【正文】 常用板式塔類型及本設(shè)計(jì)的選型 常用板式塔類型有很多，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)浮閥塔板的研究開發(fā)遠(yuǎn)較其他形式的塔板廣泛，是目前新型塔板 研開發(fā)的主要方向。近年來與浮閥塔 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 8 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)簡單，造價(jià)低，制造方便；塔板開孔率大，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) 。 乙醇是在常溫、常壓下是一種無色、透明、有香味、易揮發(fā)的液體，熔點(diǎn) ℃，沸點(diǎn) ℃，凝固點(diǎn)為 ℃．密度 ,能與水及大多數(shù)有機(jī)溶劑以任意比混溶。乙醇易燃 ,它的爆炸極限為 %～ 18%,閃點(diǎn) 11℃ ,使用時(shí)須注意安全。工業(yè)酒精含乙醇約 95％。含乙醇達(dá) ％以上的酒精稱無水乙醇。含乙醇 ％ ,水 ％的酒精是恒沸混合液 ,沸點(diǎn)為 ℃，其中少量的水無法用蒸餾法除去。 乙醇在化工、醫(yī)藥、染料、國 防、食品等行業(yè)有不可或缺的重要應(yīng)用。但是，無水乙醇作為燃料的應(yīng)用應(yīng)該是 21 世紀(jì)最廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上可以將無水乙醇與汽油按比例調(diào)和 ,生產(chǎn)車用乙醇汽油。以發(fā)酵法生產(chǎn)的燃料乙醇具有和礦物質(zhì)燃料相似的燃料性能 ,其生產(chǎn)原料是生物質(zhì) ,是一種可再生能源。此外 ,乙醇燃料過程所排放的一氧化碳和含硫氣體均低于汽油燃料 ,所產(chǎn)生的二氧化碳和作為原料的生物源生長所消耗的二氧化碳基本持平 ,這對(duì)減少對(duì)大氣的污染及抑制溫室效應(yīng)意義重大。因此 ,燃料乙醇也被稱為“清潔燃料” 。 本設(shè)計(jì)所選塔的特性 浮閥塔的優(yōu)點(diǎn)是 : 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 9 1． 生產(chǎn)能力大，由于 塔板上浮閥安排比較緊湊，其開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。 2. 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。 3. 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，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 4. 氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 5. 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，浮閥塔的 抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），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，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 近幾十年來，人們對(duì)浮閥塔的研究越來越深入，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，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 。 第二章 概述 乙醇在工業(yè)，醫(yī)藥，民用等方面，都有很廣泛的應(yīng)用，是一種很重要的原料。在很多方面，要求乙醇有不同的純度，有時(shí)要求純度 很高，甚至是無水乙醇，這是很有困難的，因?yàn)橐掖紭O具揮發(fā)性，所以，想得到高純 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 10 度的乙醇很困難。 要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾的方法，因?yàn)橐掖己退膿]發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)分離過程，即同時(shí)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)裝有若干層塔板和充填一定高度的填料。為實(shí)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(shí)還要 配原料液預(yù)熱器，回流液泵等附屬設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。 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篩板塔的優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的塔形，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，但最常用的是 F1 型和 V4型。 F1 型浮閥的結(jié)構(gòu)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(qiáng)降很低的系統(tǒng)中，采用輕閥。浮閥塔具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1，生產(chǎn)能力大。 2，操作彈性大。 3，塔板效率高。 4，氣體壓強(qiáng)降及液面落差較小。 5，塔的造價(jià)低。浮閥塔不宜處理宜結(jié)焦或黏度大的系統(tǒng)，但對(duì)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。 第三章 設(shè)計(jì)方案的確定 課程設(shè)計(jì)方案選定所涉及的主要內(nèi)容有：操作壓力，進(jìn)料狀況，加熱 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 11 方式及其熱能的利用。 ： 精餾可在常壓，加壓或減壓下進(jìn)行，確定操作壓力主要是根據(jù)處理物料的性質(zhì)，技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性來考慮。 一般來說，常壓精餾最為簡單經(jīng)濟(jì)，若物料無特殊要求，應(yīng)盡 量在常壓先操作。加壓操作可提高平衡溫度，有利于塔頂蒸汽冷凝熱的利用，或可以使用較便宜的冷卻劑，減少冷凝，冷卻費(fèi)用。在相同的塔徑下，適當(dāng)提高操作壓力還可提高塔的處理能力，但增加塔壓，也提高了再沸器的溫度，并且相對(duì)揮發(fā)度也有所下降。降低操作壓力，組分的相對(duì)揮發(fā)度增大，有利于分離。減壓操作降低了平衡溫度，這樣可以使用較低溫位的加熱劑。但降低壓力也導(dǎo)致塔徑增大和塔頂蒸汽冷凝溫度降低，且必須使用抽真空的設(shè)備，增加了相應(yīng)的設(shè)備和操作費(fèi)用。 