【正文】 輕工等工業(yè)生產(chǎn)中中占有重要的地位。為此，掌握氣液相平衡關(guān)系，熟悉各種塔型的操作化工原理課程設(shè)計 5 特性，對選擇、設(shè)計和分析分離過程中的各種參數(shù)是非常重要的。 塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備類型之一。 目前用于氣液分離的傳質(zhì)設(shè)備主要采用板式塔。 對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾過程。本課程設(shè)計是設(shè)計水 乙醇混合液浮閥精餾塔。浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價等方面都比較優(yōu)越。 本次設(shè)計的浮閥 塔是化工生 產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設(shè)備。 此設(shè)計針對二元物系的精餾問題進(jìn)行分析、選取、計算、核算、繪圖等，是較完整的精餾設(shè)計過程。 精餾設(shè)計包括設(shè)計方案的選取，主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算 —— 物料衡算、熱量衡算、工藝參數(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，輔助設(shè)備的選型，工藝流程圖，主要設(shè)備裝置 圖等內(nèi)容。通過對精餾塔的運算，可以得出精餾塔的各種設(shè)計如塔的工藝流程、生產(chǎn)操作條件及物性參數(shù)是合理的，換熱器和泵及各種接管尺寸是合理的，以保證精餾過程的順利進(jìn)行并使效率盡可能的提高 。 關(guān)鍵詞：精餾、乙醇 水、浮閥塔、 傳質(zhì)分離 第一章 緒 論 設(shè)計背景 乙醇的用途很廣。它是一種很好的溶劑，既能溶解許多無機物，又能溶解許多有機物，所以常用乙醇來溶解植物色素或其中的藥用成分 。不同濃度的乙醇可以用來作化工原理課程設(shè)計 6 為消毒劑。乙醇也可以作為酒精的飲料和汽車的燃料。 要想把低純度的乙醇水溶液提純 到高純 度，要用連續(xù)精餾的方法，因為乙醇和水的揮發(fā)度相差不大。精餾是液體混合物的 分離過程，即同時進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程，因此可使混合液 得到幾乎完全的分離?；S中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內(nèi)進(jìn)行 ，塔內(nèi)裝有若干層塔板或充 填一定高度的填料。為實現(xiàn)精餾分離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引 入下降液。可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，還必須有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時還要配原料液預(yù)熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實現(xiàn)整個操作。 工業(yè)制法 發(fā)酵法 發(fā)酵法制乙醇是在釀酒的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)，曾是生產(chǎn)乙醇的唯一工業(yè)方法。發(fā)酵法的原料可以是含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品，如谷類、薯類或野生植物果實等；也可用制糖廠的廢糖蜜；或者用含纖維素的木屑、植物莖稈等。這些物質(zhì)經(jīng)一定的預(yù)處理后，經(jīng)水解（ 用廢蜜糖作原料部經(jīng)這一步）、發(fā)酵，即可制得乙醇。 發(fā)酵液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 6%~10%，并含有其他一些有機雜質(zhì)，經(jīng)精餾可得 95%的工業(yè)乙醇。 乙烯水化法 ① 乙烯 間接水合法 也稱硫酸酯法，反應(yīng)分兩步進(jìn)行。首先，將乙烯在一定溫度、壓力條件下通入濃硫酸中，生成硫酸酯，再將硫酸酯在水解塔中加熱水解而得乙醇，同時有副產(chǎn)物乙醚生成。間接水合法可用低純度的乙醇作原料、反應(yīng)條件較溫和，乙烯轉(zhuǎn)化率高，但設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，生產(chǎn)流程長，已為直接水合法取代。 ② 乙烯直接水化法，就是在加熱 、 加壓和有催化劑存在的條件下，是乙烯與水直接反應(yīng)，生產(chǎn)乙醇： CH2═CH 2 + H─OH→C 2H5OH（該反應(yīng)分兩步進(jìn)行，第一步是與醋酸汞等汞鹽在水 四氫呋喃溶液中生成有機汞化合物，而后用硼氫化鈉還原）此法中的原料 — 乙烯可大量取自石油裂解氣，成本低，產(chǎn)量大，這樣能節(jié)約大量糧食，因此發(fā)展很快。 設(shè)計方案 本設(shè)計任務(wù)為乙醇 — 水混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程 （ 精餾是利用物質(zhì)沸點的不同，多次進(jìn)行混合蒸汽的部分冷凝和混合 液的部分蒸發(fā)的過程，以達(dá)到分離目的） 。