【文章內(nèi)容簡介】 167。 設(shè)計(jì)背景乙醇是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，有著廣泛的用途。它是基本有機(jī)化工及中間體的原料，還是一種重要的有機(jī)溶劑，在交通運(yùn)輸、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等方面都占有重要地位。工業(yè)上生產(chǎn)乙醇的方法有很多，其中真正有工業(yè)意義的，概括起來可分為兩大類，即發(fā)酵法和乙烯水合法。發(fā)酵法有糧食發(fā)酵法、木材水解發(fā)酵法、亞硫酸鹽廢堿液法；水合法有乙烯間接水合法和乙烯直接水合法。此外,最近美國、日本、意大利等國家正在開發(fā)一種用一氧化碳、氫氣（或甲烷）進(jìn)行羰基合成制取乙醇的方法。 發(fā)酵法發(fā)酵法的基本原理是將各種含糖（雙糖） 、淀粉（多堂） 、纖維素（多羧基糖）的農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品及野生植物經(jīng)水解（即糖化） 、發(fā)酵等過程，使雙糖轉(zhuǎn)化為單糖并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇的方法。此法技術(shù)成熟、流程簡單、設(shè)備簡單易造、對環(huán)境污染小，但由于成本高還耗用大量的糧食作原料，所以其發(fā)展受到限制。具體反應(yīng)原理如下：1. 糧食發(fā)酵法糧食發(fā)酵法是最早發(fā)明的乙醇生產(chǎn)方法，該法至今仍被采用，特別是飲用酒均采用此法，其基本原理是將葡萄糖（ ）在有能引發(fā)發(fā)酵的物質(zhì)的物質(zhì)存在的情況下，經(jīng)蒸餾、612OHC糖化等階段而轉(zhuǎn)化成乙醇。 61252126612252()(mCHOmCHO???糖 化 酶 ）麥 芽 糖 酶酒 化 酶2. 木材水解發(fā)酵法為了制備乙醇，要用硫酸或鹽酸處理（水解）木材，將纖維變成葡萄糖。然后再進(jìn)入制醇的發(fā)酵階段。 61252612xCHOxCHO??（ ）（纖維） （葡萄糖）3. 亞硫酸鹽廢堿液制取乙醇法在用纖維造紙的企業(yè)中，有大量的廢亞硫酸鹽堿液產(chǎn)生，對這種廢液經(jīng)過蒸煮等過程 4的處理后得到乙醇。這種乙醇通常稱作亞硫酸鹽乙醇。這種酒精溶液是很稀的溶液，大約含1％的乙醇，經(jīng)蒸餾后便可得到純度為 95％的乙醇。 總之，發(fā)酵法由于受到原料來源限制和乙醇成本高的原因，其發(fā)展就受到限制，同時(shí)這種方法也不適應(yīng)大規(guī)模的乙醇生產(chǎn)。 乙烯水合法乙烯水和可以采用間接和直接兩種方法。前者具有效率高、單體轉(zhuǎn)化率高、原料要求不苛刻、反映溫度壓力不高等優(yōu)點(diǎn)；后者技術(shù)先進(jìn)，工藝流程合理，原料來源豐富，經(jīng)濟(jì)合力。由兩者的生產(chǎn)過程可以看出，前者的突出優(yōu)點(diǎn)是原料乙烯濃度適應(yīng)范圍較寬，乙烯分壓低，電耗低。直接法不需要消耗硫酸，工藝流程簡單，其基建費(fèi)用、產(chǎn)品成本亦比間接法低。但其缺點(diǎn)是對原料乙烯的純度要求高、單程轉(zhuǎn)化率低、方法都是工業(yè)化的、氣體需要多次循環(huán)、能量消耗大。具體反應(yīng)原理如下：1. 乙烯間接水合法： 2243223225242CHSOCHSOSS???????第 一 步 ：或 （ ）第 二 步 ：（ ）2. 乙烯直接水合法：乙烯直接水合法（一步法）是將乙烯和水在催化劑、高溫、加壓條件下直接加成得到乙醇的方法： 242 2530780CHOCHOC??。催 化 解～ ， ～ 大 氣 壓 其他方法乙醛加氫法： 3225CHOCHO?