【正文】 福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 文獻(xiàn)綜述 題 目： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 系 別 ： 化學(xué)工程系 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 年 級(jí)： 2021 級(jí) 指導(dǎo)教師： (簽名 ) 年 月 日 題目：居中，小二黑體；設(shè)置段前、段后距為 1 行；行距：固定值 36 磅。 摘要：小 四號(hào)宋體 (加粗 ) 摘要內(nèi)容：小四號(hào)宋體；設(shè)置段前、段后距為 0 行；行距：固定值 20 磅。 關(guān)鍵詞：小四號(hào)宋體， (加粗 ) ；關(guān)鍵詞之間 “ ， ” 分隔 (35 個(gè)關(guān)鍵詞 ) 。 正文 (無需另起一頁(yè) ) 一級(jí)節(jié)標(biāo)題： 1 頂格，黑體 三 號(hào)；段前、段后距為 1 行；行距：固定值 24磅。 二級(jí)節(jié)標(biāo)題： 頂格，黑體小 三 號(hào)；段前、段后距為 1 行；行距：固定值20 磅。 三級(jí)節(jié)標(biāo)題： 頂 格，黑體四 號(hào)；段前、段后距為 1 行；行距：固定值20 磅。 四級(jí)節(jié)標(biāo)題： 頂格， 黑體 小 四 號(hào)；段前、段后距為 1 行；行距：固定值 20 磅。 正文內(nèi)容均為首行縮進(jìn)兩字符，宋體小四，行距：固定值 20 磅。 文中數(shù)字及英文均使用 Times New Roman 字體。 注意： 參考文獻(xiàn) （見 福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫、裝訂規(guī)范 ） （ 1）參考文獻(xiàn) 在正文中必須有參考文獻(xiàn)的引用編號(hào)。 （ 2）參考文獻(xiàn)篇數(shù)大于 15 篇，其中英文文獻(xiàn)大于 2 篇。 乙醇精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì) 摘要： 本文在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)乙醇精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，通過分析它的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及其前人的研究成果等提出自己的研究方案，從而為保證年總費(fèi)用的耗費(fèi)最低提供方向。 關(guān)鍵詞 ：乙醇，精餾塔，優(yōu)化設(shè)計(jì) 1 前言 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)中得到廣泛應(yīng)用 [1]。精餾是消耗能源最多、要求最嚴(yán)又最難控制的單元操作， 它關(guān)系到產(chǎn)品 的質(zhì)量，能源消耗，環(huán)境保護(hù)等問題。而 精餾塔是精餾工段的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量的穩(wěn)定性起著決定的作用，精餾塔可以將乙醇組分與水和重組分分離，得到精乙醇產(chǎn)品；還可以將水分離出來，并盡量降低其他有機(jī)雜質(zhì)的含量，排出系統(tǒng)之外，因此 精餾塔操作的好壞直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益 [2]。 近年來，最優(yōu)化技術(shù)是一門發(fā)展很快的新興的應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)，它是研究在一定條件下如何用最小的代價(jià)獲得最佳的效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，最優(yōu)化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，越來越多的工程設(shè)計(jì)問題通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法處理，經(jīng)由 計(jì)算機(jī)的計(jì)算得到最優(yōu)設(shè)計(jì)的效果，所以精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)降低能耗，節(jié)省投資具有重要的意義。 2 本課題相關(guān)領(lǐng)域的歷史、現(xiàn)狀和前沿發(fā)展情況 精餾塔設(shè)備的發(fā)展史 精餾塔的發(fā)展可以歸納為以下幾個(gè)階段 [3]： (1) 20 世紀(jì) 20 至 50 年代，塔設(shè)計(jì)處于簡(jiǎn)單的平衡量、塔板效率、傳質(zhì)系數(shù)、液泛等概念和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的水平，此時(shí)盡管亂堆填料也在小型塔設(shè)備中應(yīng)用，但泡罩塔板是工業(yè)應(yīng)用無可比擬的塔內(nèi)件，在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是不可替代的。 (2) 50 年代至 70 年代，由于塔設(shè)備巨大的工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)和開發(fā)潛力，在 50年代，在發(fā)達(dá)國(guó)家，精餾 塔內(nèi)件的研究發(fā)展到一個(gè)全新、大規(guī)模、集團(tuán)化的研究階段。 