【文章內(nèi)容簡介】 低了主精餾塔的負荷，并目常壓塔利用加壓塔塔頂?shù)恼羝淠裏嶙鳛榧訜嵩矗?所以三塔精餾既節(jié)約蒸汽，又節(jié)省冷卻水。 （ 2）蒸汽消耗。在消耗方面，由于常壓塔加壓塔的蒸汽冷凝熱作為加熱源，所以三塔精餾的蒸汽消耗相比雙塔精餾要低。 （ 3）產(chǎn)品質(zhì)量。三塔精餾制取的精乙醇純度較高，含有的有機雜質(zhì)相對較少。 （ 4）設(shè)備投資。三塔精餾的流程較雙塔精餾流程要復(fù)雜，所以在投資方面，同等規(guī)模三塔精 餾 的設(shè)備投資要比雙塔精餾高出 20%～ 30%。 （ 5）操作方面。由于雙塔精餾具有流程簡單，運行穩(wěn)定的特點，所以在操作上較三塔精餾要方便簡單。 本設(shè)計中乙醇產(chǎn)量為 20 萬 t/a，屬于中型產(chǎn)量， 由于生產(chǎn)能力小，蒸汽消 耗量對全廠成本及蒸汽平衡影響比較小，可選用二塔流程。 乙醇與水共沸 物 濃度為 %，雙塔精餾大可滿足精餾純度的要求。通過上述比較可知，三塔精餾技術(shù)的一次性投入要比雙塔精餾高出 20%到 30%。乙醇精餾綜合考慮各項因素，所以設(shè)計可采用 雙塔精餾工藝 。粗乙醇降壓到 后人閃蒸槽，釋放出溶解在粗乙醇中的大部分氣體，出來的粗乙醇則進入精餾塔。其中一個塔為粗餾塔，另一個為精餾塔，兩塔之間不直接連通，互相影響較小，操作方便。乙醇混合液首先通過蒸發(fā)得到一定濃度的乙醇溶液，再通過精餾系統(tǒng)達到乙醇的共沸濃度，最后通過分 子篩脫水得到無水乙醇。 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 精餾塔是粗乙醇精餾工序的關(guān)鍵設(shè)備，它直接制約著生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、消耗、生產(chǎn)能力及對環(huán)境的影響。所以要根據(jù)企業(yè)的實際條件選擇合適的高效精餾塔。目前常用的精餾塔主要有四種塔型：泡罩塔，浮閥塔，填料塔和新型垂直篩板塔。其各自結(jié)構(gòu)及特點如下： （ 1）泡罩塔 泡罩塔十多層板式塔，每層塔板上裝有一個活多個炮罩。該類型塔塔板效率高，操作彈性大，塔阻力小，但單位面積的生產(chǎn)能力低，設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資較大。該塔已經(jīng)逐漸被其他塔代替。 （ 2）浮閥塔 浮閥塔的塔板結(jié)構(gòu)與泡 罩相似，致使浮閥代替了泡罩及其伸氣管。該類型塔板效率高，單位面積生產(chǎn)能力大，造價較低。但浮閥易損壞，維修費用高。 （ 3）填料塔 填料塔是在塔內(nèi)裝填新型高效填料，如不銹鋼網(wǎng)波紋填料，每米填料相當(dāng) 5 塊以上的理論板。塔總高一般為浮閥塔的一半。該塔生產(chǎn)能力大，壓降小，分離效果好，結(jié)果簡單，維修量極小，相對投資較小，是目前使用較多的塔型之一。 （ 4）新型垂直篩板塔 新型垂直篩板塔的傳質(zhì)單元，是由塔板開有升氣孔及罩于其上的帽罩組成。該塔傳質(zhì)效率高，傳質(zhì)空間利用率好，處理能力大，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單可靠， 抗結(jié)垢、防堵 塞性能好 ,由于操作氣速高，氣流自清洗能力強且升氣孔直徑大，很不容易堵塞，投資省，傳質(zhì)單元的間距較大，便于布置加熱和冷卻排管。板上液面梯度小，液面橫向混合好、無流動及傳質(zhì)死區(qū)。 綜合比較上面四種塔，可以知道 浮閥 塔和新型垂直篩板塔性質(zhì)更加優(yōu)越，同時 浮閥塔技術(shù)更 成熟 ，操作簡單，而且維修費用較低，所以設(shè)計選用了 浮閥 塔 。 乙醇精餾流程 精餾系統(tǒng)采用雙塔蒸餾流程，其中一個塔為粗餾塔，另一個為精餾塔，兩塔之間不直接連通，互相影響較小，操作方便。乙醇混合液首先通過蒸發(fā)得到一定濃度的乙醇溶液，再通過精餾系統(tǒng)達到乙醇的 共沸濃度，最后通過分子篩脫水得到無水乙醇。 來自合成工段的粗乙醇，經(jīng)減壓進入粗乙醇貯槽。經(jīng)粗乙醇預(yù)熱器加熱到 45℃ 后進入預(yù)精餾塔。從塔頂出來的氣體先經(jīng)過一級冷凝器冷卻，冷凝液體進入預(yù)精餾塔回流槽，通過預(yù)塔回流泵回流到預(yù)精餾塔頂部，未冷凝氣體進入二級冷凝器，其中不凝氣體通過預(yù)塔水封放空。