【正文】 它的主要優(yōu)點(diǎn)是： ①結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，造價為泡罩塔的 60%左右，為浮閥塔的 80%左右； ②在相同條件下，生產(chǎn)能力比泡罩塔大 20%～ 40%； ③塔板效率較高，比泡罩塔高 15%左右，但稍低于浮閥塔； ④氣體壓力降較小，每板壓力降比泡罩塔約低 30%左右。 缺點(diǎn)是： ①小孔篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液； ②操作彈性較小（約 2～ 3）。 蒸餾是分離均相混合物的單元操作，精餾是最常用的蒸餾方式，是 組成化工生產(chǎn)過程的主要單元操作。精餾是典型的化工操作設(shè)備之一。進(jìn)行此次課程設(shè)計的目的是為了培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識 ,來解決實際化工問題的能力 ,做到能獨(dú)立進(jìn)行化工設(shè)計初步訓(xùn)練，為以后從事設(shè)計工作打下堅實的基礎(chǔ)。 4 摘 要 本次設(shè)計對一定量的乙醇和水的分離設(shè)備 —— 精餾塔做了較詳細(xì)的敘述，主要包括：工藝計算，設(shè)備泵計算 ,塔設(shè)備等的附圖 .化工原理是化學(xué)工業(yè)的理論指導(dǎo)， 精餾塔是大型的設(shè)備組裝件，分為板式塔和填料塔兩大類， 其中，篩板精餾塔在實際中應(yīng)用較為廣泛，它的設(shè)計是化工原理課程的重要組成部分，通過對 乙醇 水 分離的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用化原理論知識，分析、解決實際問題的能力，掌握化工設(shè)計的基本程序和方法。并在查閱文獻(xiàn)、準(zhǔn)確選用公式和合理利用數(shù)據(jù)，以及用簡潔文字、圖表表達(dá)設(shè)計結(jié)果及制圖等方面能力得到基本訓(xùn)練。 關(guān)鍵詞：水、乙醇、連續(xù)精餾、精餾段、提餾段、篩板塔 5 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 ：乙醇 — 水二元物料板式精餾塔 ：常壓 P=1atm(絕壓 ) 原料來自粗餾塔，為 95℃～ 96℃飽和蒸汽，由于沿途熱損 失， 進(jìn)精餾塔時，原料溫度約為 90℃； 塔頂濃度為含乙醇 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的酒精，產(chǎn)量為 25噸 /天； 塔釜為飽和蒸汽直接加熱，從塔釜出來的殘液中乙醇濃度要求不大于%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。 塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流，回流比 R=（ — ） Rmin ： （ 1）精餾塔工藝設(shè)計計算 （ 2）全凝器工藝設(shè)計計算 （ 3）精餾工藝過程流程圖 （ 4）精餾塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 （ 5）塔盤結(jié)構(gòu)圖 （ 6）設(shè)計說明書 ： （ 1）完成精餾塔工藝設(shè)計（包括輔助設(shè)備及進(jìn)出口管路的計算與選型）。 （ 2）畫出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、塔板負(fù)荷性能圖、塔板、精餾塔工藝條件圖。 （ 3）完成精餾塔設(shè)計說明書，包括設(shè)計結(jié)果匯總及設(shè)計評價。 ： (1) 全塔物料衡算 （ 2）求理論塔板數(shù) (3) 全塔熱量衡算 (4) 氣液相負(fù)荷及特性參數(shù) (5) 篩板塔設(shè)計 (6) 流體力學(xué)性能校核 (7) 畫出負(fù)荷性能 ： 篩板塔是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的一種塔型，設(shè) 計比較成熟，具體優(yōu)點(diǎn)如下： (1) 結(jié)構(gòu)簡單、金屬耗量少、造價低廉 . (2) 氣體壓降小、板上液面落差也較小 . (3) 塔板效率較高 . (4) 改進(jìn)的大孔篩板能提高氣速和生產(chǎn)能力，且不易堵塞塞孔 . ： (1) 設(shè)計方案的選定：對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的形式進(jìn)行簡要的論述。 