1951 年 Koch公司的 Nutter 率先發(fā)明了浮閥塔板的概念，浮閥塔板以比泡罩塔板更低的壓降、更高的操作效率、更大的處理能力、更大的操作彈性、極低的液面落差和低造價(jià)適用于臟、粘體系等強(qiáng)大的生命力成為塔內(nèi)體主流，很快替代了泡罩塔板，標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開始，直到今天它仍是工業(yè)應(yīng)用主流。 60 年代，板式塔另一個(gè)標(biāo)志性的技術(shù)進(jìn)步是大孔篩板的研究與應(yīng)用。大孔篩板的廣泛應(yīng)用也標(biāo)志著塔設(shè)備操作控制技術(shù)，可靠精餾工藝模擬和塔設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展尤其是計(jì)算機(jī)在線控制技術(shù)為 生產(chǎn)控制帶來了革命性地變化。 (3) 自 70 年代以來，在精餾過程中，填料塔作為一種傳質(zhì)和傳熱設(shè)備，至今己發(fā)展成為典型的、十分重要的單元設(shè)備。尤其是進(jìn)入 80 年代以后，以 “規(guī)整填料和塔內(nèi)構(gòu)件 ”為主要技術(shù)代表的新型填料塔在精餾過程中的分離技術(shù)在國(guó)內(nèi)受到普遍重視，因此對(duì)填料塔的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的歷史時(shí)期。 (4) 80、 90 年代后期，填料繼續(xù)廣泛應(yīng)用于精餾減壓塔，并出現(xiàn)了某些常壓塔和加壓塔塔生產(chǎn)的增效、增能中獲得一定的效果報(bào)導(dǎo)的實(shí)例。新型、高效、大處理能力板式塔的不斷開發(fā)和研究，并在工業(yè)應(yīng)用中獲得成功。 精餾塔的發(fā)展現(xiàn)狀 精餾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 精餾是在氣液兩相逐級(jí)流動(dòng)和接觸時(shí)進(jìn)行穿越界面的質(zhì)量和熱量傳遞 , 并實(shí)現(xiàn)混合物分離純化的化工單元操作過程 [45]。作為當(dāng)代工業(yè)應(yīng)用最廣的分離技術(shù) , 目前已具有相當(dāng)成熟的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與一定的基礎(chǔ)理論研究 , 并發(fā)展出了以精餾為基礎(chǔ)的許多新型復(fù)合傳質(zhì)分離技術(shù)。隨著石油化工、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境化工等領(lǐng)域的不斷發(fā)展和興起 , 使得精餾分離過程的大處理量、連續(xù)化操作優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮 , 但是作為高能耗的分離過程 , 在大型工業(yè)化生產(chǎn)過程中無法避免地遇到產(chǎn)品的高純度與高能耗的矛盾 。所以在產(chǎn)品達(dá)到高純分離的同時(shí)又能減低能耗就成為精餾學(xué)科和工程研究開發(fā)的主要目標(biāo)。 精餾分離技術(shù)較早已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn) , 精餾學(xué)科的發(fā)展也具有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。精餾傳質(zhì)分離過程具有極高的復(fù)雜性 , 它涉及塔板 (或填料表面 ) 上氣液兩相流動(dòng)的相互影響、氣泡表面流型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化、穿越氣液界面的質(zhì)量和熱量傳遞之間的相互耦合 [67]、氣泡的聚并和分裂與塔板流動(dòng)、氣泡表面流型的變化以及界面?zhèn)髻|(zhì)和傳熱等的密切關(guān)聯(lián)等 , 但是 , 至今關(guān)于氣液兩相界面相變傳質(zhì)和傳熱及氣泡群傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)規(guī)律仍處于宏觀的和熱力學(xué)平衡水平上的研究 ,尚未發(fā)展出能夠比較準(zhǔn)確表示過程傳遞的理論預(yù)測(cè)方法。所以從總體上看精餾目前仍然處于半經(jīng)驗(yàn)階段 [8]。 精餾塔設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀 精餾塔設(shè)計(jì)通常根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)來確定塔型、產(chǎn)品純度或回收率以及回流比。能否實(shí)現(xiàn)精餾系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵問題即為回流比參數(shù)的選擇。 傳統(tǒng)方法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在適宜范圍內(nèi)選取回流比參數(shù) (操作回流比為最小回流比的 —2 倍 ) [9]。近些年來，由于考慮回流比 R 與能耗的關(guān)系 [10]，回流比 R 的取值趨向小一些即回流比 R= (1 .1 1. 15) Rmin。 