【正文】 各液體組分的操作稱為蒸餾，反復(fù)多次蒸餾的過程稱為精餾，實現(xiàn)精餾操作的塔設(shè)備稱為精餾塔。精餾操作在化工、石油化工、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?？芍?，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)量分數(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═CH2 + H─OH→C2H5OH（該反應(yīng)分兩步進行，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，以達到分離目的）。設(shè)計中采用泡點進料，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。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（JB16868）內(nèi)，F(xiàn)1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?；どa(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行傳質(zhì)，達到高的分離效率。（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 )/(33024(46+18)) = kmol/h 最小回流比和適宜回流比的選?。?）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(shù)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。 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 FxF = DxD + Wxw ② 聯(lián)立①②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。 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（包括進料板） 進料板位置的確定 由圖二可知： 進料板位置 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= ℃