【正文】 1 一、 概述 乙醇在工業(yè)，醫(yī)藥，民用等方面，都有很廣泛的應用，是一種很重要的原料。在很多方面，要求乙醇有不同的純度，有時要求純度很高，甚至是無水乙醇，這是很有困難的，因為乙醇極具揮發(fā)性，所以，想得到高純度的乙醇很困難。 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，因為乙醇和水的揮發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)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)裝有若干層塔板和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瑔斡芯s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熱器，回流液泵等附屬設備，才能實現(xiàn)整個操作。 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篩板塔的優(yōu)點，已成為國內(nèi)應用最廣泛的塔形，特別是在石油，化學工業(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，廣泛應用在化工及煉油生產(chǎn)中，現(xiàn)已列入部頒標準（ 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，采用輕閥。浮閥塔具有下列優(yōu)點： 1，生產(chǎn)能力大。 2，操作彈性大。 3，塔板效率高。 4，氣體壓強降及液面落差較小。 5，塔的造價低。浮閥塔不宜處理宜結(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。 1. 設計依據(jù) 課程設計方案選定所涉及的主要內(nèi)容有：操作壓力，進料狀況，加熱方式及其熱能的利用。 （ 1） 操作壓力 精餾可在常壓，加壓或減壓下進行，確定操作壓力主要是根據(jù)處理物料的性質(zhì)，技術上的可行性和經(jīng)濟上的合理性來考慮。 一般來說 ，常壓精餾最為簡單經(jīng)濟，若物料無特殊要求，應盡量在常壓先操作。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，冷卻費用。在相同的塔徑下，適當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，并且相對揮發(fā)度也有所下降。降低操作壓力，組分的相對揮發(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備，增加了相應的設備和操作費用。 故我們采用塔頂壓力為常壓進行操作。 （ 2） 進料狀況 進料狀態(tài)有多種，但一般都是將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這樣，進料溫度就不受季節(jié)，氣溫變化和前道工序波動的影響，塔的操作就比較容易控制。此外，泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，設計制造均比較方便。但泡點進料需預熱，熱耗很大。 在此次設計中，我們選用 30176。 C 冷夜進料。 （ 3） 加熱方式 精餾塔通常設置再沸器，采用間接蒸汽加熱，以提供足夠的能量，若待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。這樣操作費用和設備費用均可降低。但在塔頂輕組分回收率一 定時，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 （ 4）熱能的利用 蒸餾過程的原理是多次進行部分汽化和冷凝，因此熱效率很低，通常進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，但可用作低溫熱源，供別處使用。或可采用熱泵技術，提高溫度后再用于加熱釜液。此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設置，也可取得節(jié)能的效果。例如，可采用設置中間再沸器和中間冷凝器的流程。 2. 技術來源 目前，精餾塔的設計方法以 嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴格計算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴格計算法。 3. 設計內(nèi)容及任務 （一） 設計內(nèi)容 乙醇 水溶液連續(xù)板式精餾塔設計 （二） 設計任務 處理能力： 萬噸 /年，每年按 300 天計算，每天 24 小時連續(xù)運轉(zhuǎn)。 原料乙醇 水溶液： 40%組成（乙醇的質(zhì)量分數(shù)） 產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品組成（質(zhì)量分數(shù)）： ≥ 90% 塔頂易揮發(fā)組分回收率： 99% 塔底的產(chǎn)品組成（質(zhì)量分數(shù)）： ≤ 1% 1) 塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日 300 天，每天開動設備 24 小時計算，產(chǎn)品流量為 ,由于產(chǎn)品黏度較小，流量增大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選擇浮閥塔。 