故我們采用塔頂壓力為常壓進(jìn)行操作 。 ： 進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一 般都是將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這樣，進(jìn)料溫度就不受季節(jié)，氣溫變化和前道工序波動(dòng)的影響，塔的操作就比較容易控制。此外，泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，設(shè)計(jì)制造均比較方便。但泡點(diǎn)進(jìn)料需預(yù)熱，熱耗很大。 在此次設(shè)計(jì)中，我們選用 30176。 C 冷夜進(jìn)料 。 ： 精餾塔通常設(shè)置再沸器，采用間接蒸汽加熱，以提供足夠的能量，若待 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 12 分離的物系為某種輕組分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加熱方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。這樣操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均可降低。但在塔頂輕組分回收率一定時(shí)，由于蒸汽冷凝水的稀 釋作用，使殘液輕組分濃度降低，所需塔板數(shù)略有增加。 綜合考慮，我們采用間接蒸汽加熱的方式 。 ： 適宜的回流比應(yīng)該通過經(jīng)濟(jì)合算來確定，即操作費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)用之和為最低時(shí)的回流比為最適宜的回流比。我們確定回流比的方法為：先求出最小回流比 Rmin ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取操作回流比為最小回流比的 － 倍，即： R＝（ － ） Rmin 回流方式采用泡點(diǎn)回流，易于控制。 ： 選用 F1 浮閥塔板（重閥）。 F1 浮閥的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，節(jié)省材料，性能良好，且重閥采用厚度 2mm 的薄板沖制，每閥質(zhì)量約為 33g。浮閥塔具有的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率高，氣體壓強(qiáng)以及液面落差較小 。 蒸餾過程的原理是多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，因此熱效率很低，通常進(jìn)入再沸器的能量僅有 5%左右被有效利用。塔頂蒸汽冷凝放出的熱量是大量的，但其能位較低，不可能直接用來做塔釜的熱源，但可用作低溫?zé)嵩?，供別處使用?；蚩刹捎脽岜眉夹g(shù)，提高溫度后再用于加熱釜液。此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可取得節(jié)能的效果。例如，可采用設(shè)置 中間再 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 13 沸器和中間冷凝器的流程。 、冷凝器等附屬設(shè)備的安排 本設(shè)計(jì)精餾過程采用蒸汽間接加熱，在釜底設(shè)再沸器。塔頂設(shè)冷凝冷卻器，將塔頂蒸氣完全冷凝后再冷卻到 78℃左右回流入塔。塔頂通過回流比控制器分流，餾出產(chǎn)品進(jìn)入貯罐。 本設(shè)計(jì)依據(jù)于精餾的原理（即利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使輕重組分分離），并在滿足工藝和操作的要求，滿足經(jīng)濟(jì)上的要求，保證生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上， 對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分析并做出理論計(jì)算。 目前，精餾塔的設(shè)計(jì)方法以嚴(yán)格計(jì)算為主，也 有一些簡化的模型，此次設(shè)計(jì)采用精確計(jì)算與軟件驗(yàn)算相結(jié)合的方法。 第 四 章 流程的確定和說明 首先，乙醇和水的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過泵進(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)間然后進(jìn)入乙醇的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過程就叫做回流。 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 14 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)前面所說的過程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，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，送至儲(chǔ)罐 ,塔釜采用直接蒸汽加 熱 ,塔底產(chǎn)品冷卻后 ,送入貯罐 (流程圖 見手畫 )。 第 五 章 精餾塔設(shè)計(jì)物料計(jì)算 進(jìn)精餾塔的料液含乙醇 45%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為水，塔頂易揮發(fā)組分回收率為 99%，生產(chǎn)能力為 15000 噸 /年 92%的乙醇產(chǎn)品，每年按 330天計(jì)，每天 24h 連續(xù)運(yùn)行。） 操作條件 a）塔頂壓強(qiáng) 4KPa(表壓） b)進(jìn)料熱狀態(tài) 自選 c)回流比自選 d)加熱蒸汽壓力 低壓蒸汽 （或自選） e)單板壓降 ≤ 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 15 ，整理有 關(guān)物性數(shù)據(jù) ⑴水和乙醇的物理性質(zhì) 名稱 分子式 相對(duì)分子質(zhì)量 密度 20℃ 3/kgm 沸 點(diǎn) a ℃ 比熱容 (20℃ ) Kg/(kg.℃ ) 黏度 (20℃ ) mPa.s 導(dǎo)熱系數(shù) (20 ℃) ? /(m.℃ ) 表面 張力 ????? (20℃) N/m 水 2HO 2 998 100 5 乙醇 25CHOH 7 789 ⑵常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù) 常壓下乙醇 — 水系統(tǒng) t— x— y 數(shù)據(jù)如表 3— 1 所示。 表 3— 1 乙醇 — 水系統(tǒng) t— x— y 數(shù)據(jù) 沸點(diǎn)t/℃ 乙醇摩爾數(shù) /% 沸點(diǎn)t/℃ 乙醇摩爾數(shù) /% 氣相 液相 氣相 液相 82 菏澤學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 16 （ 3）