【正文】 乙醇—水混合溶液連續(xù)精餾塔項目設(shè)計方案 第一章 設(shè)計方案的確定 概述精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工、煉油、石油化工等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。精餾過程在能量劑驅(qū)動下（有時加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同。使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進行分離。本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇一水混合物，由于對物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。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人精餾塔內(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。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。其中由于蒸餾過程的原理是多次進行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次設(shè)計中設(shè)計把其熱量作為低溫?zé)嵩串a(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。 基本原理在化工、輕工、石油等生產(chǎn)過程中，混合物的分離是生產(chǎn)過程中的重要過程。原料和中間產(chǎn)品有許多是由幾個組分液相組成的均相混合物，為了對某些組分進行提純或回收其中的有用組分以達到生產(chǎn)的目的，通常需要對混合物進行分離，蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作，它通過加熱造成氣、液兩相物系，利用物系的各組分揮發(fā)度不同的特性以實現(xiàn)分離的目的。當(dāng)混合物中各組分的揮發(fā)度相差不大，而又有較高的分離要求時，宜采用精餾。由于乙醇比水在同樣的條件下更容易揮發(fā)，所以本設(shè)計采用精餾，其中乙醇為易揮發(fā)組分，水為難揮發(fā)組分。 確定設(shè)計方案原則總的原則是盡可能多地采用先進的技術(shù)，使生產(chǎn)達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點：(1) 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計出來的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。設(shè)置必需的儀表并安裝在適宜部位，以便能通過這些儀表來觀測和控制生產(chǎn)過程。(2) 滿足經(jīng)濟上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基建的費用，如合理利用塔頂和塔底的廢熱，既可節(jié)省蒸汽和冷卻介質(zhì)的消耗，也能節(jié)省電的消耗?；亓鞅葘Σ僮髻M用和設(shè)備費用均有很大的影響，因此必須選擇合適的回流比。冷卻水的節(jié)省也對操作費用和設(shè)備費用有影響，減少冷卻水用量，操作費用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費用增加。因此，設(shè)計時應(yīng)全面考慮，力求總費用盡可能低一些。(3) 保證生產(chǎn)安全 生產(chǎn)中應(yīng)防止物料的泄露，生產(chǎn)和使用易燃物料車間的電器均應(yīng)為防爆產(chǎn)品。塔體大都安裝在室外，為能抵抗大自然的破壞，塔設(shè)備應(yīng)具有一定剛度和強度。 設(shè)計步驟板式精餾塔的設(shè)計大體按以下步驟進行：(1) 確定設(shè)計方案；(2) 平衡級計算和理論塔板的確定；(3) 塔板的選擇；(4) 實際板數(shù)的確定；(5) 塔體流體力學(xué)計算；(6) 管路及附屬設(shè)備的計算與選型；(7) 撰寫設(shè)計說明書和繪圖。 設(shè)計方案的內(nèi)容設(shè)計方案包括精餾流程、設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型和操作參數(shù)等的確定。例如組分的分離順序（多組分體系）、塔設(shè)備的形式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、塔頂蒸氣的冷凝方式、余熱利用的方案、安全、調(diào)節(jié)機構(gòu)和測量控制儀表的設(shè)置等。限于篇幅，僅對其中一些內(nèi)容作些闡述，其他內(nèi)容可見參考文獻。 操作壓力塔內(nèi)操作壓力的選擇不僅牽涉到分離問題，而且與塔頂和塔底溫度的選取有關(guān)。根據(jù)所處理的物料性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性來綜合考慮，一般有下列原則：(1) 壓力增加可提高塔的處理能力，但會增加塔身的壁厚，導(dǎo)致設(shè)備費用增加；壓力增加，組分間的相對揮發(fā)度降低，回流比或塔高增加，導(dǎo)致操作費用或設(shè)備費用增加。因此如果在常壓下操作時，塔頂蒸氣可以用普通冷卻水進行冷卻，一般不采用加壓操作。 