乙醇精餾塔畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘 要乙醇是一種極重要的有機(jī)化工原料，也是一種燃料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。隨著乙醇工業(yè)的迅速成熟，各種制乙醇的方法相繼產(chǎn)生。由于乙醇與水混合物的特殊性，即相對(duì)揮發(fā)度的不同且在一定濃度時(shí)生成共沸物，精餾操作一直是乙醇生產(chǎn)不可缺少的工序。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是根據(jù)20萬(wàn)噸乙醇生產(chǎn)工藝的需求，通過(guò)物料衡算和熱量衡算以及板式浮閥塔設(shè)計(jì)的理論知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)浮閥塔，并由負(fù)荷性能圖來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。此外，本設(shè)計(jì)遵循經(jīng)濟(jì)、資源綜合利用、環(huán)保的原則，嚴(yán)格控制工業(yè)三廢的排放，充分利用廢熱，降低能耗，提高工藝的可行性。關(guān)鍵詞：乙醇精餾； 浮閥塔；塔附件設(shè)計(jì)abstractethanol is a very import

2、ant organic chemical raw material, but also a fuel, in the national economy occupied a very important position. with the rapid ethanol industry matures, various methods have been found. as a characteristic of a mixture of ethanol and water, the difference of the relative volatility and is generated

3、in a certain concentration azeotrope, distillation operation has been indispensable step of ethanol production.the design of the main content is based on 200,000 tons of ethanol production technology，which needs through material balance and energy balance and the plate valve column design theory to

4、design the float valve column by load performance diagrams for verification. in addition, the design follows the economy, resource utilization, environmental protection principles, strictly control industrial waste emissions, the full use of waste heat, reduce energy consumption and improve the feas

5、ibility of the process.keywords: ethanol distillation， valve column， design目 錄摘 要iabstractii第一章 緒 論11.1 設(shè)計(jì)的目的和意義11.2 產(chǎn)品的性質(zhì)及用途11.2.1 物理性質(zhì)11.2.2 化學(xué)性質(zhì)21.2.3 乙醇的用途2第二章 工藝流程的選擇和確定32.1 粗乙醇的精餾32.1.1 精餾原理32.1.2 精餾工藝和精餾塔的選擇32.2 乙醇精餾流程5第三章 物料和能量衡算73.1 物料衡算73.1.1 粗乙醇精餾的物料平衡計(jì)算73.1.2 主塔的物料平衡計(jì)算83.2 主精餾塔能量衡算93.2.1

6、 帶入熱量計(jì)算93.2.2 帶出熱量計(jì)算103.2.3 冷卻水用量計(jì)算10第四章 精餾塔的設(shè)計(jì)114.1 主精餾塔的設(shè)計(jì)114.1.1 精餾塔全塔物料衡算及塔板數(shù)的確定114.1.2 求最小回流比及操作回流比124.1.3 氣液相負(fù)荷124.2 求操作線方程124.3 圖解法求理論板134.3.1 塔板、氣液平衡相圖134.3.2 板效率及實(shí)際塔板數(shù)144.4 操作條件144.4.1 操作壓力144.4.2 混合液氣相密度154.4.3 混合液液相密度164.4.4 表面張力164.5 氣液相流量換算19第五章 塔徑及塔的校核215.1 塔徑的計(jì)算215.2 溢流裝置235.2.1 堰長(zhǎng)235

7、.2.2 出口堰高235.2.3 弓形降液管的寬度和橫截面積235.2.4 降液管底隙高度245.3 塔板布置245.4 浮閥數(shù)目與排列245.5 氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降265.6 淹塔275.7 塔板負(fù)荷性能圖285.7.1 霧沫夾帶線285.7.2 液泛線295.7.3 液相負(fù)荷上限線305.7.4 漏液線305.7.5 液相負(fù)荷下限線31第六章 塔附件設(shè)計(jì)346.1 接管設(shè)計(jì)346.2 壁厚356.3 封頭356.4 裙座356.5 塔高的計(jì)算356.5.1 塔的頂部空間高度356.5.2 塔的底部空間高度366.5.3 塔立體高度36第七章 總結(jié)37致 謝38參考文獻(xiàn)39第一章 緒 論

8、1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義由于我國(guó)石油資源短缺，能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，尋求替代能源已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。乙醇作為石油的補(bǔ)充已成為現(xiàn)實(shí)，發(fā)展乙醇工業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。煤在世界化石能源儲(chǔ)量中占有很大比重（我國(guó)情況更是如此），而且煤制乙醇的合成技術(shù)很成熟。隨著石油和天然氣價(jià)格的迅速上漲，煤制乙醇更加具有優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)遵循“工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、配置科學(xué)、安全環(huán)?！钡脑瓌t；結(jié)合乙醇的性質(zhì)特征設(shè)一座年產(chǎn)20萬(wàn)噸煤制乙醇的生產(chǎn)車間。作為替代燃料，近幾年，汽車工業(yè)在我國(guó)獲得了飛速發(fā)展，隨之帶來(lái)能源供應(yīng)問(wèn)題。石油作為及其重要的能源儲(chǔ)量是有限的，而乙醇燃料以其安全、廉價(jià)、燃燒充分，利

