目录

设计任务书………………………………………………………………3

英文摘要前言……………………………………………………………4

前言………………………………………………………………………4

精馏塔优化设计…………………………………………………………5

精馏塔优化设计计算……………………………………………………5

设计计算结果总表………………………………………………………22

参考文献…………………………………………………………………23

课程设计心得……………………………………………………………23

精馏塔优化设计任务书

一、设计题目

乙醇—水溶液连续精馏塔优化设计

二、设计条件

1．处理量： 15000 （吨/年）

2．料液浓度： 35 （wt%）

3．产品浓度：93（wt%）

4．易挥发组分回收率：99%

5．每年实际生产时间：7200小时/年

6. 操作条件：①间接蒸汽加热；

②塔顶压强：1.03 atm（绝对压强）③进料热状况：泡点进料；

三、设计任务

a) 流程的确定与说明；

b) 塔板和塔径计算；

c) 塔盘结构设计

i. 浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图；

ii. 流体力学验算；

iii. 塔板负荷性能图。 d) 其它

i. 加热蒸汽消耗量；

ii. 冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量e) 有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统工艺流程图和精馏塔装配 图，编写设计说明书。

乙醇——水溶液连续精馏塔优化设计

（南华大学化学化工学院，湖南衡阳 421001）

摘要：设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对乙醇-水精馏工艺流程和主题设备设计。

关键词：精馏塔，浮阀塔，精馏塔的附属设备。

（Department of Chemistry,University of South China,Hengyang 421001）

Abstract: The design of a continuous distillation valve column, in the material, product requirements and the main physical parameters and to determine the size, process design and selection of equipment and design results, completion of the ethanol-water distillation process and equipment design theme.

Keywords: rectification column, valve tower, accessory equipment of the rectification column.

前言

乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，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，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。

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。精馏是多数分离过程，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的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。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冷凝器，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。

浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操作弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造价低。浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。

精馏塔优化设计计算

在常压连续浮阀精馏塔中精馏乙醇——水溶液，要求料液浓度为35%，产品浓度为93%，易挥发组分回收率99%。年生产能力15000吨/年

操作条件：①间接蒸汽加热

②塔顶压强：1.03atm（绝对压强）

③进料热状况：泡点进料

一 精馏流程的确定

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。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。工艺流程图见图

二 塔的物料衡算

查阅文献，整理有关物性数据

⑴水和乙醇的物理性质

名称

分子式

相对分子质量

密度　

20℃

沸 点

101.33kPa

℃

比热容

(20℃)

Kg/(kg.℃)

黏度

(20℃)

mPa.s

导热系数

(20℃)

/(m.℃) 表面

张力

(20℃)