2) 操作條件 （ 1） 操作壓力：塔頂壓強為常壓 101325Pa （ 2） 單板壓降： ﹥ （ 3） 進料狀況： 30176。 C 冷夜進料 （ 4） 回流比：自選 （ 5） 加熱方式：間接蒸汽加熱 （ 6） 冷卻水進口溫度： 30176。 C 二、 塔的工藝計算 1. 工藝過程 . 物料衡算 40%FW ? 90%DW ? 46 /M g mol?乙 醇 18 /M g mol?水 /F kmol h? F/ 4 0 % / 4 6 0 . 2 0 6 9/ ( 1 ) / 4 0 % / 4 6 ( 1 4 0 % ) / 1 8FFFWMX W M W M? ? ?? ? ? ?乙 醇乙 醇 水 / 9 0 % / 4 6 0 . 7 7 9 0/ 1 ) / 9 0 % / 4 6 ( 1 9 0 % ) / 1 8DDDDWMX W M W M? ? ?? ? ? ?乙 醇乙 醇 水（ 由 DFDXFX?? 得 99 % 14 06 9 38 .36 / 79 0FDFXD k m ol hX? ??? ? ? 1 4 5 . 9 3 8 . 3 6 1 0 7 . 5 4 /W F D k m o l h? ? ? ? ? 由 F D WFX DX WX?? 得 14 5. 9 0. 20 69 38 .3 6 0. 77 90 0. 00 28 0. 28 % 1%W F X D XX W? ? ? ?? ? ? ? ? 表 1 物料衡算數(shù)據(jù)記錄 F FX D DX W WX 由氣液平衡數(shù)據(jù)，畫出下表， 2 由圖查出組成 ? 的乙醇 水溶液泡點為 176。 C，在平均溫度為（ +30） /2=，由 《化工原理》（第三版，王志魁） 附錄查得乙醇與水的有關物性為： 乙醇的摩爾熱容：3 . 0 2 4 6 1 3 8 . 9 2 / ( )mAC k J k m o l K? ? ? ? 乙 醇 的 摩 爾 汽 化 潛 熱 ：9 1 4 . 2 4 6 4 2 0 5 3 . 2 / ( )Ar k J k o m l K? ? ? ? 水 的 摩 爾 熱 容 ：5 6 . 6 3 5 61 8 [ 4 . 1 7 8 ( 4 . 1 8 3 4 . 1 7 8 ) ]6 0 5 07 5 . 2 6 /( )mBC k J k o m l K?? ? ? ? ???? 水 的 摩 爾 汽 化 潛 熱 ：2 3 9 2 . 8 6 1 8 4 3 0 7 1 . 4 8 /Br k J k m o l? ? ? 比較水與乙醇的摩爾汽化潛熱可知，系統(tǒng)滿足衡摩爾流的假定。加料液的平均摩爾熱容： 1 3 8 . 9 2 0 . 2 0 6 9 7 5 . 2 6 ( 1 0 . 2 0 6 9 ) 8 8 . 4 3 /( )m p m A A m B BC C X C X k J k m o l K? ? ? ? ? ? ? ? ? 加 料 液 的 平 均 汽 化 熱 ：4 2 0 5 3 . 2 0 . 2 0 6 9 4 3 0 7 1 . 4 8 ( 1 0 . 2 0 6 9 )4 2 8 6 0 . 8 /A A B Br r X r Xk J k m o l? ? ? ? ? ? ?? 8 8 . 4 31 ( ) 1 ( 8 3 . 2 5 3 0 ) 1 . 14 2 8 6 0 . 8mpCq T tr? ? ? ? ? ? ? ? . 最小回流比及操作回流比的確定 （ 1） q 線方程： 1 . 1 0 . 2 0 6 9 1 1 2 . 0 6 91 1 1 . 1 1 1 . 1 1Fq q q qxqy x x xqq? ? ? ? ? ?? ? ? ?做出下圖， 得 q 線與平衡線的交點（ ， ），即 ? ， ? 由 m inm in0 .7 7 9 0 0 .5 4 7 0 .4 2 91 0 .7 7 9 0 0 .2 3 8DeDexyRR x x? ?? ? ?? ? ?，得 ? （ 2）過點（ ， ）做平衡線的切線，交 Y 軸于點（ 0，） 由 minmin RR ?? ，得 min ? 取較大的回流比，故 min ? 根據(jù) m in m in( ~ 2)RR? ，取 R= . 精餾段和提餾段操作線的確定 精 餾 段 液 相 流 量 ：1 . 8 3 8 . 3 6 6 9 . 0 5 /L R D k m o l h? ? ? ? 精 餾 段 汽 相 流 量 ：( 1 ) ( 1 . 8 1 ) 3 8 . 3 6 1 0 7 . 4 1 /V R D k m o l h? ? ? ? ? ? 精 餾段操作線方程：16 9 . 0 5 3 8 . 3 60 . 7 7 9 01 0 7 . 4 1 1 0 7 . 4 10 . 6 4 3 0 . 2 7 8n n D nnLDy x x xVVx? ? ? ? ? ??? 提 餾 段 液 相 流 量 ：39。 6 9 . 0 5 1 . 1 1 4 5 . 9 2 2 9 . 5 4 /L L q F k m o l h? ? ? ? ? ? 提 餾 段 汽 相 流 量 ：39。39。 2 2 9