現(xiàn)階段已開發(fā)出了最優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件 ，它是以建立以年總費(fèi)用 (J，適用于連續(xù)精餾 )或年總利潤(rùn) (G，適用于間歇精餾 )為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。采用不同的優(yōu)化方法來確定精餾系統(tǒng)最優(yōu)的回流比、理論塔板數(shù)、加熱蒸汽溫度和冷卻水出口溫度等參數(shù) [11]。 目前比較先進(jìn)的精餾塔優(yōu)化設(shè)計(jì)做法是：在建立費(fèi)用的連續(xù)精餾系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)分解、協(xié)調(diào)理論，用二等級(jí)分解法將系統(tǒng)主要分解成單變量的子系統(tǒng) (即年總費(fèi)用為回流比 R的函數(shù) )，因此可以采用單變量的優(yōu)化方法 (如黃金分割法、菲波那契法、拋物線法、立方近似法等 )進(jìn)行求解 [12]。此精 餾過程涉及到最小回流比的計(jì)算、相平衡關(guān)系的表示以及塔板數(shù)的計(jì)算，再結(jié)合最優(yōu)化方法進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)的求解 [13]。其算法程序框圖如下： 圖 1 算法程序框圖 精餾技術(shù)前沿發(fā)展方向 根據(jù)精餾的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀 , 深化精餾研究必須突破傳統(tǒng)研究方法 , 在研究思維、分析問題方式上開辟新思路 , 吸收其他學(xué)科的最新研究成果。因此進(jìn)行精餾過程研究的關(guān)鍵包括 ： (1) 研究深度由宏觀平均向微觀、由整體平均向局部瞬時(shí)發(fā)展。由于多相流的復(fù)雜結(jié)構(gòu) ， 對(duì)整體平均量的研究并不能從根本上揭示過程機(jī)理和描述過程動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 ， 因此局部和 瞬時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其變化規(guī)律的研究逐步引起了人們的重視。 (2) 研究目標(biāo)由現(xiàn)象描述向過程機(jī)理轉(zhuǎn)移。表觀現(xiàn)象的描述不足以分析過程的本質(zhì)特征 , 因此精餾過程的研究目標(biāo)已經(jīng)逐漸由現(xiàn)象描述轉(zhuǎn)向?qū)^程機(jī)理的認(rèn)識(shí) , 由此通過認(rèn)識(shí)過程機(jī)理實(shí)現(xiàn)有預(yù)見的新設(shè)備開發(fā) , 并應(yīng)用于新的工程領(lǐng)域。 (3) 研究手段逐步高技術(shù)化。計(jì)算技術(shù)、光纖技術(shù)、激光、超聲波、電子等新技術(shù)的發(fā)展 , 為精餾研究提供了先進(jìn)的測(cè)試手段和分析方法 , 使深入了解蒸餾過程中的傳遞動(dòng)態(tài)屬性和界面的非平衡特征成為可能。 (4) 研究方法由傳統(tǒng)理論向多學(xué)科交叉方面開 拓。近年來 , 統(tǒng)計(jì)理論、分形理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、表面物理化學(xué)等均在各自的領(lǐng)域中取得了重大的成就 , 同時(shí)學(xué)科之間的交叉更加頻繁 , 交叉力度愈加提高 [14]。所以如果我們對(duì)精餾過程的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)實(shí)質(zhì)進(jìn)行深入了解。 3 前人的研究結(jié)果及分析 (1) 最佳回流比的選擇 在精餾塔的設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)來確定塔型、產(chǎn)品純度或回收率以及回流比。傳統(tǒng)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在適宜范圍內(nèi)選取回流比參數(shù) (操作回流比為最小回流比的 倍 )。由于回流比對(duì)精餾系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)及操作費(fèi)有顯著的影響，若選擇不當(dāng)，可能使投資費(fèi)用、操作費(fèi)用增 加。 我們知道用經(jīng)驗(yàn)法選取參數(shù)時(shí)會(huì)存在一定的誤差，且這種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法難免會(huì)造成設(shè)備投資和能量的無謂浪費(fèi)。為了避免選取時(shí)的微小誤差造成結(jié)果的重大偏差，我們應(yīng)該尋求一種新的方法來解決這一問題。 因此，現(xiàn)階段的精餾塔課程設(shè)計(jì)中權(quán)衡了設(shè)備投資費(fèi)和蒸汽、冷卻水等操作費(fèi)用，使其年總費(fèi)用最小，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的 [15]。