【正文】 前 言 化工生產(chǎn)中所處理的原料中間產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組成的混合物，其中大部分是均相混合物。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。該過程是同時進行傳質(zhì)、傳熱的過程。合理的設(shè)計和適當(dāng)?shù)牟僮骱Y板塔能滿足要求的操作彈性，而且效率高采用篩板可解決堵塞問題適當(dāng)控制漏夜。篩板塔多用不銹鋼板或合金制成，使用碳剛的比率較少。 缺點是： ①小孔篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液； ②操作彈性較?。s 2～ 3）。精餾是典型的化工操作設(shè)備之一。 4 摘 要 本次設(shè)計對一定量的乙醇和水的分離設(shè)備 —— 精餾塔做了較詳細的敘述，主要包括：工藝計算，設(shè)備泵計算 ,塔設(shè)備等的附圖 .化工原理是化學(xué)工業(yè)的理論指導(dǎo)， 精餾塔是大型的設(shè)備組裝件，分為板式塔和填料塔兩大類， 其中，篩板精餾塔在實際中應(yīng)用較為廣泛，它的設(shè)計是化工原理課程的重要組成部分，通過對 乙醇 水 分離的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用化原理論知識，分析、解決實際問題的能力，掌握化工設(shè)計的基本程序和方法。 關(guān)鍵詞：水、乙醇、連續(xù)精餾、精餾段、提餾段、篩板塔 5 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 ：乙醇 — 水二元物料板式精餾塔 ：原料來自粗餾塔，為 95℃～ 96℃飽和蒸汽，由于沿途熱損 失， 進精餾塔時，原料溫度約為 90℃； 塔釜為飽和蒸汽直接加熱，從塔釜出來的殘液中乙醇濃度要求不大于%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。塔頂采用全凝器，泡點回流，回流比 R=（ — ） Rmin ： （ 1）精餾塔工藝設(shè)計計算 （ 2）全凝器工藝設(shè)計計算 （ 3）精餾工藝過程流程圖 （ 4）精餾塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 （ 5）塔盤結(jié)構(gòu)圖 （ 6）設(shè)計說明書 ： （ 1）完成精餾塔工藝設(shè)計（包括輔助設(shè)備及進出口管路的計算與選型）。 （ 3）完成精餾塔設(shè)計說明書，包括設(shè)計結(jié)果匯總及設(shè)計評價。 6 (2) 主要的設(shè)備工藝設(shè)計的計算：物料衡算、熱量衡算、工藝常數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。 (4) 工藝流程圖： 以單圖線的形式描繪，標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料方向、物流量、能流量、主要測量點。編寫設(shè)計說明 . (6) 篩板精鎦塔設(shè)計任務(wù)及說明∶在常壓連續(xù)篩板精餾塔中精餾分離含乙醇 17%的乙醇 — 水混合液，要求塔頂餾出液中含乙醇量不低于 %，塔底釜液中含苯量不低于%（以上均為摩爾分率） . ： （ 1）使兩相在塔板上充分接觸 . （ 2）汽液兩相總體上呈逆流，每一層塔板上均勻錯流接觸 . 7 第 1 章 緒論及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 乙醇和水的物理性質(zhì) 表 11乙醇和水物性表 項 目 分子式 分子量 沸 點℃ 臨界溫度℃ 臨界壓強 KPA 乙醇 A 25CHOH 60148 水 B 2HO 100 常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù) 表 12 氣液平衡數(shù)據(jù)表 溫度 t℃ 液相中乙醇的摩爾分率 % 氣相中乙醇的摩爾分率 % 100 8 乙醇和水物性數(shù)據(jù) 乙醇和水各種物性數(shù)據(jù)見表 13到表 16。表中數(shù)據(jù)摘自《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》（ P494— 495）和天津大學(xué)《化工原理》上冊及《化工原理課程設(shè)計指導(dǎo)書》 乙醇的生產(chǎn)方法和粗醇精制的目的 1 乙醇的生產(chǎn)方法 發(fā)酵法 乙醇的工業(yè)生產(chǎn)方法可以歸納為發(fā)酵法和水合法兩大類。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）進行羰基合成制 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（ 6126 OHC ） 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、糖化等階段而轉(zhuǎn)化成乙醇。然后再進入制醇的發(fā)酵階段。這種乙醇通常稱作亞硫酸鹽乙醇。 