9、用率高、環(huán)保的眾多優(yōu)點(diǎn)，替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的發(fā)展方向之一。我國(guó)政府已充分認(rèn)識(shí)到發(fā)展車用替代燃料的重要性，并開(kāi)展了這方面的工作。通過(guò)設(shè)計(jì)可以鞏固、深化和擴(kuò)大所學(xué)基本知識(shí)，培養(yǎng)分析解決問(wèn)題的能力；還可以培養(yǎng)創(chuàng)新精神，樹(shù)立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)。通過(guò)完成設(shè)計(jì)，可以知道乙醇的用途；基本掌握煤制乙醇的生產(chǎn)工藝；了解國(guó)內(nèi)外乙醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；以及乙醇工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。1.2 產(chǎn)品的性質(zhì)及用途1.2.1 物理性質(zhì)乙醇是一種很好的溶劑，既能溶解許多無(wú)機(jī)物，又能溶解許多有機(jī)物，所以常用乙醇來(lái)溶解植物色素或其中的藥用成分，也常用乙醇作為反應(yīng)的溶劑，使參加反應(yīng)的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物均能溶解，增大接觸面積，提高反應(yīng)速

10、率。例如，在油脂的皂化反應(yīng)中，加入乙醇既能溶解naoh，又能溶解油脂，讓它們?cè)诰啵ㄍ蝗軇┑娜芤海┲谐浞纸佑|，加快反應(yīng)速率，提高反應(yīng)限度。乙醇的物理性質(zhì)主要與其低碳直鏈醇的性質(zhì)有關(guān)。分子中的羥基可以形成氫鍵，因此乙醇黏度很大，也不及相近相對(duì)分子質(zhì)量的有機(jī)化合物極性大。室溫下，乙醇是無(wú)色易燃，且有特殊香味的揮發(fā)性液體。1.2.2 化學(xué)性質(zhì)乙醇具有酸性（不能稱之為酸，不能使酸堿指示劑變色，也不與堿反應(yīng)，也可說(shuō)其不具酸性）乙醇分子中含有極化的氧氫鍵，電離時(shí)生成烷氧基負(fù)離子和質(zhì)子。乙醇的pka=15.9，與水相近。乙醇的酸性很弱，但是電離平衡的存在足以使它與重水之間的同位素交換迅速進(jìn)行。因?yàn)橐掖伎梢?/p>

11、電離出極少量的氫離子，所以其只能與少量金屬（主要是堿金屬）反應(yīng)生成對(duì)應(yīng)的醇金屬以及氫氣。醇可以和高活躍性金屬反應(yīng)，生成醇鹽和氫氣。醇金屬遇水則迅速水解生成醇和堿。（1）乙醇可以與金屬鈉反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，但不如水與金屬鈉反應(yīng)劇烈。（2）活潑金屬（鉀、鈣、鈉、鎂、鋁）可以將乙醇羥基里的氫取代出來(lái)。1.2.3 乙醇的用途乙醇可作為溶劑、各種化合物的結(jié)晶、洗滌劑、萃取劑；可用于有機(jī)合成；食用酒精可以勾兌白酒；可用作粘合劑、硝基噴漆、清漆、化妝品、油墨、脫漆劑等的溶劑以及農(nóng)藥、醫(yī)藥、橡膠、塑料、人造纖維、洗滌劑等的制造原料、還可以做防凍劑、燃料、消毒劑等。一般使用 95%的酒精用于器械消毒；7075%的酒

12、精用于殺菌，例如 75%的酒精在常溫（25）下一分內(nèi)可以殺死 大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、白色念球菌、銅綠假單胞菌等；更低濃度的酒精用于降低體溫，促進(jìn)局部血液循環(huán)等。但是研究表明，乙醇不能殺死細(xì)菌芽孢，也不能殺死肝炎病毒（如：乙肝病毒）。故乙醇只能用于一般消毒，達(dá)不到滅菌標(biāo)準(zhǔn)！因其是良好的有機(jī)溶劑，所以中醫(yī)用它來(lái)送服中藥，以溶解中藥中大部分有機(jī)成分并對(duì)中藥有防腐作用。乙醇也可調(diào)入汽油，作為車用燃料。乙醇汽油也被稱為（e型汽油），我國(guó)使用乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。它可以改善油品的性能和質(zhì)量，降低一氧化碳、碳?xì)浠衔锏戎饕廴疚锱欧拧?第二章 工藝流程的選擇

13、和確定2.1 粗乙醇的精餾在乙醇合成時(shí)，因合成條件如壓力、溫度、合成氣組成及催化劑性能等因素的影響，在產(chǎn)生乙醇反應(yīng)的同時(shí)，還伴隨著一系列的副反應(yīng)。所得產(chǎn)品除乙醇為，還有乙醇、水、醚、醛、酮、酯、烷烴、有機(jī)酸等幾十種有機(jī)雜質(zhì)。由于乙醇作為有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料，用它加工的產(chǎn)品種類很多，因此對(duì)乙醇的純度均有一定的要求。乙醇的純度直接影響下游產(chǎn)品的質(zhì)量、消耗、安全生產(chǎn)及生產(chǎn)過(guò)程中所用的催化劑的壽命，所以粗乙醇必須提純。2.1.1 精餾原理精餾是將沸點(diǎn)不同的組分所組成的混合液，在精餾塔中，同時(shí)多次部分氣化和多次部分冷凝，使其分離成純態(tài)組分的過(guò)程。其分離的原理如下：對(duì)于由沸點(diǎn)不同的組分組成的混合液，加熱到一