N/m

水 18.02 998 100 4.183 1.005 0.599 72.8

乙醇 46.07 789 78.3 2.39 1.15 0.172 22.8

⑵常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表

常压下乙醇—水系统t—x—y数据如表1—6所示。

表1—6 乙醇—水系统t—x—y数据

沸点t/℃ 乙醇摩尔数/% 沸点t/℃ 乙醇摩尔数/%

气相 液相 气相 液相

99.9 0.004 0.053 82 27.3 56.44

99.8 0.04 0.51 81.3 33.24 58.78

99.7 0.05 0.77 80.6 42.09 62.22

99.5 0.12 1.57 80.1 48.92 64.70

99.2 0.23 2.90 79.85 52.68 66.28

99.0 0.31 3.725 79.5 61.02 70.29

98.75 0.39 4.51 79.2 65.64 72.71

97.65 0.79 8.76 78.95 68.92 74.69

95.8 1.61 16.34 78.75 72.36 76.93

91.3 4.16 29.92 78.6 75.99 79.26

87.9 7.41 39.16 78.4 79.82 81.83

85.2 12.64 47.49 78.27 83.87 84.91

83.75 17.41 51.67 78.2 85.97 86.40

82.3 25.75 55.74 78.15 89.41 89.41

乙醇相对分子质量：46；水相对分子质量：18

25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力与乙醇浓度之间的关系为：

式中 σ——25℃时的乙醇和水的混合液的表面张力，N／m；

x——乙醇质量分数，％。

其他温度下的表面张力可利用下式求得

式中 σ1——温度为T1时的表面张力；N／m；

σ2——温度为T2时的表面张力；N／m；

TC——混合物的临界温度，TC＝∑xiTci ，K；

xi——组分i的摩尔分数；

TCi——组分i的临界温度， K。

料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数

X==0.174

X==0.838

X==0.0039

平均摩尔质量

M=0.17446.07+（1-0.174）18.02=22.9 kg/kmol

M= 0.83846.07+ (1-0.838) 18.02=41.52kg/kmol

M=0.003946.07+（1-0.0039）18.02=18.12kg/kmol

物料衡算

已知：F==74.83

总物料衡算 F=D+W=74.83

易挥发组分物料衡算 0.838D+0.0039W=74.830.174

联立以上二式得：

D=15.25kg/kmol

W=59.57kg/kmol

三 塔板数的确定

理论塔板数的求取

⑴根据乙醇——水气液平衡表1-6，作图

⑵求最小回流比Rmin和操作回流比

因为乙醇-水物系的曲线是不正常的平衡曲线,当操作线与q线的交点尚未落到平衡线上之前,操作线已经与平衡线相切,如图g点所示. 此时恒浓区出现在g点附近, 对应的回流比为最小的回流比. 最小回流比的求法是由点a(,)向平衡线作切线，再由切线的斜率或截距求

