【正文】 需求，燃料乙醇裝置產(chǎn)能擴(kuò)張不可避免。因此計(jì)劃到“十一五”末，國(guó)內(nèi)乙醇汽油消費(fèi)量占全國(guó)汽油消費(fèi)量的比例將上升到 50％以上，這意味著屆時(shí)中國(guó)燃料乙醇的產(chǎn)能和產(chǎn)量將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。不久的將來(lái)生物乙醇燃料 [23]的發(fā)展將成為我國(guó)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)！ 本設(shè)計(jì)主要采用 單濃度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵 [3]，發(fā)酵后 成熟的醪液進(jìn)入醪塔，在醪塔中的酒精蒸汽（主要考慮為水和乙醇的混合物）經(jīng)過(guò)冷卻后進(jìn)入 原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開(kāi)了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后 通過(guò)預(yù)熱器后 進(jìn)入 分子篩塔進(jìn)一步進(jìn)行脫水 ，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷 卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終， 基本 完成 乙醇和水 的分離。 乙醇 — 水混合液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱，進(jìn)料狀況為汽液混合物 q=1 送入精餾塔，塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余經(jīng)塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻后，送至下一工段 ,塔釜采用直接蒸汽加熱 ,塔底產(chǎn)品冷卻后 ,送入貯罐。 3 第 1章 全程原材料（糖蜜）的計(jì)算 理論糖蜜消耗量 [11] 糖蜜原料生產(chǎn)酒精的總化學(xué)反應(yīng)式為： C12H22O11＋ H2O→ 2C6H12O6→ 4C2H5OH＋ 4CO2 蔗糖 葡萄糖 乙醇 342 360 184 176 生產(chǎn) 2萬(wàn)噸（ 2*107kg） 無(wú)水酒精的理論蔗糖消耗量： 2*107（ 342247。 184）﹦ *107（ ㎏ ） 生產(chǎn) 2萬(wàn)噸（ 2*107kg kg） 95%的酒精 (酒精中的乙醇 95%（ m） )的理論蔗糖消耗量： *107 95％﹦ *107（ ㎏ ） 實(shí)際糖蜜 消耗量 生產(chǎn) 2萬(wàn)噸（ 2*107kg kg） 95%的酒精實(shí)際蔗糖消耗量： 生產(chǎn)過(guò)程中蒸餾率為 98﹪ ，發(fā)酵率為 90﹪ ，則實(shí)際蔗糖消耗量為： *107247。 98﹪ 247。90 ﹪﹦ *107（ ㎏ ） 生產(chǎn) 2萬(wàn)噸（ 2*107kg kg） 95%的酒精糖蜜原料消耗量： 糖蜜原料含可發(fā)酵性糖 50%，故 2 萬(wàn)噸 95%的酒精糖蜜消耗為： *107247。 50﹪ =*107（ kg） 第 2 章 精餾塔的相關(guān)概述 精餾原理及其在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用 實(shí) 際生產(chǎn)中，在精餾塔中精餾 [6]時(shí)， 部分氣化和部分冷凝是同時(shí) 進(jìn)行的。對(duì)理想液態(tài)混合物精餾時(shí)，最后得到的餾液 (氣相冷卻而成 )是沸點(diǎn)低的物質(zhì)，而殘液是沸點(diǎn)高的物質(zhì)，精餾是多次簡(jiǎn)單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最 4 高；塔頂溫度最低。精餾結(jié)果，塔頂冷凝收集的是純低沸點(diǎn)組分，純高沸點(diǎn)組分則留在塔底。 精餾塔對(duì)塔設(shè)備 [16,20]的要求 精餾設(shè)備所用的設(shè)備及其附屬裝置 ，總稱(chēng)為精餾裝置，其核心為精餾塔。常用的精餾塔有板式塔和填料塔兩類(lèi)，通稱(chēng)塔設(shè)備，和其他傳質(zhì)過(guò)程一樣，精餾塔對(duì)塔設(shè)備的要求 [22]大致如下： 一：生產(chǎn)能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會(huì)產(chǎn)生液泛等不正 常流 動(dòng)。 二：效率高：氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質(zhì)效率。 三：流體阻力?。毫黧w通過(guò)塔設(shè)備時(shí)阻力降小，可以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用，在減壓操作是時(shí)，易于達(dá)到所要求的真空度。 四：有一定的操作彈性：當(dāng)氣液相流率有一定波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，而且不會(huì)使效率發(fā)生較大的變化。 五：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝檢修方便。 