14、定溫度，使其部分氣化，并將氣相與液相分離。因低沸點(diǎn)組分易于氣化，則所得氣相中低沸點(diǎn)組分含量高于液相中的含量，而液相中高沸點(diǎn)組分含量，較氣相中高。若將氣相混合蒸汽再部分冷凝下來(lái)，將冷凝液再加熱到一定溫度，使其部分氣化，并將氣相與液相分離，則所得氣相冷凝液中的低沸點(diǎn)組分又高于原氣相冷凝液。如此反復(fù)，低沸點(diǎn)組分不斷提高，到最后制得接近純態(tài)的低沸點(diǎn)組分。2.1.2 精餾工藝和精餾塔的選擇 乙醇精餾按工藝主要分為兩種：雙塔精餾工藝技術(shù)和三塔精餾工藝技術(shù)。雙塔精餾工藝技術(shù)由于具有投資少、建設(shè)周期短、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其在聯(lián)醇裝置中得到了迅速推廣。三塔精餾工藝技術(shù)是為減少產(chǎn)物在精餾中的損耗和提高熱利用率，而開(kāi)

15、發(fā)的一種先進(jìn)、高效和能耗較低的工藝流程。近年來(lái)在大、中型企業(yè)中得到了推廣和應(yīng)用。a .雙塔精餾工藝國(guó)內(nèi)中、小乙醇廠大部分都選用雙塔精餾工藝傳統(tǒng)的主、預(yù)精餾塔幾乎都選用板式結(jié)構(gòu)。來(lái)自合成工段的粗乙醇，經(jīng)減壓進(jìn)入粗乙醇貯槽。經(jīng)粗乙醇預(yù)熱器加熱到45后進(jìn)入預(yù)精餾塔。乙醇的精餾分2個(gè)階段：先在預(yù)塔中脫除輕餾分后進(jìn)入主精餾塔，進(jìn)一步把高沸點(diǎn)的重餾分雜質(zhì)脫除，從塔頂或側(cè)線采出.經(jīng)精餾乙醇冷卻器冷卻至常溫后，就可得到純度較高的精乙醇產(chǎn)品。該工藝具有流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，一次投資少的特點(diǎn)。b.三塔精餾工藝 近年來(lái)，許多企業(yè)原有乙醇雙塔精餾裝置已不能滿足企業(yè)的需要。隨著生產(chǎn)的強(qiáng)化，不僅消耗大幅度上升，而

16、且殘液中的乙醇含量也大大超過(guò)了工藝指標(biāo)。對(duì)企業(yè)的達(dá)標(biāo)排放構(gòu)成了較大的威脅。 乙醇三塔精餾工藝技術(shù)是為了減少乙醇在精餾過(guò)程中的損耗，提高乙醇的收率和產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。預(yù)精餾塔后的冷凝器采用一級(jí)冷凝，用以脫除二甲醚等低沸點(diǎn)的雜質(zhì)，控制冷凝器氣體出口溫度在一定范圍內(nèi)。在該溫度下，幾乎所有的低沸點(diǎn)餾分都為氣相，不造成冷凝回流。脫除低沸點(diǎn)組分后，采用加壓精餾的方法，提高乙醇?xì)怏w分壓與沸點(diǎn)，減少乙醇的氣相揮發(fā)，從而提高了乙醇的收率。作為一般要求的精乙醇經(jīng)加壓精餾塔后就可以達(dá)到合格的質(zhì)量。如作為特殊需要，則再經(jīng)過(guò)常壓精餾塔的進(jìn)一步提純。生產(chǎn)中加壓塔和常壓塔同時(shí)采出精乙醇，常壓塔的再沸器熱量由加壓塔的塔頂氣提

17、供，不需要外加熱源。粗乙醇預(yù)熱器的熱量由精乙醇提供，也不需要外供熱量。因此.該工藝技術(shù)生產(chǎn)能力大，節(jié)能效果顯著，特別適合較大規(guī)模的精乙醇生產(chǎn)。c.雙塔與三塔精餾技術(shù)比較（1）工藝流程。三塔精餾與雙塔精餾在流程上的區(qū)別在于三塔精餾采用了2臺(tái)主精餾塔(其中1臺(tái)是加壓塔)和1臺(tái)常壓塔，較雙塔流程多1臺(tái)加壓塔。這樣，在同等的生產(chǎn)條件下，降低了主精餾塔的負(fù)荷，并目常壓塔利用加壓塔塔頂?shù)恼羝淠裏嶙鳛榧訜嵩?，所以三塔精餾既節(jié)約蒸汽，又節(jié)省冷卻水。（2）蒸汽消耗。在消耗方面，由于常壓塔加壓塔的蒸汽冷凝熱作為加熱源，所以三塔精餾的蒸汽消耗相比雙塔精餾要低。（3）產(chǎn)品質(zhì)量。三塔精餾制取的精乙醇純度較高，含有的有