其中冷凝液進入二級冷凝液儲槽，進行脫鹽水萃取，萃取后的乙醇水進入預(yù)精餾塔回流槽進行回流，預(yù)塔回流槽中需要通過堿液泵加入 2%到 5%的堿液，用于防腐蝕。在預(yù)塔中脫除輕餾分后進入主精餾塔，進一步把高沸點的重餾分雜質(zhì)脫除，從塔頂或側(cè)線 采出。經(jīng)精餾乙醇冷卻器冷卻至常溫后，通 過分子篩脫水得到無水乙醇。 塔底的廢水經(jīng)常壓塔廢水冷卻器冷卻，并經(jīng)過常壓塔廢水泵送到廢水處理工段，工藝流程如圖 21：123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 圖 21 精餾段工藝流程圖 Figure 21 Flow chart of rectifying section 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 第 三 章 物料和能量衡算 物料衡算 粗乙醇精餾的物料平衡計算 (1) 進料 ： kg/h 。根據(jù)以上計算列表 31： 表 31 進料量 Table 31 feed rate 組分 乙醇 乙醛 異丁醇 水 合計 流量： kg/h 25000 10652 組成： (wt)% 100 ：據(jù)資料，堿液濃度為 8%時，每噸粗乙醇消耗 kg 的 NaOH。 則消耗純 NaOH： ? ? 換成 8%為： ：據(jù)資料記載。軟水加入量為粗乙醇的 20%計，則需補加軟水： ? 20%－ ? (1－ 8%)=據(jù)以上計算列表 32： 表 32 預(yù)塔進料及組成 Table 32 Pretower feeding and position 物料量： kg/h C2 H5OH H2O NaOH CH3CHO C4H9OH 合計 粗乙醇 25000 10652 堿液 軟水 合計 25000 (2) 出料 。 乙醇： 25000kg/h 。粗乙醇含水： 10652kg/h 堿液帶水： kg/h 補加軟水： kg/h 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 合計： ： ： 由以上計算列表 33： 表 33 預(yù)塔出料流量及組成 Table 33 Pretower discharge flow rate and position 物料量 kg/h C2 H5OH H2O NaOH CH3 CHO C4H9OH 合計 塔頂 塔底 25000 合計 25000 主塔的物料平衡計算 (1) 進料 預(yù)后粗乙醇： (2) 出 料 主塔塔釜液中的乙醇占乙醇總量的 %。塔頂乙醇含量 94%（質(zhì)量分數(shù)）（經(jīng)分子篩脫水后達到 %）： 塔頂出料： G頂 94 %=25000%% 則塔頂出料 G頂 = 塔釜 G醇 =25000%=125kg/h G水 =(%) =表 34 塔釜組成 Table 34 tower reactor ponents 塔釜 乙醇 水 NaOH 高沸物 塔釜 kg/h 125 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 總出料：由以上計算，得表 34 甲醇精餾塔物料平衡匯總表：單位： kg/h，總物料為 25000+++=得乙醇精餾塔物料平衡匯總表 35： 表 35 乙醇精餾塔物料平衡匯總表 Table 35 Summary of ethanol distillation column material balance 物料 總物料 塔頂出料 塔釜出料 乙醇 25000 24875 125 NaOH 水 高沸物 合計 主精餾塔能量衡算 帶入熱量計算 查《化工工藝設(shè)計手冊》，乙醇露點溫度 t=78℃ 操作條件：塔頂 ℃ ，塔釜 100℃ ，進料溫度 ℃ ，回流液溫度 40℃ ，取回流液與進料的比例為 :1。 帶入熱量見表 36： Q 入 =Q 進料 +Q 回流液 +Q 加熱 = 4993800++1942102 +Q 加熱 = 12913417+ Q 加熱 表 36 主塔入熱 Table 36 the heat bring into the main column 物 料 進 料 回流液 加熱蒸汽 組分 乙醇 水 +堿 乙醇 流量： kg/h 25000 溫度： ℃ 40 比熱： kJ/kg℃ 熱量 :kg/h 4993800 1942102 Q 加熱 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 帶出熱量計算 所以 Q 出 ＝ 25834230＋ ＋ 30750＋ ＋ 5%Q 入 = +5%Q 入 帶出熱量見表 37： 表 37 主塔物料 帶出熱量 Table 37 Pylons materials bring out the heat 物料 精乙醇 回流液 殘液 熱損失 組分 乙醇 乙醇 乙醇 水 +堿 流量： kg/h 24875 125 溫度： ℃ 100 100 比熱： kJ/kg℃ 潛熱： kJ/kg 熱量 :kg/h 25834230 30750 5%Q 入 因為： Q 出 ＝ Q 入 所以： Q 入 = Q 出 = 所以： Q加熱 = － 12913417 = 已知水蒸氣的汽化熱為 kJ/kg 所以 ： 需蒸汽 G3 蒸汽 =247。