【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 液，年產(chǎn)量 46000 噸 乙醇含量： 38%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )，原料液溫度： 45℃ 設(shè)計(jì)要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?92%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 塔底的乙醇含量不大于 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 表 1 乙醇 ~水溶液體系的平衡數(shù)據(jù) 液相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 汽相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 液相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 汽相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 3 二：計(jì)算過程 1. 塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日 300 天，每天開動(dòng)設(shè)備 24 小時(shí)計(jì)算，產(chǎn)品流量為 6389kg/h，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價(jià)，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，選用浮閥塔。 2. 操作條件的確定 操作壓力 由于乙醇 ~水體系對(duì)溫度的依賴性不強(qiáng)，常 壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓。 其中塔頂壓力為 10 Pa180。 塔底壓力 5( 10 300 )N Pa? 進(jìn)料狀態(tài) 雖然進(jìn)料方式有多種，但是飽和液體進(jìn)料時(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動(dòng)的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本 次設(shè)計(jì)中采取飽和液體進(jìn)料。 加熱方式 精餾塔的設(shè)計(jì)中多在塔底加一個(gè)再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)；由于乙醇 ~水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時(shí)只需在塔底安裝一個(gè)鼓泡管，于是可省去一個(gè)再沸器，并且可以利用壓力較底的蒸汽進(jìn)行加熱，無論是設(shè)備費(fèi)用還是操作費(fèi)用都可以降低。 4 熱能利用 精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進(jìn)入再沸器的能量只有 5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其 位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜?dú)堃簩?duì)原料液進(jìn)行加熱。 3. 有關(guān)的工藝計(jì)算 由于精餾過程的計(jì)算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，需先把設(shè)計(jì)要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為 摩爾分?jǐn)?shù)。 乙醇的摩爾質(zhì)量 AM =46 kmolkg/ 水的摩爾質(zhì)量 BM =18 kmolkg/ 原料液的摩爾組成： 3 8 / 4 6= 0 .1 9 3 43 8 / 4 6 6 2 / 1 8fx ?? 同理可求得： Dx = Wx = 原料液的平均摩爾質(zhì)量： 3 2 2( 1 ) 0 . 1 9 3 4 4 6 ( 1 0 . 1 9 3 4 ) 1 8 2 3 . 4 1 5 /f f C H C H O H f H OM x M x M k g k m o l? ? ? ? ? ? ? ? ? 同理， DM = kmolkg/ 。 WM = kmolkg/ 45℃ 下，原料液中2 3 2339 7 1 . 1 / , 7 3 5 /H O C H C H O Hk g m k g mrr== 由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點(diǎn)，以上計(jì)算結(jié)果見表 2。 5 表 2 原料液、餾出液與釜?dú)堃旱牧髁颗c溫度 名稱 原料液 餾出液 釜?dú)堃? /%fx 38 92 fx (摩爾分?jǐn)?shù) ) 摩爾質(zhì)量 /kg kmol 沸點(diǎn)溫度 t /℃ 最小回流比及操作回流比的確定 由于是泡點(diǎn)進(jìn)料， qx = fx =，過點(diǎn) )19 ,19 (e 做直線 x= 交平衡線于點(diǎn) d ，由點(diǎn) d 可讀得 qy =，因此： 1 9 3 1 8 i n ?? ????? FqqD xy yxR 可取操作回流比 R== = 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜?dú)堃毫康挠?jì)算 以年工作日為 300 天，每天開動(dòng)設(shè)備 24 小時(shí)計(jì)，進(jìn)料量為： hk mo lF / 100046000 ??? ?? 由全塔的物料衡算方程可寫出： 0V F D W? ? ? 0 0y? (蒸汽 ) /D kmol h? 00 f D WV y Fx D x W x? ? ? 3 5 1 .8 1 /W kmol h? 39。W L L q F R D q F? ? ? ? ? 1q (泡點(diǎn) ) 0 14 2. 13 /V kmol h? 6 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量 塔頂全凝器的熱負(fù)荷： ( 1) ( )C VD LDQ R D I I? ? ? 可以查得 1 2 6 6 / , 2 5 3 .9 /V D L DI k J k g I k J k g??