18、機(jī)雜質(zhì)相對(duì)較少。（4）設(shè)備投資。三塔精餾的流程較雙塔精餾流程要復(fù)雜，所以在投資方面，同等規(guī)模三塔精餾的設(shè)備投資要比雙塔精餾高出20%30%。（5）操作方面。由于雙塔精餾具有流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以在操作上較三塔精餾要方便簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)中乙醇產(chǎn)量為20萬(wàn)t/a，屬于中型產(chǎn)量，由于生產(chǎn)能力小，蒸汽消耗量對(duì)全廠成本及蒸汽平衡影響比較小，可選用二塔流程。乙醇與水共沸物濃度為95.6%，雙塔精餾大可滿足精餾純度的要求。通過(guò)上述比較可知，三塔精餾技術(shù)的一次性投入要比雙塔精餾高出20%到30%。乙醇精餾綜合考慮各項(xiàng)因素，所以設(shè)計(jì)可采用雙塔精餾工藝。粗乙醇降壓到0.05mpa后人閃蒸槽，釋放出溶解在粗乙醇

19、中的大部分氣體，出來(lái)的粗乙醇則進(jìn)入精餾塔。其中一個(gè)塔為粗餾塔，另一個(gè)為精餾塔，兩塔之間不直接連通，互相影響較小，操作方便。乙醇混合液首先通過(guò)蒸發(fā)得到一定濃度的乙醇溶液，再通過(guò)精餾系統(tǒng)達(dá)到乙醇的共沸濃度，最后通過(guò)分子篩脫水得到無(wú)水乙醇。d.精餾塔的選擇精餾塔是粗乙醇精餾工序的關(guān)鍵設(shè)備，它直接制約著生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、消耗、生產(chǎn)能力及對(duì)環(huán)境的影響。所以要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際條件選擇合適的高效精餾塔。目前常用的精餾塔主要有四種塔型：泡罩塔，浮閥塔，填料塔和新型垂直篩板塔。其各自結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下：（1）泡罩塔 泡罩塔十多層板式塔，每層塔板上裝有一個(gè)活多個(gè)炮罩。該類型塔塔板效率高，操作彈性大，塔阻力小，但單位面

20、積的生產(chǎn)能力低，設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資較大。該塔已經(jīng)逐漸被其他塔代替。（2）浮閥塔 浮閥塔的塔板結(jié)構(gòu)與泡罩相似，致使浮閥代替了泡罩及其伸氣管。該類型塔板效率高，單位面積生產(chǎn)能力大，造價(jià)較低。但浮閥易損壞，維修費(fèi)用高。（3）填料塔 填料塔是在塔內(nèi)裝填新型高效填料，如不銹鋼網(wǎng)波紋填料，每米填料相當(dāng)5塊以上的理論板。塔總高一般為浮閥塔的一半。該塔生產(chǎn)能力大，壓降小，分離效果好，結(jié)果簡(jiǎn)單，維修量極小，相對(duì)投資較小，是目前使用較多的塔型之一。（4）新型垂直篩板塔 新型垂直篩板塔的傳質(zhì)單元，是由塔板開(kāi)有升氣孔及罩于其上的帽罩組成。該塔傳質(zhì)效率高，傳質(zhì)空間利用率好，處理能力大，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，

21、抗結(jié)垢、防堵塞性能好,由于操作氣速高，氣流自清洗能力強(qiáng)且升氣孔直徑大，很不容易堵塞，投資省，傳質(zhì)單元的間距較大，便于布置加熱和冷卻排管。板上液面梯度小，液面橫向混合好、無(wú)流動(dòng)及傳質(zhì)死區(qū)。綜合比較上面四種塔，可以知道浮閥塔和新型垂直篩板塔性質(zhì)更加優(yōu)越，同時(shí)浮閥塔技術(shù)更成熟，操作簡(jiǎn)單，而且維修費(fèi)用較低，所以設(shè)計(jì)選用了浮閥塔。2.2 乙醇精餾流程精餾系統(tǒng)采用雙塔蒸餾流程，其中一個(gè)塔為粗餾塔，另一個(gè)為精餾塔，兩塔之間不直接連通，互相影響較小，操作方便。乙醇混合液首先通過(guò)蒸發(fā)得到一定濃度的乙醇溶液，再通過(guò)精餾系統(tǒng)達(dá)到乙醇的共沸濃度，最后通過(guò)分子篩脫水得到無(wú)水乙醇。來(lái)自合成工段的粗乙醇，經(jīng)減壓進(jìn)入粗乙醇貯