6 (2) 主要的設(shè)備工藝設(shè)計的計算：物料衡算、熱量衡算、工藝常數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。 (3) 輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算；設(shè)備規(guī)格型號的選定。 (4) 工藝流程圖： 以單圖線的形式描繪，標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料方向、物流量、能流量、主要測量點(diǎn)。 (5) 主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。編寫設(shè)計說明 . (6) 篩板精鎦塔設(shè)計任務(wù)及說明∶在常壓連續(xù)篩板精餾塔中精餾分離含乙醇 17%的乙醇 — 水混合液，要求塔頂餾出液中含乙醇量不低于 %，塔底釜液中含苯量不低于%（以上均為摩爾分率） . ： （ 1）使兩相在塔板上充分接觸 . （ 2）汽液兩相總體上呈逆流，每一層塔板上均勻錯流接觸 . 7 第 1 章 緒論及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 乙醇和水的物理性質(zhì) 表 11乙醇和水物性表 項 目 分子式 分子量 沸 點(diǎn)℃ 臨界溫度℃ 臨界壓強(qiáng) KPA 乙醇 A 25CHOH 60148 水 B 2HO 100 常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù) 表 12 氣液平衡數(shù)據(jù)表 溫度 t℃ 液相中乙醇的摩爾分率 % 氣相中乙醇的摩爾分率 % 100 8 乙醇和水物性數(shù)據(jù) 乙醇和水各種物性數(shù)據(jù)見表 13到表 16。 表 13 液相密度 溫度 t,℃ 70 80 90 100 110 A? ,kg/m3 B? ,kg/m3 表 14 液體的表面張力 ? 溫度 t,℃ 70 80 90 100 110 A? ,mN/m B? ,mN/m 表 15 液體的粘度L? 溫度 t,℃ 70 80 90 100 110 LA? mPa 9 LB? mPa 表 16 液體氣化熱 ? 溫度 t,℃ 70 80 90 100 110 A? ,kJ/kg B? ,kJ/kg 2283. 注：表中乙醇以 A表示，水以 B表示，以下相同。表中數(shù)據(jù)摘自《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》（ P494— 495）和天津大學(xué)《化工原理》上冊及《化工原理課程設(shè)計指導(dǎo)書》 乙醇的生產(chǎn)方法和粗醇精制的目的 1 乙醇的生產(chǎn)方法 發(fā)酵法 乙醇的工業(yè)生產(chǎn)方法可以歸納為發(fā)酵法和水合法兩大類。發(fā)酵法有糧食發(fā)酵 法、木材水解發(fā)酵法、亞硫酸鹽廢堿液法；水合法有乙烯間接水合法和 乙烯直接水合法。此外 ,最近美國、日本、意大利等國家正在開發(fā)一種用一氧化碳、氫氣（或甲烷）進(jìn)行羰基合成制 糧食發(fā)酵法是最早發(fā)明的乙醇生產(chǎn)方法，該法至今仍被采用，特別是飲用酒均采用此法，其基本原理是將葡萄糖（ 6126 OHC ） 在有能引發(fā)發(fā)酵的物質(zhì)的物質(zhì)存在的情況下，經(jīng)蒸餾、糖化等階段而轉(zhuǎn)化成乙醇。 6 12 5 2 12 22 1112 22 11 2 6 12 66 12 6 2 5 211( ) (22222m C H O mH O m C H OC H O H O C H OC H O C H OH C O??????糖 化 酶 ）麥 芽 糖 酶酒 化 酶 10 為了 制備乙醇，要用硫酸或鹽酸處理（水解）木材，將纖維變成葡萄糖。然后再進(jìn)入制醇的發(fā)酵階段。 6 12 5 2 6 12 6xC H O x H O x C H O??（ ） （纖維） （葡萄糖） 在用纖維造紙的企業(yè)中，有大量的廢亞硫酸鹽堿液產(chǎn)生，對這種廢液經(jīng)過蒸煮等過程的處理后得到乙醇。這種乙醇通常稱作亞硫酸鹽乙醇。這種酒精溶液是很稀的溶液，大約含 1％的乙醇，經(jīng)蒸餾后便可得到純度為 95％的乙醇。 