【文章內(nèi)容簡介】 后 ， 進(jìn)入回流罐部分回流 ， 其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天 津 大學(xué) 7 塔釜采用直接蒸汽加 熱 ，塔底產(chǎn)品用于預(yù)熱 原 料 液，冷卻后送入貯 槽 。精餾裝置 有 精餾塔、原料預(yù)熱器 、 冷凝器、釜液冷卻器 和 產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。 熱 量 自 塔底蒸汽 輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng) 多 次部分氣化與部分冷 凝 進(jìn)行精餾分離，由冷 凝 器中的冷卻介 質(zhì)將余熱帶走。在每 層 板上，回流液體與上 升 蒸汽互相接觸，進(jìn)行 熱 和質(zhì)的傳遞 過 程。 按照設(shè)計(jì)任務(wù)書要求繪制生產(chǎn)工藝流程圖一份，附后。 4 塔的工藝設(shè)計(jì) 精餾塔全塔 物 料濃度 計(jì) 算： F 原料液流量（ kmol/s） xF 原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)） D 塔頂產(chǎn)品流量（ kmol/s） xD 塔頂組成（摩爾分?jǐn)?shù)） W 塔底殘液流量（ kmol/s） xW 塔底組成（摩爾分?jǐn)?shù)） V0 加熱蒸汽量（ kmol/s） M 乙醇 = kg/kmol M 水 = kg/kmol 進(jìn) 料 組成： 塔頂組 成 ： xF = / / ?? / ?? 塔底組 成 ： xD = / / ?? / ?? 日生產(chǎn)量： xW = / ?? ?? / D = 115t/d = 115000 86400?[ ?? ??(1??) ?] = 則以純凈乙醇計(jì)的產(chǎn)量為 DxD = = kmol/s 理論板的計(jì)算 最 小 回 流 比 的計(jì)算 根據(jù) 105Pa 下乙醇 ——水的氣液平衡組成可繪出平衡曲線，即 xy 曲線 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天津 大 學(xué) 8 圖。已知乙 醇 ——水為非理想物系，其平衡曲線有下凹部分，當(dāng)操作線與 q 線的交 點(diǎn)尚未落到平衡線上 之 前，操作線已經(jīng)與平 衡 線相切，對(duì)應(yīng)的回流 比 為最小的回流 比。最 小 回流 比 的求 法 是由 點(diǎn) (， )向平衡 線 的下 凹 部分 作 切線， 該 線 與 q 線的交點(diǎn)坐標(biāo) 為 (xq = ， yq = )。 見 圖 1。 1 y (, ) 0 0xW 1 x 圖 1 最 小 回 流 比 計(jì) 算圖 q = ， xq = xF = ， yq = ， xD = ， x ?y ? R ????D q ? ?? min y ??x ?? q q R = = = 精餾段操作線方程為： y ? R x ??R ?1 xD R ?1 ?? ?? 提餾段 操 作線 方 程 可 以根 據(jù) 精 餾段 操 作 線 與 q 線 交 點(diǎn) ( ， )和 點(diǎn) (， 0)這兩點(diǎn) 坐 標(biāo)確定， y = x 。 理 論 板 數(shù) 的 計(jì)算 關(guān)于理論板層數(shù)的計(jì)算 ， 通?？梢圆捎脠D解法和逐板計(jì)算法 。從 xy 圖中不難看 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天 津 大學(xué) 9 出 ， 若采用圖解法在 xy 圖中畫階梯求解理論板數(shù) ， 會(huì)因?yàn)榍€間距離太小而無法準(zhǔn) 確作圖。因此采 用 逐板計(jì)算法求取理論板數(shù)。 考慮到乙醇 ——水 為非 理想物系，在采 用 逐 板 計(jì)算法時(shí)不能將 相 對(duì) 揮 發(fā)度視 為 常數(shù)代入計(jì)算。因此 對(duì) 于平衡線上的點(diǎn)，考 慮 用插值法由氣相組成 求 取各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 相對(duì)揮發(fā)度，然后求 取 其液相組成。而對(duì)于 操 作線上的點(diǎn)，依然是 根 據(jù)相應(yīng)的操作 線方程由其液相組成求取其氣相組成。 首先用相平衡方程和精餾段操作線方程進(jìn)行逐板計(jì)算 ， 直到 xn≤xq 時(shí) ， 改用提餾 段操作線方程與相平衡方程繼續(xù)逐板計(jì)算，直至 xm≤xW 為止。計(jì)算 過 程如下。 因?yàn)樗敳捎萌鳎? y1 = xD = 用插值法求得對(duì)應(yīng)的相對(duì)揮發(fā)度為： ????( ?) ??( ?) ? ?? 1 ?? x1 由相平衡方程計(jì)算： x1 ?? y1 ?1 (1??y1 ) ??y1 ? ??(1??) ?? ?? y2 由精餾段操作線方 程 求得： y2 = + = + = 繼續(xù)用相平衡方程和精餾段方程逐板計(jì)算，當(dāng)求得 x24 = xq = (加料 板 )， 改用提餾段操作線方程 ， 當(dāng) x28 = xW = 時(shí) ， 停止計(jì)算， 即 NT = 28。 因?yàn)椴?用 直接蒸汽加熱 ， 塔釜不能起到一層理論板的作用 。 塔內(nèi)安裝 28 層理論板即可滿足分離要求，加料板為第 24 層理論板。計(jì)算結(jié)果列表如下。 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天津 大 學(xué) 10 表 1 逐 板 計(jì) 算 法 求 解 理論 板層 數(shù) 計(jì) 算 結(jié) 果 列表 序號(hào) y α x 備注 1 進(jìn)料板 改用提 餾 段操作 線方程 xW = 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 xW 將逐板計(jì)算的結(jié)果繪制成階梯圖，如圖 2 所示。 