，所以 6( 1 . 2 5 1 ) 6 3 . 1 7 3 9 . 8 1 ( 1 2 6 6 2 5 3 . 9 ) 5 . 7 2 6 7 6 1 0 /CQ k J h? ? ? ? ? ? ? 取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別為 25℃ 和 35℃。 則： 平均溫度下的比熱 /pcc kJ kg C??186。，于是冷凝水用量可求 ： hkgttC QW pc CC /1 3 7 2 0 1)2535(1 7 5 7 2 6 7 6 0)12( ?????? 熱能利用 以釜?dú)堃簩?duì)預(yù)熱原料液，則將原料加熱至泡點(diǎn)所需的熱量 fQ 可記為：21()f f pf f fQ W c t t?? 其中 8 3 .8 3 4 5 6 4 .42fmtC??? 186。 在進(jìn)出預(yù)熱器的平均溫度以及 ? 186。 的情況下可以查得比熱4 . 2 7 5 /pfc kJ kg C??186。，所以， 3 648000 10 ( 45 ) 10 /300 24fQ k J h?? ? ? ? ? ?? 釜?dú)堃悍懦龅臒崃?12()w w pw w wQ W c t t?? 若將釜?dú)堃簻囟冉抵?2 55wtC? 186。 那么平均溫度 9 9 .3 8 5 5 7 7 .22wm ??? 186。 其比熱為 /pwc kJ kg C??186。，因此， 63 6 4 . 8 5 4 . 1 9 1 ( 9 9 . 3 8 5 5 ) 1 . 2 2 8 1 0 /wQ k J h? ? ? ? ? ? 可知， wf? ，于是理論上可以用釜?dú)堃杭訜嵩弦褐僚蔹c(diǎn)。 7 理論塔板層數(shù)的確定 精餾段操作線方程： 3 6 5 ??????? nDnn xR xxR Ry 提餾段操作線方程： 1 00 2 . 4 7 5 0 . 0 0 7 7m m w mWWy x x xVV? ? ? ? ? q 線方程： ?x 在 ~yx相 圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出 13?TN 塊 (含塔釜 ) 其中，精餾段 5 塊，提餾段 8塊。 8 全塔效率的估算 用奧康奈爾法 ( 39。Oconenell )對(duì)全塔效率進(jìn)行估算： 由相平衡方程式1 ( 1)xy x??? ??可得 ( 1)( 1)yxxy? ?? ? 根據(jù)乙醇 ~水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： 818 ?? Dxy 1 ? (塔頂?shù)谝粔K板 ) ?fy ?fx (加料板 ) ?wx ?wy (塔釜 ) 因此可以求得： , ??? wf ??? 全塔的相對(duì)平均揮發(fā)度： 9 3 0 1 1 1 ??????? wfm ???? 全塔的平均溫度： f Wm t t ttC?? ??? ? ? 186。 在溫度 mt 下查得2 3 20 . 3 2 7 , 0 . 3 8H O C H C H O Hm P a s m P a s??? ? ? ? 因?yàn)?L i Lix???? 所以， sm P aLf ??????? )(? 全塔液體的平均粘度： ( ) / 3 ( 0 . 3 3 7 3 0 . 3 8 0 . 3 2 7 ) / 3 0 . 3 4 8 1L m L f L D L W m P a s? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 全塔效率 %)3 4 8 3 ( )( ????? ?LTE ?? 9 實(shí)際塔板數(shù) PN 284 5 3 84 5 3 521 ????? TTTTP ENENN 塊 (含塔釜 ) 其中，精餾段的塔板數(shù)為： 5 ? 塊 4. 精餾塔主題尺寸的計(jì)算 精餾段與提餾段的體積流量 精餾段 整理精餾段的已知數(shù)據(jù)列于表 3(見下頁 )，由表中數(shù)據(jù)可知： 液相平均摩爾質(zhì)量： k mo lkgMMM f / 1 ????? 液相平均溫度： m tttC? ?? ? ? 186。 表 3 精餾段的已知數(shù)據(jù) 位置 進(jìn)料板 塔頂 (第一塊板 ) 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 39。 ?fx 39。39。1 ?? Dxy 39。 ?fy 39。1 ?x 摩爾分?jǐn)?shù) ?fx 818 ?? Dxy ?fy 1 ? 摩爾質(zhì)量 / /kg kmol ?fM ? ? ?DM 溫度 /℃ 在平均溫度下查得2 3 2339 7 1 . 1 / , 7 3 5 /H O C H C H O Hk g m k g m???? 10 液相平均密度為： 3 2 239。39。11 L m L mL m C H C H O H H Oxx? ? ???? 其中，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) 39。 0 .3 5 0 .8 8 5 0 .6 0 32Lmx ??? 所以， 3814 /Lm kg m? ? 精餾段的液相負(fù)荷 hk m o lRDL / ???? hmLMLLmn / 3???? ? 同理可 計(jì)算出精餾段的汽相負(fù)荷。 精餾段的負(fù)荷列于表 4。 表 4 精餾段的汽液相負(fù)荷 名稱 汽相 液相 平均摩爾質(zhì)量 / /kg kmol 平均密度 / 3/kgm 814 體積流量 / 3/mh ( 3/ms) 3804( 3/ms) 11 提餾段 整理提餾段的已知數(shù)據(jù)列于表 5，采用與精餾段相同的計(jì)算方法可以得到提餾段的負(fù)荷，結(jié)果列于表 6。 表 5 提餾段的已知數(shù)據(jù) 位置 塔釜 進(jìn)料板 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 39。 ? 39。 ? 39。 ? 39。 ? 摩爾分?jǐn)?shù) ? ? ? ? 摩爾質(zhì)量 / /kg kmol ? ? ? ? 溫度 /℃ 表 6 提餾段的汽液相負(fù)荷 名 稱 液相 汽相 平均摩爾質(zhì)量 / /kg kmol 平均密度 / 3/kgm 911 體積流量 / 3/mh ( 3/ms) 4132( 3/ms) 12 塔徑的計(jì)算 由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們?nèi)啥?的塔徑相等。有以上的計(jì)算結(jié)果可以知道： 汽塔的平均蒸