總之，發(fā)酵法由于受到原料來源限制和乙醇成本高的原因，其發(fā) 展就受到限制，同時這種方法也不適應(yīng)大規(guī)模的乙醇生產(chǎn)。 一、 乙烯水合法 2 2 2 4 3 2 22 2 2 4 3 2 23 2 2 2 2 5 2 43 2 2 2 2 5 2 422C H C H H SO C H C H O SO O HC H C H H SO C H C H O SOC H C H O SO O H H O C H O H H SOC H C H O SO H O C H O H H SO? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?第 一 步 ：或 （ ）第 二 步 ：（ ） 乙烯直接水合法系乙烯和水在催化劑、高溫、加壓條件下直接加成得到乙 醇的方法： 2 4 2 2 52 3 0 3 0 0 7 0 8 0C H H O C H O HC??。催 化 解～ ， ～ 大 氣 壓 該法又稱為一步法。 11 二、 其他方法 1乙醛加氫法：3 2 2 5CH CH O H C H O H? 催 化 劑 2 粗醇精制的目的 利用乙烯直接水合法合成的乙醇溶液中大部分是水，乙 醇濃度僅為 10～ 15％ 左右，其中還含有少量的乙醚、乙醛、丁醇及其他有機(jī)化合物。這種沒有經(jīng) 過精制的乙醇簡稱粗醇。 我國目前的乙醇標(biāo)準(zhǔn)還是以釀造法為依據(jù)而制定的，分為精餾級、醫(yī)藥級和 工業(yè)級三種。 精餾流程的確定 乙醇 — 水的混合液用機(jī)泵經(jīng)原料預(yù)熱器加熱后，送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后，冷凝液部分利用重力泡點(diǎn)回流；部分連續(xù)采出經(jīng)冷卻器冷卻后送至產(chǎn)品罐。塔釜采用直接蒸汽（ 110℃水蒸汽）加熱，塔底廢水經(jīng)冷卻后送入貯槽，具體流程參見附圖（ 11）。 在流程確定方案選擇上，本設(shè)計盡可能 的減少固定投資，降低操作費(fèi)用，以期提高經(jīng)濟(jì)效益。 加料方式的選擇： 設(shè)計任務(wù)年產(chǎn)量雖小，但每小時 的進(jìn)料量，為維持生產(chǎn)穩(wěn)定，如采用高位槽進(jìn)料，就需要一個約 4～ 5 3m 的高位槽，這是不太常見的。從減少固定投資，提高經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，選用強(qiáng)制進(jìn)料的加料方式。 圖 11 精餾過程簡圖 第 2 章 精餾塔工藝計算 12 全塔工藝計算 精餾塔二元物系物料衡算 查表可知，乙醇 — 水的 進(jìn)料組成 ? ，由條件可知，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量 ?DX ， ? ，所以 因為要求設(shè)計的生產(chǎn)能力是 25T/天，所以 2 5 1 0 0 0 1 0 4 1 . 6 72 5 / 1 0 4 1 . 6 7 2 4 . 9 6 52 4 4 1 . 7 2 5kg k m o lD hh?? ? ? ? ?噸 天 ???????????????????FqDRSXWXDSXFWDSFWDF)1()1( ???????????????????FSWFWSF)()(0 0 0 1 1 1 8 解得： ??????????????111 196 30 0hk m olWhk m olShk m olF 操作溫度的計算 利用乙醇 水的 汽 液平衡數(shù)據(jù)，有插值法可以求得： CTD ?? CT W ?100? CT F ?? 相對揮發(fā)度的計算 由 ?xF , ?yF則， ??F 由 ?DX ， ?Dy 則， ??D 由 ? ， ?yw 則， ??W 精餾段的平均揮發(fā)度 1 ???? CtCt?? ????????提留段精餾段 13 提留段的平均揮發(fā)度 2 ???? 全塔的平均相對揮發(fā)度 21 ????? ??? 確定合適的回流比 min DqqqxyR yx?? ? = ?? = 操作回流比取 R=（ ～ ） minR ∴取操作回流比 R= min= = ( 由優(yōu)化得到 ) 操作線方程 1 11dnnxRyxRR? ???? 精餾段操作線方程： 提餾段操作方程 精餾塔理論塔板數(shù)及理論加料位置 由逐板法計算，編程計算出精餾塔理論塔板數(shù)及理論 加料位置 精餾段 4 塊 提餾段 20 塊 第 5塊加料 y x 1 2 3 4 5 6 ??? nn xy 14 7 8