六：能滿(mǎn)足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。 常用板式塔類(lèi)型及本設(shè)計(jì)的選型 常用板式塔類(lèi)型有很多，如：篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。而浮閥塔具有很多 優(yōu)點(diǎn)，且加工方便，故有關(guān)浮閥塔板的研究開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)較其他形式的塔板廣泛，是目前新型塔板研開(kāi)發(fā)的主要方向。近年來(lái)與浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質(zhì)設(shè)備，浮閥塔多用不銹鋼板或合金 。實(shí)際操作表明，浮閥在一定程度的漏夜?fàn)顟B(tài)下，使其操作板效率明顯下降，其操作的負(fù)荷范圍較泡罩塔窄，但設(shè)計(jì)良好的塔其操作彈性仍可達(dá)到滿(mǎn)意的程度。 浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)。所以在此我們使用浮閥塔，浮閥塔的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，制造方便；塔板開(kāi)孔率大，生產(chǎn)能力大等。 乙醇與水的分離是正常物 系的分離，精餾的意義重大，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，對(duì)于提純物質(zhì)有非常重要的意義。所以有必要做好本次設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)所選塔的特性 5 浮閥塔的優(yōu)點(diǎn)是： 一 ．生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開(kāi)孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20%～ 40%，與篩板塔接近。 二 ．操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比篩板塔，泡罩塔都大。 三 ．塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 四 ．氣體壓降及液面落 差小，因氣液流過(guò)浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 五 ．塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%～ 80%，但是比篩板塔高 20%～ 30。 但是 其缺點(diǎn)是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時(shí)，閥片易與塔板粘結(jié) ； 在操作過(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。 所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價(jià)昂貴，推廣受到一定限制。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來(lái)，浮閥塔的推廣并不是越來(lái)越廣。 近幾十年來(lái)，人們對(duì)浮閥塔的研究越來(lái)越深入，生產(chǎn)經(jīng) 驗(yàn)越來(lái)越豐富，積累的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較完整，因此設(shè)計(jì)浮閥塔比較合適。 第 3 章 精餾塔的設(shè)計(jì)內(nèi)容 塔板的工藝設(shè)計(jì) 精餾塔全塔物料衡算 （ 1）料液及塔頂、塔底產(chǎn)品中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù) F：原料液流量（ kmol/s） xF：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同） D：塔頂產(chǎn)品流量（ kmol/s） xD：塔頂組成 W：塔底殘液流量（ kmol/s） xW：塔底組成 2 0 / 4 6 8 . 9 1 %2 0 / 4 6 8 0 / 1 8Fx ???原 料 乙 醇 組 成 ： 6 9 5 / 4 6 8 8 . 1 4 %9 5 / 4 6 5 / 1 8Dx ???塔 頂 組 成 ： 0 . 2 / 4 6 0 . 0 7 8 %0 . 2 / 4 6 9 9 . 8 / 1 8Wx ?塔 底 組 成 ： （ 2）平均摩爾質(zhì)量 MF=46*+()*18=MD=46*+()*18=Mw=46*+()*18=（ 3）料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率 以 300 天 /a 計(jì)有： D’ =20200t/a=1*107kg/7200h=（ 95%C2H5OH） /h （ 4）全塔物料衡算： D= D’ / MD=F=D+W （ 31） x F D WF x D x W?? （ 32） 即 =+ 經(jīng)計(jì)算得： F= 理論塔板 數(shù) 的 確定 理論塔板數(shù) NT的求取 （ 1）乙醇 水相平衡數(shù)據(jù) 表 常壓下乙醇 水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系 [78] 溫度 /℃ 液相 氣相 溫度 /℃ 液相 氣相 溫度 /℃ 液相 氣相 100 7 本題中，塔內(nèi)壓力接近于常壓（實(shí)際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，因?yàn)椴僮鲏毫ζx常 壓很小，所以其對(duì) xy 平衡關(guān)系的影響完全可以忽略。 （ 2）確定操作的回流比 R 理論板：指離開(kāi)這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。 理論板的計(jì)算方法：可采用逐板計(jì)算法，圖解法，在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用圖解法。 根據(jù) 5? 下，乙醇 — 水的氣液平衡組成關(guān)系可繪出平衡曲線(xiàn)，即xy 曲線(xiàn)圖， 泡點(diǎn)進(jìn)料， q = 1，即 q 為一直線(xiàn)，本平衡 曲線(xiàn) 具有下凹部分， 精餾段 操作線(xiàn)尚未落到平衡線(xiàn)前，已與平衡線(xiàn)相切， ? , ? ,所以 ? ， 操作回流比 [1819] m ? ? ? (33) 圖 水圖解法示意圖 （ 3）求取理論塔板數(shù) 1 + 0 . 8 0 3 0 . 1 7 411 Dn n nxRy x xRR? ? ? ???已 知 ： 精 餾 段 操 作 方 程 ： 1 2. 74 4 0. 00 13 6nmyx? ??提 餾 段 操 作 方 程 ： 在圖上作操作線(xiàn)，由點(diǎn)（ , ）起在平衡線(xiàn)與操作線(xiàn)間畫(huà)階梯， 8 過(guò)精餾段操作線(xiàn)與 q線(xiàn)交 點(diǎn) ， 直到階梯與平衡線(xiàn)交點(diǎn)小于 為止，由此得到理論板 NT = 26 塊（包括再沸器）加料板為第 24塊理論板。 實(shí)際塔板數(shù) NP 板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體及流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映 了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的程度。板效率 計(jì)算 可用奧康奈爾公式 [19] )( ?? LET ?? 其中： ? —— 塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度； ? L—— 塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度 smPa? （ 1） 利用表 中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得 tF、 tD、 tW tF ： 8 9 . 08 9 . 0 8 6 . 70 . 0 7 2 0 . 0 9 7 0 . 0 8 9 1 0 . 0 7 2Ft ?? ??? tF = ℃ tD ： 7 8 . 1 57 8 . 1 5 7 8 . 4 10 . 8 9 4 0 . 7 4 7 0 . 8 8 1 4 0 . 8 9 4Dt ?? ??? tD = ℃ tW ： 1001 0 0 9 5 .50 0 .0 1 9 0 .0 0 0 7 8 0Wt ?? ??? tW = ℃ 精餾段平均溫度： 1 8 7 . 4 1 7 8 . 1 7 8 2 . 7 922FDttt ? ?? ? ? ℃ 提餾段平均溫度： 2 9 3 .6 12FWttt ??? ℃ （ 2）精餾塔平均組成：可以由平均溫度計(jì)算 1 8 2 .7 9t ?精 餾 段 :由 ℃ 11 18 4 . 1 8 2 . 7 8 2 . 7 9 8 2 . 7: , 0 . 2 2 9 40 . 1 6 6 0 . 2 3 4 x 0 . 2 3 4xx?? ??可 得 液 相 組 成 11 18 4 . 1 8 2 . 7 8 2 . 7 9 8 2 . 7: , 0 . 5 4 2 20 . 5 0 9 0 . 5 4 5 0 . 5 4 5yy y????氣 相 組 成 2 9 3 .6 1tC??提 餾 段 ： 由 2 29 5 . 5 8 9 . 0 9 3 . 6 1 8 9 . 0: 2 0 . 0 3 4 40 . 0 1 9 0 . 0 7 2 0 . 0 7 2xx x?? ??可 得 液 相 組 成 ， 9 22 29 5 . 5 8 9 . 0 9 3 . 6 1 8 9 . 0: 0 . 2 3 3 70 . 1 7 0 0 . 3 8 9 0 . 3 8 9yy y????氣 相 組 成 ， (3) 相對(duì)揮發(fā)度 精餾段揮發(fā)度：由 ? ， ? 得 ? ， ? 0 . 5 4 2 2 0 . 7 7 0 6 3 . 9 80 . 4 5 7 8 0 . 2 2 9 4ABBAyxyx? ?? ? ??所 以 ： （ 34） 提餾段揮發(fā)度：由 39。 ? ， 39。 ? 得 39。 ? ， 39。 ? 39。39。39。39。39。 0 . 2 3 3 7 0 . 9 6 5 6 8 . 5 60 . 7 6 6 3 0 . 0 3 4 4ABBAyxyx? ?? ? ??所 以 ： (4)實(shí)際塔板數(shù) 精餾段 已知： ?? ， sm ??? 所以： )3 6 4 ( ???? ? 23ENN TTP ???精 （ 35） 故 ： 52NP ?精 塊 提餾段 已知： 39。 ?? ， sm ???