22、槽。經(jīng)粗乙醇預(yù)熱器加熱到45后進(jìn)入預(yù)精餾塔。從塔頂出來(lái)的氣體先經(jīng)過(guò)一級(jí)冷凝器冷卻，冷凝液體進(jìn)入預(yù)精餾塔回流槽，通過(guò)預(yù)塔回流泵回流到預(yù)精餾塔頂部，未冷凝氣體進(jìn)入二級(jí)冷凝器，其中不凝氣體通過(guò)預(yù)塔水封放空。其中冷凝液進(jìn)入二級(jí)冷凝液儲(chǔ)槽，進(jìn)行脫鹽水萃取，萃取后的乙醇水進(jìn)入預(yù)精餾塔回流槽進(jìn)行回流，預(yù)塔回流槽中需要通過(guò)堿液泵加入2%到5%的堿液，用于防腐蝕。在預(yù)塔中脫除輕餾分后進(jìn)入主精餾塔，進(jìn)一步把高沸點(diǎn)的重餾分雜質(zhì)脫除，從塔頂或側(cè)線采出。經(jīng)精餾乙醇冷卻器冷卻至常溫后，通過(guò)分子篩脫水得到無(wú)水乙醇。塔底的廢水經(jīng)常壓塔廢水冷卻器冷卻，并經(jīng)過(guò)常壓塔廢水泵送到廢水處理工段，工藝流程如圖2-1：圖2-1 精餾段工藝

23、流程圖figure 2-1 flow chart of rectifying section第三章 物料和能量衡算3.1 物料衡算3.1.1 粗乙醇精餾的物料平衡計(jì)算(1) 進(jìn)料a.粗乙醇：35889.48 kg/h 。根據(jù)以上計(jì)算列表3-1：表3-1 進(jìn)料量table 3-1 feed rate組分乙醇乙醛異丁醇水合計(jì)流量：kg/h25000340.9521.5341065236014.5組成：(wt)%69.310.950.0629.68100b.堿液：據(jù)資料，堿液濃度為8%時(shí)，每噸粗乙醇消耗0.1 kg的naoh。則消耗純naoh：0.136014.50.00013.601kg/h換成8

24、%為：3.601/8% =45.0125 kg/hc.軟水：據(jù)資料記載。軟水加入量為粗乙醇的20%計(jì)，則需補(bǔ)加軟水：36014.520%45.01(18%)=7161.5kg/h據(jù)以上計(jì)算列表3-2：表3-2 預(yù)塔進(jìn)料及組成table 3-2 pre-tower feeding and composition物料量：kg/hch5ohh2onaohch3choc4h9oh合計(jì)粗乙醇2500010652340.9521.53436014.5堿液41.413.60145.01軟水7161.57161.5合計(jì)2500017854.913.601340.9521.53443221.01(2) 出料a.

25、塔底。 乙醇： 25000kg/h b.塔底水。粗乙醇含水：10652kg/h 堿液帶水：41.41 kg/h 補(bǔ)加軟水：7161.5 kg/h 合計(jì)：17854.91kg/h c.塔底異丁醇及高沸物：21.534kg/h d.塔頂乙醛及低沸物：340.95kg/h由以上計(jì)算列表3-3：表3-3預(yù)塔出料流量及組成table 3-3 pre-tower discharge flow rate and composition物料量kg/hch5ohh2onaohchchoc4h9oh合計(jì)塔頂340.95340.95塔底2500017854.913.60121.53442880.045合計(jì)25000

26、17854.913.601340.9521.53443220.995 3.1.2 主塔的物料平衡計(jì)算 (1) 進(jìn)料 預(yù)后粗乙醇：42880.045kg/h (2) 出料主塔塔釜液中的乙醇占乙醇總量的0.5%。塔頂乙醇含量94%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（經(jīng)分子篩脫水后達(dá)到99.5%）：塔頂出料： g94 %=2500099.5%99.5%則塔頂出料g=26330.45kg/h 塔釜 g=250000.5%=125kg/h g=17854.91-(26330.45-2500099.5%) =16399.46kg/h表3-4 塔釜組成table 3-4 tower reactor components塔釜乙醇水

27、naoh高沸物塔釜kg/h12516399.463.60121.534總出料：由以上計(jì)算，得表3-4甲醇精餾塔物料平衡匯總表：?jiǎn)挝唬簁g/h，總物料為25000+17854.91+3.601+21.534=42880.045kg/h得乙醇精餾塔物料平衡匯總表3-5： 表3-5 乙醇精餾塔物料平衡匯總表table 3-5 summary of ethanol distillation column material balance物料總物料塔頂出料塔釜出料乙醇2500024875125naoh3.6013.601水17854.911455.4516399.46高沸物21.53421.534合計(jì)4

28、2880.04526330.4516549.5953.2 主精餾塔能量衡算3.2.1 帶入熱量計(jì)算查化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，乙醇露點(diǎn)溫度t=78操作條件：塔頂78.2，塔釜100，進(jìn)料溫度81.2，回流液溫度40，取回流液與進(jìn)料的比例為3.75:1。帶入熱量見(jiàn)表3-6：q入=q進(jìn)料+q回流液+q加熱= 4993800+5977515.02+1942102 +q加熱= 12913417+ q加熱表3-6主塔入熱t(yī)able 3-6 the heat bring into the main column 物 料進(jìn) 料回流液加熱蒸汽組分乙醇水+堿乙醇流量：kg/h2500017280.4519736.84溫

29、度：81.281.240比熱：kj/kg2.464.262.46熱量:kg/h49938005977515.021942102q加熱3.2.2 帶出熱量計(jì)算所以q出 2583423020675563.58307507235324.45%q入 = 53775867.98+5%q入帶出熱量見(jiàn)表3-7：表3-7主塔物料帶出熱量table 3-7 pylons materials bring out the heat物料精乙醇回流液殘液熱損失組分乙醇乙醇乙醇水+堿流量：kg/h2487519736.8412517280.45溫度：78.278.2100100比熱：kj/kg2.462.462.464.