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)無法采用手工計(jì)算，需提供一個(gè)有效的設(shè)計(jì)手段，即本次設(shè)計(jì)使用的用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2) 全塔理論板數(shù)的計(jì)算 全塔理論板數(shù)的計(jì)算，前人主要使用的是簡(jiǎn)捷法和作圖法，但這兩種方法計(jì)算 乙醇 —水系統(tǒng)的理論板層數(shù)誤差都很大，現(xiàn)在普遍使用的逐板計(jì)算法雖然比前兩種方法都精確，但由于所算理論板數(shù)較多，在手算中一般用兩點(diǎn)直線插值反復(fù)計(jì)算，而且有效數(shù)字位數(shù)較少會(huì)引起積累誤差的增大，耗時(shí)費(fèi)力，過程繁雜。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)中廣泛采用的計(jì)算機(jī)編程優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)理論板進(jìn)行逐板計(jì)算，很好地解決了這一問題 [16]。 在設(shè)計(jì)中，除了計(jì)算出分離所需的若干理論板數(shù)和一定回流比后，設(shè)計(jì)者必須決定塔徑、塔板或填料的細(xì)部結(jié)構(gòu)，以便達(dá)到要求的分離效果和生產(chǎn)能力，最重要的是塔內(nèi)件的選擇。因?yàn)橛捎趦?nèi)件的選擇不同，塔加上內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的成本可相差大約 3 倍 [17]。 由于板式塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維修方便，生產(chǎn)能力大，塔板壓降小，板效率較高等優(yōu)點(diǎn)，所以在本設(shè)計(jì)中選擇板式塔作為反應(yīng)設(shè)備；板式塔又有泡罩塔、篩板塔、淋降篩板塔、浮閥塔等 [18]。通過查各方面的資料，對(duì)板式塔中的幾種塔進(jìn)行比較，可以分析得到 分離乙醇 水時(shí)，主要采用浮閥塔。 4 結(jié)束語 本課題設(shè)計(jì)根據(jù)乙醇 水蒸餾體系的特點(diǎn)，對(duì)乙醇精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)做理論探討。設(shè)計(jì)主要通過建立精餾過程優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，以回流比、回收率為決策變量，總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算 [19]。求出最佳回流比，塔徑，理論塔板數(shù)，最小費(fèi)用等一系列值。然后進(jìn)行精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算及分凝器強(qiáng)度的計(jì)算，并畫出主要的塔設(shè)備結(jié)構(gòu)相關(guān)的圖。 本課題的創(chuàng)新之處在于： (1) 本課題研究大膽采用最新的乙醇精餾優(yōu)化設(shè)計(jì)理論知識(shí)做基礎(chǔ)，打破了傳統(tǒng)的操作控制技術(shù)。 (2) 工藝設(shè)計(jì)和塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面都采用的是當(dāng)前前沿的方法，即建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程優(yōu)化設(shè)計(jì)和負(fù)荷性能圖法。 (3) 精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用柔性設(shè)計(jì)的思想，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中除了考慮經(jīng)濟(jì)因素，工藝要求外，還考慮到了變工況的情況，使設(shè)計(jì)出的精 餾塔能適應(yīng)各種變化工況 , 同時(shí)保持優(yōu)化的能耗和物耗狀態(tài) , 即具有相當(dāng)?shù)娜嵝浴? 參考文獻(xiàn) [1] 鄭津洋 ， 董其伍 ， 桑芝富 ． 過程設(shè)備設(shè)計(jì) [M]． 北京 ： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2021． [2] 刁玉瑋 ， 王立業(yè) ． 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) [M]． 第四版 ． 大連 ： 大連理工大學(xué)出版社 ， 2021． [3] 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) ． 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB4710—92 鋼制塔式容器[S]． 北京 ： 氣象出版社 ， 199211． [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] 張培元 ． 日 本低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)綜述 [J]． 油氣儲(chǔ)運(yùn) ， 1986， 5(2)： 13． [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] （以下是附加文檔，不需要朋友下載后編輯刪除，謝謝） 2021 年鐵西區(qū)政府工作報(bào)告 ——2021年 12月 28 日在鐵西區(qū)第十七屆人民代表大會(huì)第四次會(huì)議上 區(qū)長(zhǎng) 程曉龍 各位代表：