= 2062kg/h 冷卻水用量計算 對熱流體： Q 入 ＝ Q 產(chǎn)品精乙醇 +Q 回流液 = 4993800+＋ 1942102=12913417kJ/h Q 出 = Q 精乙醇 (液 )+Q 回流液 (液 ) =25834230+=46509793= 46509793kJ/h Q 傳 = ? (15%)－ 46509793= 冷卻水溫： 30℃ 到 50℃ t / . 1 8 720 7 2 6 6 0 7 4 . 9 6 ??? 所以：每噸精乙醇消 耗 G3 水 = ? t 水 /t 精乙醇 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 第 四 章 精餾塔的設(shè)計 主精餾塔的設(shè)計 表 41 乙醇精餾塔物料平衡匯總表 Table 41 Summary of ethanol distillation column material balance 物料 總物料 塔頂出料 塔釜出料 乙醇 25000 24875 125 NaOH 水 高沸物 合計 精餾塔全塔物料衡算及塔板數(shù)的確定 F：原料液流量（ kmol/s） xF ：原料液組成（摩爾分數(shù)，下同） D：塔頂產(chǎn)品組成（ kmol/s） xD ：塔頂組成 W：塔底殘夜流量 （ kmol/s） xW ：塔底組成 原料乙醇組成： xF =18)(46250004625000 ??=% 塔頂組成： xD =18%941*D4694*D46%94*D ）（ ?? =% 塔底組成： xW =181 2 55 9 6 5 4 9461 2 5 461 2 5）（ ??=% F= 3 6 0 0 182 5 0 0 2 8 8 0462 5 0 0 0 ）（ ?? =D= 3600 4 8 7 5 ? =W= 3 6 0 0 181 2 55 9 6 5 4 9461 2 5 ）（ ?? =123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 求最小回流 比 及操作回流比 采用作圖法求最小回流比 ∵ 泡點進料 所以 q=1 根據(jù) xy 圖過（ Dx ， Dx ）作與氣液平衡的一條切線，如圖所示， 點 h（ %,%） ∴ % % inm in ???? DDxxR R 得： minR = 操作回流比 : m in ?? RR 氣液相負荷 L=RD= =V=(R+1)D== kmol/s L’=L+qF=+1= kmol/s V’=V= 求操作線方程 1. 精餾段操作線： 1 111n n DRy x xRR? ???? 式中： nx —精餾段中第 n 層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)； 1ny? —精 餾段第 n+1 層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)。 化簡得： y= 1?RR x+ 1x?RD =+ 其中， R=L／ D 為回流比。 2. 提 餾 段方程： 39。39。1 39。39。m m WLWy x xL W L W? ???? 式中： 39。mx —提餾段第 m層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)； 123大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 39。1my? —提餾段第 m+1 層板上升蒸 汽 中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)。 簡化得： y=WL FL ???qFqxWL W W??qFx= 圖解法求理論板 塔板、氣液平衡相圖 由精餾段方程可得在 y 上的交點 (0,),連接兩點，得精餾段操作線。由提餾段操作線方程任意取兩個點（ ， ）、（ ,），連接兩點得提餾段操作線。