才能使普通冷卻水冷卻塔頂蒸氣時，應(yīng)對低壓、冷凍劑冷卻和高壓、冷卻水冷卻的方案進行比較后，確定適宜的操作方式。(2) 考慮利用較高溫度的蒸氣冷凝熱，或可利用較低品位的冷源使蒸氣冷凝，且壓力提高后不致引起操作上的其他問題和設(shè)備費用的增加，可以使用加壓操作。(3) 真空操作不僅需要增加真空設(shè)備的投資和操作費用，而且由于真空下氣體體積增大，需要的塔徑增加，因此塔設(shè)備費用增加。本設(shè)計是分離乙醇和水的混合物，由于兩者都是液體，因此操作壓力可以確定為常壓，即是常壓精餾。 加熱方式塔釜一般采用間接蒸汽加熱，但對塔底產(chǎn)物基本是水，且在低濃度時的相對揮發(fā)度較大的體系，也可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是：可利用壓力較低的蒸汽加熱，塔釜只須安裝鼓泡管，一般可節(jié)省設(shè)備費用和操作費用。但由于直接蒸汽加入，對釜內(nèi)溶液起一定稀釋作用，在進料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需在提餾段增加塔板以達到生產(chǎn)要求。間接加熱方式的優(yōu)點是可以提供足夠的熱量，而且不會稀釋釜內(nèi)溶液的濃度。本次設(shè)計采用間接加熱。 進料狀態(tài)進料狀態(tài)有5種，可用進料狀態(tài)參數(shù)q 值來表示。進料為過冷液體：q＞1；飽和液體（泡點）：q＝1；氣、液混合物：0＜q＜1；飽和蒸氣（露點）：q＝0；過熱蒸氣：q＜0。q 值增加，冷凝器負荷降低而再沸器負荷增加，由此而導(dǎo)致的操作費用的變化與塔頂出料量D 和進料量F 的比值D/F 有關(guān)；對于低溫精餾，不論D/F 值如何，采用較高的q 值為經(jīng)濟；對于高溫精餾，當(dāng)D/F 值大時宜采用較小的q 值，當(dāng)D/F 值小時宜采用q 值較大的氣液混合物。如果實際操作條件與上述要求不符，是否應(yīng)對進料進行加熱或冷卻可依據(jù)下列原則定性判斷：(1) 進料預(yù)熱的熱源溫度低于再沸器的熱源溫度，可節(jié)省高溫?zé)嵩磿r，對進料預(yù)熱有利，但會增加提餾段的塔板數(shù)；(2) 當(dāng)塔頂冷凝器采用冷凍劑進行冷卻，又有比較低的冷量可利用時，對進料預(yù)冷有利。泡點進料時的操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響；此外，泡點進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，設(shè)計和制造時比較方便。本次設(shè)計以泡點進料方式進料。 回流比影響精餾操作費用的主要因素是塔內(nèi)蒸氣量 V。對于一定的生產(chǎn)能力，即餾出量D 一定時，V 的大小取決于回流比。實際回流比總是介于最小回流比和全回流兩種極限之間。由于回流比的大小不僅影響到所需理論板數(shù)，還影響到加熱蒸汽和冷卻水的消耗量，以及塔板、塔徑、蒸餾釜和冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸的選擇，因此，適宜回流比的選擇是一個很重要的問題。適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟核算決定，即操作費用和設(shè)備折舊費之和為最低時的回流比為適宜回流比。但作為課程設(shè)計，要進行這種核算是困難的，通常根據(jù)下面3 種方法之一來確定回流比。(1) 根據(jù)本設(shè)計的具體情況，參考生產(chǎn)上較可靠的回流比的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定；(2) 先求出最小回流比Rmin，~2 倍，即R＝（~2）Rmin；(3) 在一定的范圍內(nèi)，選5 種以上不同的回流比，計算出對應(yīng)的理論塔板數(shù)，作出回流比與理論塔板數(shù)的曲線。當(dāng)R= Rmin時，塔板數(shù)為∞；R＞Rmin后，塔板數(shù)從無限多減至有限數(shù)；R繼續(xù)增大，塔板數(shù)雖然可以減少，但減少速率變得緩慢。因此可在斜線部分區(qū)域選擇一適宜回流比。上述考慮的是一般原則，實際回流比還應(yīng)視具體情況選定。 熱能利用精餾過程的熱效率很低，進入再沸器的能量的95%以上被塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)帶走，僅約5%的能量被有效地利用。采用熱泵技術(shù)可使塔頂蒸氣溫度提高，提高了溫度的蒸氣再用于加熱釜液，使釜液蒸發(fā)的同時，塔頂蒸氣冷凝。該方法不僅可節(jié)省大量的加熱蒸汽，而且還節(jié)省了大量的冷卻介質(zhì)。當(dāng)然，塔頂蒸氣可用作低溫系統(tǒng)的熱源，或通入廢熱鍋爐產(chǎn)生低壓蒸汽，供別處使用。在考慮充分利用熱能的同時，還應(yīng)考慮到所需增加設(shè)備的投資和由此給精餾操作帶來的影響。 工藝流程示意圖(1)精餾流程總圖圖11精餾流程總圖(2)原料液的物流走向圖注：F為進料液物流；D為塔頂溜出液物流；W為塔底釜液物流。圖12精餾工藝流程圖(3)全凝器內(nèi)物流的走向圖注：全凝器內(nèi)物料走殼程，冷卻水走管程。圖12全凝器物流流程圖(4)再沸器內(nèi)物流的走向圖注：再沸器內(nèi)加熱蒸汽走殼程，物料走管程。圖13再沸器物流流程圖第二章 精餾塔的工藝設(shè)計計算 設(shè)計任務(wù)和條件（一）設(shè)計任務(wù)：試設(shè)計一連續(xù)浮閥精餾塔以分離乙醇—水混合物。具體工藝參數(shù)如下：乙醇－水混合物，含乙醇 15 %（質(zhì)量），溫度控制