作图可知 b=0.342 b==0.342 Rmin =1.45

由工艺条件决定 R=1.6R

故取操作回流比 R=2.32

⑶求理论板数

塔顶，进料，塔底条件下纯组分的饱和蒸气压

组分 饱和蒸气压/kpa

塔顶 进料 塔底

水 44.2 86.1 101.33

乙醇 101.3 188.5 220.0

①求平均相对挥发度

塔顶 ===2.29

进料 ==2.189

塔底 ==2.17

全塔平均相对挥发度为

===2.23

===2.17

②理论板数

由芬斯克方程式可知

N===7.96

且

由吉利兰图查的 即

解得 =14.2 （不包括再沸器）

③进料板

前已经查出 即

解得 N=6.42

故进料板为从塔顶往下的第7层理论板 即=7

总理论板层数 =14.2 （不包括再沸器）

进料板位置=7

2、全塔效率

因为=0.17-0.616lg

根据塔顶、塔釜液组成，求塔的平均温度为，在该温度下进料液相平均粘计划经济为

=0.1740.41+（1-0.174）0.3206=0.336

=0.17-0.616lg0.336=0.462

3、实际塔板数

精馏段塔板数：

提馏段塔板数：

四、塔的工艺条件及物性数据计算

以精馏段为例：

操作压力为

塔顶压力： =1.04+103.3=104.34

若取每层塔板压强 =0.7

则进料板压力：=104.34+130.7=113.4kpa

精馏段平均操作压力 =kpa

2、温度

根据操作压力，通过泡点方程及安托因方程可得

塔顶 =78.36

进料板=95.5

=

3、平均摩尔质量

⑴ 塔顶==0.838 =0.825

= 0.83846.07+（1-0.838）18.02=41.52 kg/kmol

=0.82546.07+（1-0.825）18.02=41.15 kg/kmol

⑵ 进料板： = 0.445 =0.102

= 0.44546.07+（1-0.445）18.02=30.50 kg/kmol

=0.10246.07+（1-0.102）18.02=20.88 kg/kmol

精馏段的平均摩尔质量

= kg/kmol

= kg/kmol

4、平均密度

⑴液相密度

=

塔顶： ==796.7

进料板上 由进料板液相组成 =0.102

=

=

=924.2

故精馏段平均液相密度=

⑵气相密度

=

5、液体表面张力

=

=0.83817.8+(1-0.838)0.63=15.0

=0.10216.0+(1-0.102)0.62=2.20

=

6、液体粘度

=

=0.8380.55+(1-0.838)0.37=0.521

=0.1020.34+(1-0.102)0.29=0.295

=

以提馏段为例

平均摩尔质量

塔釜= 0.050=0.0039

=0.05046.07+(1-0.050)18.02=19.42 kg/kmol

=0.003946.07+(1-0.0039)18.02=18.12 kg/kmol

提馏段的平均摩尔质量

= kg/kmol

= kg/kmol

平均密度

塔釜，由塔釜液相组成 =0.0039

=0.01

=

∴ =961.5

故提馏段平均液相密度

=

⑵气相密度

==

五 精馏段气液负荷计算

V=（R+1）D=(2.32+1)15.25=50.63

== m

L=RD=2.3215.25=35.38

= m

六 提馏段气液负荷计算

V’=V=50.63

=0.382 m

L’=L+F=35.38+74.83=110.2

=0.0006 m

七 塔和塔板主要工艺尺寸计算

1塔径

首先考虑精馏段：

参考有关资料，初选板音距=0.45m

取板上液层高度=0.07m

故 -=0.45-0.07=0.38m

==0.0239

查图可得 =0.075

校核至物系表面张力为9.0mN/m时的C，即

C==0.075=0.064

=C=0.064=1.64 m/s

可取安全系数0.70，则

u=0.70=0.71.64=1.148 m/s

故 D==0.645 m

按标准，塔径圆整为0.7m，则空塔气速为0.975 m/s

2 精馏塔有效高度的计算

精馏段有效高度为

=(13-1)0.45=5.4m

提馏段有效高度为

=(20-1)0.45=8.55m

在进料孔上方在设一人孔，高为0.6m

故精馏塔有效高度为:5.4+8.55+0.6=14.55m

3 溢流装置

采用单溢流、弓形降液管

⑴ 堰长

取堰长=0.75D

=0.750.7=0.525m

⑵ 出口堰高

=

选用平直堰，堰上液层高度由下式计算

=

近似取E=1.03,则

=0.017

故 =0.07-0.017=0.053m

⑶ 降液管的宽度与降液管的面积

由查《化工设计手册》

得 =0.17,=0.08

故 =0.17D=0.12 =0.08=0.031

停留时间 =39.9s (>5s符合要求)

⑷ 降液管底隙高度

=-0.006=0.053-0.006=0.047m

塔板布置及浮阀数目击者及排列

取阀孔动能因子 =9

孔速 ===8.07m

浮阀数 n===39(个)

取无效区宽度 =0.06m

安定区宽度=0.07m

开孔区面积

R==0.29m

x==0.16m

故 ==0.175m

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排

取同一磺排的孔心距 a=75mm=0.075m

估算排间距h

h===0.06m

八 塔板流体力学校核

1、气相通过浮塔板的压力降，由下式

⑴ 干板阻力 ==0.027

⑵ 液层阻力 取充气系数数 =0.5,有

==0.50.07=0.035

⑶ 液体表面张力所造成阻力此项可以忽略不计。

故气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高度为：

=0.027+0.035=0.062m

常板压降

=0.062860.59.81=523.4(<0.7K,符合设计要求)。

淹塔

为了防止淹塔现象了生，要求控制降液管中清液层高度符合，其中

由前计算知 =0.061m,按下式计算

=0.153=0.153=0.00002m

板上液层高度 =0.07m,得：

=0.062+0.07+0.00002=0.132m

取=0.5,板间距今为0.45m,=0.053m,有

=0.5(0.45+0.053)=0.252m

由此可见：<，符合要求。

雾沫夹带

由下式可知 <0.1kg液/kg气

===0.069

浮阀塔也可以考虑泛点率，参考化学工程手册。

泛点率=100%

=D-2=0.7-20.12=0.46

=-2=0.3875-20.031=0.325

式中——板上液体流经长度，m

——板上液流面积，；

——泛点负荷系数，取0.126

K——特性系数，取1.0.

泛点率=

=36.2% (<80%,符合要求)