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天 津 大學(xué) 11 1 0 0 1 圖 2 理 論 板 計(jì) 算 結(jié) 果 階梯 圖 將塔頂、塔底區(qū)域分別放大，如圖 圖 4 所示。 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天津 大 學(xué) 12 0 0 圖 3 塔 頂 區(qū) 域 放 大 圖 圖 4 塔 底 區(qū) 域 放 大 圖 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天 津 大學(xué) 13 C0 W0 p x p x C p W C 塔 板 效 率 的 計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，塔頂壓力 pD = 。 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果 ， 塔體內(nèi)需要 28 塊理論板才能滿足分離要求 。 假設(shè)總板效 率為 ，則所需的實(shí)際板數(shù)目為 NP = (NT – 1)/ET=56。 按照設(shè)計(jì)要求中的單板壓降不大于 667Pa 計(jì)，塔底壓力為 pW = pD + NP = +56 = 塔 頂 的 溫度 tD 的 計(jì)算 根據(jù)常壓下塔頂?shù)? xD = 查出其所對(duì)應(yīng)的溫度 t0 = ℃ ， 以及對(duì)應(yīng)的 氣相組成 y = 。用 Antoine 方程計(jì)算出 t0 溫度下 C， W 組 分 的飽和蒸汽壓分 別為： p0 ??10 ? ? +?? ?? p0 ??10 ?? ? +?? ?? 用修正的拉烏爾定律計(jì)算活度系數(shù)分別為 ??C 0 ?? pyC 0 C C ??? ?? ?? ?? ?W 0 ?? pyW 0 W W ?? ??(1 ?) ?? ??(1??) 對(duì)組分 C， W 的常數(shù) 分 別為 CC， CW，于是可得： CC = T0log(γC0) = ( + )lg() = CW = T0log(γW0) = ( + )lg() = 此時(shí)考慮到精餾塔內(nèi)塔頂壓力略大于大氣壓 ， 可設(shè)定塔頂溫度初值為 tD = 79℃ 。 用 Antoine 方程計(jì)算出 tD 溫度下 A， B 組分 的 飽和蒸汽壓分別為： ? p0 ??10 ?79 +?? ?? 0 ??10 ?? ?79 +?? ?? 忽略壓力的影響，可以認(rèn)為壓力變化不大時(shí)組分 C， W 的常數(shù) CC， CW 不變， 溶液濃度為 xW 的活 度 系數(shù)可表示如下： CC ? ??10TD ??1079? ?? 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天津 大 學(xué) 14 C0 W0 p x p x W CW ? ??10 TD ??1079? ?? 計(jì)算氣相總壓力，校驗(yàn)原設(shè)溫度的正確性： p ???? x p0 ???? (1??x ) p0 C D C W D W ?????+??(1??)?? ?? 顯然與 略有差異。因此調(diào)整溫度初值，重復(fù)上述計(jì)算。 直至 tD = ℃ 時(shí) ， 所計(jì)算出的壓力值 p= 與 pD = 幾乎 相等。因此得出塔頂溫度 tD = ℃ 塔 底 的 溫度 tW 和 總 板 效率 ET 的 計(jì)算 設(shè)定總板效率初值為 ET = 。則實(shí)際塔板 數(shù) 為 Np = NT/ET = 28/ = 56。按照 設(shè)計(jì)條件中所給出的單板壓降不能大于 667Pa，求得塔底壓力為 pW = pD + Np =+56 = 根據(jù)常壓下塔頂?shù)? xW = 查出其所對(duì)應(yīng)的溫度 t0 = ℃ ， 以及對(duì)應(yīng)的 氣相組成 y = 。用 Antoine 方程計(jì)算出 t0 溫度下 C， W 組 分 的飽和蒸汽壓分 別為： p0 ??10 ? ? +?? ?? p0 ??10 ?? ? +?? ?? 用修正的拉烏爾定律計(jì)算活度系數(shù)分別為 ??C 0 ?? pyC 0 C C ??? ?? ?? ?? ?W 0 ?? pyW 0 W W ??? ??(1 ?) ?? ??(1??) 對(duì)組分 C， W 的常數(shù) 分 別為 CC， CW，于是可得： CC = T0log(γC0) = ( + )lg() = CW = T0log(γW0) = ( + )lg() = 此時(shí)考慮到精餾塔內(nèi)塔 底壓力略大于大氣壓 ， 可設(shè)定塔頂溫度初值為 tW = 108℃ 。 用 Antoine 方程計(jì)算出 tW 溫度下 A， B 組分 的 飽和蒸汽壓分別為： 化工傳 質(zhì) 與分 離 過程 課 程 設(shè) 計(jì) 乙醇 —— 水精 餾 塔設(shè)計(jì) 天 津 大學(xué) 15 C p W C p0 ??10 ? ?108+?? ?? 0 ??10 ?? ?108+?? ?? 忽略壓力的影響，可以認(rèn)為壓力變化不大時(shí)組分 C， W 的常數(shù) CC， CW 不變， 溶液濃度為 xW 的活 度 系數(shù)可表示如下： CC ? ??10TW CW ? ??10TW ??10108? ?? 055 ??10108? ?? W 計(jì)算氣相總壓力，校驗(yàn)原設(shè)溫度的正確性： p ???? x p0 ???? (1??x ) p0 C W C W W W ??????+??(1??)? ??