催 化 劑 5167。 設(shè)計(jì)方案乙醇和水的混合液是使用機(jī)泵經(jīng)原料預(yù)熱器加熱后，送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后，冷凝液部分利用重力泡點(diǎn)回流；部分連續(xù)采出經(jīng)冷卻器冷卻后送至產(chǎn)品罐。塔釜采用直接蒸汽（℃的水蒸汽）加熱，塔底廢水經(jīng)冷卻后送入貯槽。具體連續(xù)精餾流程參見下圖（圖 121）：　　　　　　　　　　　 全凝器　　　　　　　　　 　　回流 出料　　　　　　 乙醇水溶液 飽和水蒸汽塔釜出料 167。 設(shè)計(jì)思路全塔物料衡算求理論塔板數(shù)氣液相負(fù)荷計(jì)算篩板塔設(shè)計(jì)流體力學(xué)性能校核 6 167。 選塔依據(jù)篩板塔是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的一種塔型，設(shè)計(jì)比較成熟，具體優(yōu)點(diǎn)如下：1) 結(jié)構(gòu)簡單、金屬耗量少、造價(jià)低廉.2) 氣體壓降小、板上液面落差也較小.3) 塔板效率較高.4) 改進(jìn)的大孔篩板能提高氣速和生產(chǎn)能力，且不易堵塞塞孔.畫出負(fù)荷性能圖全塔熱量衡算塔附屬設(shè)備計(jì)算 7第二章 精餾塔的工藝設(shè)計(jì) 167。 全塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 產(chǎn)品濃度的計(jì)算和進(jìn)料組成確定1. 料液及塔頂塔底產(chǎn)品含苯摩爾分率：由原料來自粗餾塔為 95℃～96℃飽和蒸汽，查表得 xF=，進(jìn)塔原料為 90℃，查乙醇水汽液平衡圖可得 xe=，y e=。由 q 線方程 1??qye ()????3374...W2. 平均分子量及產(chǎn)率：=().?????=W748./l由條件可知，因?yàn)橐笤O(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力是 25t/天，所以D= =?3. 由于任務(wù)書說給的操作大氣壓為 安托因方程 ,且由亨利定理可得 .0log273BpATC??00ABPxP??:總A B C乙醇 水 ().(.6)0.(???????????::三式聯(lián)立可得: 時(shí)1Ax? 8T1=當(dāng) xB=1 時(shí)T2=從 ℃到 ℃間取十點(diǎn)T=[, ,, ,]xa=[,, ,，]ya=[,, , , ,] 9我將其設(shè)置為理想狀態(tài) q 線方程的確定：由任務(wù)書可知,原料來自出餾塔,為 95~96℃??在 時(shí)水和乙醇得飽和蒸汽壓由安托因方程可得:().????:XF=yA=進(jìn)料溫度為 90℃Xe=,ye=由于假定為理想狀態(tài) ???1,?為 過 冷 進(jìn) 料 此 時(shí) 進(jìn) 料 得 溫 度 低 于 泡 點(diǎn) 10 平均相對揮發(fā)度的計(jì)算當(dāng)氣體服從道爾頓分壓定律時(shí)，由式 得到相對揮發(fā)度 如表 21：/ABiyx??i?表 21 不同溫度下的相對揮發(fā)度數(shù)值：序號(hào) 1 2 3 4 5αi 序號(hào) 6 7 8 9 10αi 序號(hào) ??????: 最小回流比和適宜回流比的選取1. 最小回流比的計(jì)算：在設(shè)計(jì)條件下，如選用較小的回流比，兩操作線向平衡線移動(dòng)，達(dá)到指定分離程度（x D,xW）所需的理論板數(shù)增多。當(dāng)回流比減至某一數(shù)值時(shí)，兩操作線的交點(diǎn) e 落在平衡線上，此時(shí)理論板數(shù)為無窮多，板上流體組成不能跨越 e 點(diǎn)，此即為指定分離程度時(shí)的最小回流比,則最小回流比可有下式計(jì)算出：。???2. 