九 塔板负荷性能图

1、雾沫夹带线

按泛点率=80%计

100%=80%

将上式整理得

0.039+0.626=0.0328

与分别取值获得一条直线，数据如下表。

0.00035 0.00085

0.835 0.827

2、泛液线

通过式以及式得

=

由此确定液泛线方程。

=

简化上式得关系如下

计算数据如下表。

0.00035 0.00055 0.00065 0.00085

0.8215 0.8139 0.8105 0.8040

3、液相负荷上限线

求出上限液体流量值（常数）

以降液管内停留时间=5s

则

4、漏夜线

对于型重阀，由，计算得

则

5、液相负荷下限线

去堰上液层高度=0.006m

根据计算式求的下限值

取E=1.03

经过以上流体力学性能的校核可以将精馏段塔板负荷性能图划出。如图

由塔板负荷性能图可以看出：

① 在任务规定的气液负荷下的操作点

P（0.00083，0.630）（设计点），处在适宜的操作区内。

② 塔板的气相负荷上限完全有雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。

③ 按固定的液气比，即气相上限=0.630 ，气相下限=0.209 ，求出操作弹性K，即

K==3.01

十 精馏塔的主要附属设备

1 冷凝器

（1）冷凝器的选择：强制循环式冷凝器

冷凝器置于塔下部适当位置，用泵向塔顶送回流冷凝水，在冷凝器和泵之间需设回流罐，这样可以减少台架，且便于维修、安装，造价不高。

（2）冷凝器的传热面积和冷却水的消耗量

热流体为78.36℃的93%的乙醇蒸汽，冷流体为20℃的水

Q=qm1r1 Q=qm2r2

Q—单位时间内的传热量，J/s或W；

qm1, qm2—热、冷流体的质量流量，kg/s

r1 ,r2—热，冷流体的汽化潜热，J/kg

r1=600 kJ/㎏ r2=775 kJ/㎏qm1=0.153kg/s

Q=qm1r1=0.153×600000=91800J/s

Q=qm2r2=775000 qm2=91800

∴ qm2=0.12 kg/s

传热面积：

A=

==21.2

K取700W·m-2/℃

∴ A=

2 再沸器

（1）再沸器的选择：釜式再沸器

对直径较大的塔，一般将再沸器置于踏外。其管束可抽出，为保证管束浸于沸腾器液中，管束末端设溢流堰，堰外空间为出料液的缓冲区。其液面以上空间为气液分离空间。釜式再沸器的优点是气化率高，可大80%以上。

（2）加热蒸汽消耗量

Q=qm1r1 Q=qm2r2

Q—单位时间内的传热量，J/s或W；

qm1, qm2—热、冷流体的质量流量，kg/s

r1 ,r2—热，冷流体的汽化潜热，J/kg

∵ r1=2257 kJ/㎏r2=1333 kJ/㎏ qm2=0.43kg/s

∴ Q=qm2r1=0.43×1333=573.2 kJ/s=2257 qm1

∴ 蒸汽消耗量qm1为0.254 kg/s

表 浮阀塔板工艺设计计算结果

序号 项目 数值

1 平均温度tm，℃ 86.93

2 平均压力Pm，kPa 108.89

3 液相流量LS，m3/s 0.00035

4 气相流量VS，m3/s 0.375

5 实际塔板数 33

6 塔径，m 0.70

7 板间距,m 0.45

8 溢流形式 单溢流

9 堰长，m 0.525

10 堰高，m 0.053

11 板上液层高度，m 0.07

12 堰上液层高度，m 0.047

13 安定区宽度，m 0.07

14 无效区宽度，m 0.06

15 开孔区面积，m2 0.175

16 阀孔直径，m 0.039

17 浮阀数 39

18 孔中心距，m 0.075

19 开孔率 0.147

20 空塔气速，m/s 0.8

21 阀孔气速，m/s 8.07

22 每层塔板压降，Pa 700

23 液沫夹带，（kg液/kg气） 0.069

24 气相负荷上限，m3/s 0.00356

25 液相负荷上限，m3/s 0.00028

26 操作弹性 3.01

参考文献

[1]陈英男、刘玉兰.常用华工单元设备的设计[M].上海：华东理工大学出版社，2005、4

[2]刘雪暖、汤景凝.化工原理课程设计[M].山东：石油大学出版社，2001、5

[3]贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计[M].天津：天津大学出版社，2002、8

[4]路秀林、王者相.塔设备[M].北京：化学工业出版社，2004、1

[5]王明辉.化工单元过程课程设计[M].北京：化学工业出版社，2002、6

[6]夏清、陈常贵.化工原理（上册）[M].天津：天津大学出版社，2005、1

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[8]《化学工程手册》编辑委员会.化学工程手册—气液传质设备[M]。北京：化学工业出版社，1989、7

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课程设计心得

通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。

温度℃ 乙醇的摩尔分率

x y

95.5 0.0190 0.1700

89.0 0.0721 0.3891

86.7 0.0966 0.4375

85.3 0.1238 0.4704

84.1 0.1661 0.5089

82.7 0.2337 0.5445

82.3 0.2608 0.5580

81.5 0.3273 0.5826

80.7 0.3965 0.6122

79.8 0.5079 0.6564

79.7 0.5198 0.6599

79.3 0.5732 0.6481

78.74 0.6763 0.7385

78.41 0.7472 0.7815

78.15 0.8943 0.8943