30、187潛熱：kj/kg846.19855.19熱量:kg/h2583423020675563.58307507235324.45%q入因?yàn)椋簈出q入所以：q入= q出= 56606176.8kj/h所以：q =56606176.8 12913417 = 43692759.8kj/h已知水蒸氣的汽化熱為2118.6 kj/kg所以：需蒸汽g3蒸汽=43692759.82118.6= 2062kg/h3.2.3 冷卻水用量計(jì)算對(duì)熱流體：q入q產(chǎn)品精乙醇+q回流液= 4993800+5977515.021942102=12913417kj/hq出 = q精乙醇(液)+q回流液(液)=25834230

31、+20675563.58=46509793= 46509793kj/hq傳 = 56606176.8(1-5%) 46509793= 7266074.96kj/h冷卻水溫：30到50 所以：每噸精乙醇消耗g3水=t水/t精乙醇 第四章 精餾塔的設(shè)計(jì)4.1 主精餾塔的設(shè)計(jì)表4-1 乙醇精餾塔物料平衡匯總表table 4-1 summary of ethanol distillation column material balance物料總物料塔頂出料塔釜出料乙醇2500024875125naoh3.6013.601水17854.911455.4516399.46高沸物21.534 21.534合

32、計(jì)42880.04526330.4516549.5954.1.1 精餾塔全塔物料衡算及塔板數(shù)的確定f：原料液流量（kmol/s） x：原料液組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）d：塔頂產(chǎn)品組成（kmol/s） x：塔頂組成w：塔底殘夜流量（kmol/s） x：塔底組成原料乙醇組成：x=35.4%塔頂組成：x=86.0%塔底組成：x=0.297%f=0.4269kmol/sd=0.1727kmol/sw=0.2542kmol/s4.1.2 求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比 泡點(diǎn)進(jìn)料 所以q=1 根據(jù)x-y圖過(guò)（，）作與氣液平衡的一條切線，如圖所示，點(diǎn)h（4.42%,30.86%） 得： =2.0

33、85 操作回流比: 4.1.3 氣液相負(fù)荷l=rd= 3.750.1727=0.6476kmol/sv=(r+1)d=4.750.1727=0.8203 kmol/sl=l+qf=0.6476+10.4269=1.0745 kmol/s v=v=0.8203 4.2 求操作線方程1. 精餾段操作線： 式中：精餾段中第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)； 精餾段第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。化簡(jiǎn)得： y=x+=0.79x+0.181 其中，r=ld為回流比。2. 提餾段方程：式中：提餾段第m層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)； 提餾段第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。簡(jiǎn)

34、化得：y=x-=1.31x-0.000934.3 圖解法求理論板4.3.1 塔板、氣液平衡相圖由精餾段方程可得在y上的交點(diǎn)(0,18.1),連接兩點(diǎn)，得精餾段操作線。由提餾段操作線方程任意取兩個(gè)點(diǎn)（0.1，0.13）、（0.5,0.654），連接兩點(diǎn)得提餾段操作線。由點(diǎn)（86,86）起在平衡線與操作線間畫(huà)階梯，直到階梯線與對(duì)角線的交點(diǎn)小于0. 294為止，如圖：圖4-2 平衡相圖equilibrium phase diagram in figure 4-2由此得理論板n=24塊(包括再沸器)，加料版為第21塊理論板。4.3.2 板效率及實(shí)際塔板數(shù)由黏度、揮發(fā)度算得： =20/0.48=41.7

35、 取整為42塊=3/0.39=7.7 取整為8塊（不包括再沸器）全塔所需實(shí)際塔板數(shù)=42+8=50塊，其中第43塊為進(jìn)料板4.4 操作條件4.4.1 操作壓力塔頂操作壓力：=101.3+4=105.3kpa每層塔板壓降：p=0.65kpa進(jìn)料板壓力 ： 105.3+0.6550=132.6kpa精餾段平均壓力：=118.95 kpa塔底壓力 ： =105.3+0.6550=137.8kpa提餾段平均壓力：=135.2 kpa（1）溫度 ： ，得=81.12：，得=78.2=100精餾段平均溫度：=80提餾段平均溫度：=90.564.4.2 混合液氣相密度混合氣密度公式： 精餾段：=80c液相平