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料，將原料 液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比 取最小回流比的 倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 塔的選擇 化工原理課程設(shè)計 7 塔設(shè)備是煉油和化工生產(chǎn)的重要設(shè)備，其目的在于提供氣液兩相充分接觸的場所，有效地實現(xiàn)兩相間的傳熱、傳質(zhì)，以達(dá)到理想的分離效果，因此他在石油化工生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。 浮閥塔與 20世紀(jì) 50 年代初期在工業(yè)上開始推廣使用，由于它兼有泡罩塔和 浮閥 塔的優(yōu)點，已成為國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的塔型，特別是在石油、化學(xué)工業(yè)中使用最普遍。浮閥有很多種形式，但最常用的形式是 F1 型和 V4 型。 F1 型浮閥的結(jié)果簡單、制造方便、節(jié)省材料、性能良好，廣泛應(yīng)用在化工及煉油生產(chǎn)中，現(xiàn)已列入部頒標(biāo)準(zhǔn)（ JB16868）內(nèi)， F1型浮閥又分輕閥和重閥兩種，但一般情況下都采用重閥，只有處理量大且要求壓強降很低的系統(tǒng)中，才用輕閥。浮閥塔具有下列優(yōu)點： 生產(chǎn)能力大。 操作彈性大。 塔板效率高。 氣體壓強降及液面落差較小。 塔的造價低。浮閥塔不宜處理易結(jié)焦或黏度大的系統(tǒng)，但對于黏度稍大 及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)，浮閥塔也能正常操作。 化工生產(chǎn)對塔設(shè)備的基本要求：（ 1）生產(chǎn)能力大。在較大的氣、液負(fù)荷或波動時，仍能維持較高的傳質(zhì)速率。（ 2）流體阻力小，運轉(zhuǎn)費用低。（ 3）能提供足夠大的相間接觸面積，使氣、液兩相在充分接觸的情況下進(jìn)行傳質(zhì)，達(dá)到高的分離效率。（ 4）結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，金屬消耗量少，制造費用低。（ 5）不易堵塞，容易操作，便于安裝、調(diào)節(jié)和檢修。 第二章 工藝計算 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾 分率及餾出液流量 化工原理課程設(shè)計 8 乙醇的摩爾質(zhì)量 MA = 46kg/kmol 水的摩爾質(zhì)量 MB = 18kg/kmol XF = ()/(()+()) = XD = ()/(()+()) = XW = ()/(()+()) = 餾出液流量 ： D = (5000 1000 )/(330 24 ( 46+ 18)) = kmol/h 最小回流比和適宜回流比的選取 （ 1） 最小回流比 乙醇 水體系為非理想體系，其平衡曲線有下凹部分，當(dāng)操作線與 q 線的交點尚未落在平衡線上之前，操作線已與平衡性相切，如圖一 中 g點 所示， 為此 衡濃區(qū)出現(xiàn) g點 附近 。此時 Rmin可由 點（ xD,xD） 向平衡線做切線的截距 求得 。 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 1 0 0 . 0 1 2 0 . 0 0 20 40 60 80 100 120y /%x /%g( 0 ,3 5 . 2 6 ) 圖一 最小回流比的確定 由圖 一 可知，該切線的截距為 xD/(Rmin+1) = 可得 Rmin = （ 2）確定合適的回流比 取 R = 則 R = = 由于物料采用泡點進(jìn)料， q = 1,則有 L = RD = = V = (R + 1)D = (+1) = 物料衡算 物料衡算式為： F = D + W ① 化工原理課程設(shè)計 9 FxF = DxD + Wxw ② 聯(lián)立 ① ② 帶入 已知數(shù)據(jù)求解得 F = kmol/h W = kmol/h 回收率 乙醇的回收率： H = DxD/FxF =( )/( ) = % 水的回收率： H = W(1xw) / F(1xF) = ( ())/( ()) = % 操作線方程 精餾段操作線方程為： y =（ R/(R+1)） x + xD/（ R+1） = (+1) + (+1) = + L′ = L + qF = + 1 = 提留段操作線方程為： y = (L′ /(L′ W))x xw(W/(L′ W)) = ()/()( )/() = 塔板數(shù)的確定 理論板數(shù)的確定 采用直角階梯法求理論板層數(shù)，如 下 圖 （圖二） 所示，在塔底或恒沸點附近作圖時需要將 圖 局部放大。 化工原理課程設(shè)計 10 0204060801001200 20 40 60 80 100 120y /%x /% 圖二 求理論塔板層數(shù)的圖解法 求解結(jié)果為： 總理論板層為 NT = 19 (不包括再沸器 ) 精餾段的理論板層數(shù) N 精 = 14 提留段的理論板層數(shù) N 提 = 5（包括進(jìn)料板） 進(jìn)料板位置的確定 由圖二可知： 進(jìn)料板位置 NF = 15 實際板層數(shù)的 初步 求取 設(shè) ET = 54% 則 精餾段實際板 層數(shù) N 精 = 14/ = 26 提留段實際板層數(shù) N 提 = 5/ = 9 總實際板層數(shù) Np = N 精 + N 提 = 35 塔板總效率估算 （ 1） 操作壓力計算 塔頂操作壓力 pD = p 當(dāng)?shù)? + p 表 = + 4 = kpa 每層的塔板壓降 △ p = kpa 塔底的操作壓力 PW = PD + 35 = kpa （ 2） 操作溫度計算 ① 塔頂溫度 設(shè) 塔頂溫度為 tD= ℃ 化工原理課程設(shè)計 11 由乙醇的 Antoine 方程 lgPA* = – (t+) (a) 由水的 Antoine 方程 lgPB* = – (t+)