確定合適的回流比：為了確定適宜回流比，由捷算法初算初 R 值，作出回流比與理論塔板數(shù)的對照表。如下表 22 所示：表 22 回流比與理論板數(shù)對照表（R min=）系數(shù) 2R NT 37 33 31 29 28 27 26 25 25 24因此表選擇一適宜回流比 R=,此時(shí) R=。 物料衡算由：和 0.????? 0(1)()FDWSxyxVRqF?????????? ??總 物 料 衡 算 ： 易 揮 發(fā) 組 分 物 料 衡 算 ：直 接 蒸 汽 加 熱 ： 11得：(.)(6)FSWWVDF???????????從而由附錄“C 程序 2：物料衡算及逐板法求理論板數(shù)”計(jì)算得： ????????? 精餾段和提餾段操作線精餾段操作線方程： 11???提餾段操作線方程： ???? 逐板法確定理論板數(shù)對于二元精餾體系采用的數(shù)值法為逐板計(jì)算法，通常從塔頂開始計(jì)算：精餾段操作線方程： 11???DnnxRy相平衡方程： =??代入 得 yx???)(代入①???y反復(fù)計(jì)算得：x2= y3= x3= y4= x4= y5= x5==xq 12∴第 5 塊為加料板同理由提餾段操作線方程： 逐板算得：1???nnwWyxSy24=x24== wx又 matlab 程序得下圖（間程序附錄） 全塔效率由安托因方程計(jì)算可求得： 塔頂 tD=℃，塔底 00(1).92AdBdPxx???:tW=℃則塔平均溫度: ℃。根據(jù)表 6 由附錄程序 4 ?醇和水在 ℃的粘度：μ A=。 μ B=則該溫度下進(jìn)料液相平均粘度為:μ m= A+()μ B = + ?? =s由全塔效率公式可得篩板塔的全塔為： ()37TE???:Lα μ 13 實(shí)際塔板數(shù)及實(shí)際加料位置 實(shí)際塔板數(shù) 塊。???精餾段: ，取 11 塊；39。 ??提餾段:N 2=4611=35，取 35 塊； 14第三章 板式塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算167。 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算 操作壓強(qiáng) P塔頂壓強(qiáng)：P D=,取每層塔板壓降 ΔP= 則進(jìn)料板壓強(qiáng)：P F=+ 11=?塔釜壓強(qiáng)：P W=+ 35=精餾段平均操作壓強(qiáng): ???提餾段平均操作壓強(qiáng): 操作溫度 T純組分乙醇、水的飽和蒸汽壓可用安托因（Antoine）方程求算，即：計(jì)算結(jié)果：進(jìn)料板溫度 t F=℃ 塔頂溫度 t D=℃ 塔釜溫度 t W=℃則精餾段的平均溫度 : Tm 1=(+)/2=℃則提餾段的平均溫度 : Tm 2=(+)/2=℃ 塔內(nèi)各段氣、液兩相組分的平均分子量乙醇分子量為 MA=,水分子量 MB= 由公式：M=ΣX imi： X D=Y1=,X1=則氣相平均分子量為：M VD = YD1M1+YD2M = +()=液相平均分子量為： M LD = XD1M1+XD2M2 =+(1)=： X F=,YF= 則氣相平均分子量為：M VF=YF1M1+YF2M2 =+()=液相平均分子量為： MLF=XF1M1+ XF2M2 = +()= 15： Y w=,Xw=則氣相平均分子量為：M Vw = YwM1+(1Yw)M2= +()= 液相平均分子量為： M Lw = Xw M1+(1Xw)M2 =+(1)=則精餾段的平均分子量 氣相： M vm1= = =?液相： M Lm1= = =?則提餾段的平均分子量 氣相: Mvm2= = =?液相： M Lm2= = =?