36、均組成： = =50.2% 氣相平均組成： = =65.4%=+(1-)=57.92%46+(1-57.92%)18=32.1=+(1-)=65.4%46+（1-65.4%）18=36.3=71.94%=1-=1-0.7786=28.16%提餾段：同理：=90.56c時(shí)=5.05% =32.8%=+(1-)=5.05%46+(1-5.05%)18=19.42=+(1-)=32.8%46+(1-32.8%)18=27.184=11.96%=1-=1-0.1196=88.04%精餾段：提留段：4.4.3 混合液液相密度表4-3 不同溫度下乙醇和水的密度table 4-3 at different

37、temperatures the density of ethanol and water溫度溫度80735971.395720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在 79.66和90.56下的乙醇和水的密度：=90.56 = =723.55 1kg/ =963.75kg/同理： =80 =735kg/ =971.3kg/在精餾段：=+=+ 得： =788.9kg/ 提餾段：=+=+ 得： =926.95kg/4.4.4 表面張力 二元有機(jī)-水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算： 公式： =+ = =聯(lián)立以下各式求、 +=1 b = lg（） q = 0.4

38、41()a = b + q 精餾段：=80 表4-4 乙醇水的表面張力table 4-4 surface tension of ethanol and water 溫度/c 708090100乙醇表面張力/n/ 1817.15 16.215.2水表面張力/n/ 64.3 62.6 60.7 58.8 = = =0.02282/kmol=22.82 = = =0.05831/kmol乙醇表面張力： 又 ： =0.109 聯(lián)立解得： 提餾段：= = =0.01936/ mol = = =0.04947乙醇表面張力： 插值得： 又 ： =6.478 聯(lián)立解得： 則： 4.5 氣液相流量換算精餾段：l

39、= 0.6476kmol/s v=0.8203kmol/s=34.22kg/kmol =37.26kg/kmol=775.48 kg/ =1.577 kg/則：質(zhì)量流量： （取小點(diǎn)）提餾段: =1.0745 kmol/s =0.8203 kmol/s =19.42 kg/kmol =27.184 kg/kmo=926.95 kg/ =1.22 kg/ （取小點(diǎn)）第五章 塔徑及塔的校核5.1 塔徑的計(jì)算精餾段塔徑計(jì)算：橫坐標(biāo)：液氣動(dòng)能參數(shù)：選取: 板間距 則：=0.68m圖5-1 史密斯關(guān)聯(lián)圖figure 5-1 smith relationships查圖可知：校正： 將塔圓整： =3. 3m橫

40、截面積：空塔氣速：提餾段：橫坐標(biāo)：液氣動(dòng)能參數(shù)：選取：板間距 則：=0.68m查圖可知：校正： 由于精餾段的直徑為3.3米，根據(jù)塔的要求不可能塔的下端比上段小的情況，將塔圓整： =3.3 m 橫截面積： 空塔氣速：5.2 溢流裝置5.2.1 堰長(zhǎng) 采用單溢流：取5.2.2 出口堰高本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上高度 按下式計(jì)算 近似取液流收縮系數(shù)：e=1精餾段：提餾段：5.2.3 弓形降液管的寬度和橫截面積 查圖：,則： 校驗(yàn)：精餾段停留時(shí)間： 提餾段停留時(shí)間：5.2.4 降液管底隙高度即為降液管底緣與塔板的距離。 -0.006 精餾段：0.0344-0.006=0.0284提餾段：0.038-0.0

41、06=0.0325.3 塔板布置（1）邊緣區(qū)： （2）泡沫區(qū)：（3）鼓泡區(qū)面積： =6.556m5.4 浮閥數(shù)目與排列浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個(gè)橫排的孔心距t=75mm精餾段：取閥孔動(dòng)能因子 圓整n=1128個(gè)則： 考慮到塔的直徑較大。必須采用分塊式塔板，而各分塊板的支承與銜接也要占去一部分泡鼓區(qū)面積，因此排間距不宜采用77.5mm，而應(yīng)小于此值，故取 圖5-2 浮閥塔板分塊結(jié)構(gòu)figure 5-2 valve trays block structure按t=75mm 以等腰三角形叉排方式作圖，排得閥數(shù)1168個(gè)閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在912范圍內(nèi)。提餾段：取閥孔動(dòng)能因子取整數(shù)

42、位1016個(gè)則： 考慮到塔的直徑較大。必須采用分塊式塔板，而各分塊板的支承與銜接也要占去一部分泡鼓區(qū)面積，因此排間距不宜采用84mm，而應(yīng)小于此值，故取閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在912范圍內(nèi)5.5 氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降可根據(jù) 計(jì)算 精餾段（1）干板阻力 因 故 （2） 板上充氣液層阻力：本設(shè)備分離水和乙醇的混合物，即液相為碳?xì)浠衔铮扇?（3）液體表面張力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不計(jì)。因此與氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)?shù)母叨葹?提餾段（1） 干板阻力 因 故=19.9=0.032（2）板上充氣液層阻力：本設(shè)備分離水和乙醇的混合物，即液相為碳?xì)浠衔?，可?（3）液體表面張力所造成的阻力

43、此阻力很小，可忽略不計(jì)。因此與氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)?shù)母叨葹?5.6 淹塔為防止發(fā)生淹塔現(xiàn)象，要求控制降液管中清液高度精餾段（1） 單層氣體通過(guò)塔板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨龋海?）液體通過(guò)降液管的壓頭損失，因不設(shè)進(jìn)口堰 （3）板上液層高度 取，已選定則可見(jiàn)，所以符合防止淹塔的要求提餾段（1） 單層氣體通過(guò)塔板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨龋海?）液體通過(guò)降液管的壓頭損失（3）板上液層高度 取，已選定則可見(jiàn)，所以符合防止淹塔的要求5.7 塔板負(fù)荷性能圖5.7.1 霧沫夾帶線 泛點(diǎn)率= 據(jù)此可作出負(fù)荷性能圖中的霧沫夾帶線，按泛點(diǎn)率85%計(jì)算精餾段： 整理得： 即 ：提餾段： 整理得： 即 ： 得坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)如下：

44、表5-3 霧沫夾帶線數(shù)據(jù)table 5-3 entrainment line data精餾段0.020.005精餾段提餾段20.40.0221.60.005提餾段22.0723.45.7.2 液泛線 由此可確定液泛線，忽略式中 而 :精餾段：0.392 整理得： 提餾段： 0.394 整理得： 表5-4 在操作范圍內(nèi)任意取若干個(gè)對(duì)應(yīng)值table 5-4 in the operating range of any number of corresponding values taken精餾段 0.0050.010.02精餾段 53.152.050.0提餾段60.758.955.275.7.3 液

45、相負(fù)荷上限線液體的最大流量應(yīng)保證降液管中停留時(shí)間不低于35s液體降液管內(nèi)停留時(shí)間以作為液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的下限則： 5.7.4 漏液線對(duì)于型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則精餾段 提餾段 5.7.5 液相負(fù)荷下限線取堰上高度作為液相負(fù)荷下限條件作出液相負(fù)荷下限線，該線為與氣相流量無(wú)關(guān)的豎直線 取 則由以上各線作出塔板負(fù)荷性能圖由塔板負(fù)荷性能圖可看出： 在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點(diǎn)p (設(shè)計(jì)點(diǎn))處在適宜操作區(qū)內(nèi)的適中位置； 塔板的氣相負(fù)荷上限完全由霧沫夾帶控制，操作下限由漏液控制； 按固定的液氣比 圖5-5 精餾段負(fù)荷性能圖figure 5-5 rectifying section

46、load performance chart圖5-6 提餾段負(fù)荷性能圖figure 5-6 load stripping section performance chart 表5-7 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果table 5-7 valve tower process design calculations項(xiàng)目符號(hào)單位精餾段提餾段備注塔徑3.33.3板間距0.750.75塔板類型單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速2.162.14堰長(zhǎng)2.1452.145堰高0.03440.038板上液層高度0.070.07降液管底隙高度0.03560.032浮閥數(shù)11281128等腰三角形叉排同一排孔心距相鄰橫排中

47、心距離閥孔氣速8.768.66浮閥動(dòng)能因子10.629.57臨界閥孔氣速8.9510.07孔心距0.0750.065排間距0.0750.065單板壓降650650液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間 17.120降液管內(nèi)液層高度0.17130.153液相負(fù)荷上限0.090.09液相負(fù)荷下限0.001830.00183第六章 塔附件設(shè)計(jì)6.1 接管設(shè)計(jì) 塔頂乙醇蒸汽出口管由前面計(jì)算可知：塔頂乙醇蒸汽流量為26330.45kg/h，溫度78.2 ，則體積流量為：v=15872.2m3/h蒸汽流速，取u=20 m/s則出口管面積s=0.22m2所以：出口管徑d1=0.53m查表可用規(guī)格： 回流液進(jìn)口管已知：回流液

48、溫度為70，取液體流速u=2m/s則回流液入口管d2=0.1297m=130mm查表可用規(guī)格： 塔底出料管因塔底含醇0.5%，可近似為水，查表知0.137mpa，100下水的密度為1000kg/m3，而塔底出料流量為0.2542kmol/s，0.254219.4210001000=4.94m3/s取流速為20m/s。則出口管徑：d3=0.561 m查表可用規(guī)格： 進(jìn)料管進(jìn)料狀態(tài)為81.2 ，0.126 mpa，d=0.1727kmol/s 摩爾質(zhì)量約為32.1所以：進(jìn)料體積流量為：v=0.172732.1 =5.5m3/h進(jìn)料管流速取為u=20m/s，則進(jìn)料管徑： d4=0.592 m查表可用規(guī)格：6.2 壁厚選用20r鋼為塔體材料，由于是常溫常壓操作，取壁厚sn=10 mm6.3 封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料為20r鋼，壁厚與塔體相同，即：sn=10 mmhi=1000=750 mm，h0=60 mm6.4 裙座以q235-a鋼為裙座材料，壁厚為10 mm，高度為3m，裙座與簡(jiǎn)體的連接采用對(duì)焊來(lái)校核強(qiáng)度。6.5 塔高的計(jì)