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，同時這種方法也不適應(yīng)大規(guī)模的乙醇生產(chǎn)。催 化 解～ ， ～ 大 氣 壓 該法又稱為一步法。這種沒有經(jīng) 過精制的乙醇簡稱粗醇。 精餾流程的確定 乙醇 — 水的混合液用機泵經(jīng)原料預(yù)熱器加熱后，送入精餾塔。塔釜采用直接蒸汽（ 110℃水蒸汽）加熱，塔底廢水經(jīng)冷卻后送入貯槽，具體流程參見附圖（ 11）。 加料方式的選擇： 設(shè)計任務(wù)年產(chǎn)量雖小，但每小時 的進料量，為維持生產(chǎn)穩(wěn)定，如采用高位槽進料，就需要一個約 4～ 5 3m 的高位槽，這是不太常見的。 圖 11 精餾過程簡圖 第 2 章 精餾塔工藝計算 12 全塔工藝計算 精餾塔二元物系物料衡算 查表可知，乙醇 — 水的 進料組成 ? ，由條件可知，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量 ?DX ， ? ，所以 因為要求設(shè)計的生產(chǎn)能力是 25T/天，所以 2 5 1 0 0 0 1 0 4 1 . 6 72 5 / 1 0 4 1 . 6 7 2 4 . 9 6 52 4 4 1 . 7 2 5kg k m o lD hh?? ? ? ? ?噸 天 ???????????????????FqDRSXWXDSXFWDSFWDF)1()1( ???????????????????FSWFWSF)()(0 0 0 1 1 1 8 解得： ??????????????111 196 30 0hk m olWhk m olShk m olF 操作溫度的計算 利用乙醇 水的 汽 液平衡數(shù)據(jù)，有插值法可以求得： CTD ?? CT W ?100? CT F ?? 相對揮發(fā)度的計算 由 ?xF , ?yF則， ??F 由 ?DX ， ?Dy 則， ??D 由 ? ， ?yw 則， ??W 精餾段的平均揮發(fā)度 1 ???? CtCt?? ????????提留段精餾段 13 提留段的平均揮發(fā)度 2 ???? 全塔的平均相對揮發(fā)度 21 ????? ??? 確定合適的回流比 min DqqqxyR yx?? ? = ?? = 操作回流比取 R=（ ～ ） minR ∴取操作回流比 R= min= = ( 由優(yōu)化得到 ) 操作線方程 1 11dnnxRyxRR? ???? 精餾段操作線方程： 提餾段操作方程 精餾塔理論塔板數(shù)及理論加料位置 由逐板法計算，編程計算出精餾塔理論塔板數(shù)及理論 加料位置 精餾段 4 塊 提餾段 20 塊 第 5塊加料 y x 1 2 3 4 5 6 ??? nn xy 14 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 全塔效率 全塔效率 ET=– m 根據(jù)塔頂和塔底液相組成查表 12 ，求得塔平均溫度。 s 其中μ A= mPa s 該數(shù)據(jù)由《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》和天津大學(xué)《化工原理》教材上冊附錄七查得。 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算 塔頂壓強 取每層塔板壓降為Δ p=,則 進料板壓強 PF=+?5= 塔底壓強 PW=+?18= 精餾段平均操作壓強 : k paPm ??? 提餾段平均操作壓強 : k paPm ??? 操作溫度 T 乙醇－水的飽和蒸汽壓可用 Antoine 方程求算，即： CT BA ???ln 式中 T――物系 溫度， K； P＊ ――飽和蒸汽壓， mmHg。 應(yīng)用計算機計算塔頂、塔釜、及進料板溫度程序見附錄 計算結(jié)果：進料板溫度 90Ft ? ℃ 塔頂溫度 ? ℃ 塔釜溫度 100?Wt ℃ 1280 .6 52 96 90 85 .3 3290 10 0 952tt?? ? ??? ? ? 物性數(shù)據(jù)計算 1 平均分子量 Mm 乙醇分子量為 MA= ，水分子量 MB= 塔頂 y1= Dx =， x1= 則氣相平均分子量為： MV， DM= + ()= Kmol1 進料板 yF=y4 =， xF=x4= 則氣相平均分子量為： MV， FM= + ()= Kmol1 塔底 yW=， xW= 則氣相平均分子量為： MV， WM= +（ 1– ） = Kmol1 精餾段平均分子量： 氣相 ： 1, ???mVM Kg Kmol1 17 提餾段平均分子量： 氣相 ： 2 , ???mVM Kg Kmol1 2 平均密度 由式 LBBLAALm ????? ??1 可求相應(yīng)的液相密度。 m3，ρ L， B= m3，ρ L， B= m3，ρ L， B= m1，σ B= m1 對于進料板： tF=℃，σ A= m1 σ M， F= + = m1，σ B= mN m1 精餾段平均表面張力： 11 ????? mmNm? 提餾段平均表面張力： 12 ????? mmNm? 4 液體黏度 ?? ?? ni iiLm x1 ?? 對于塔頂： tD=℃，μ LA=，μ LB= mPa μ LM， D= + = mPa 對于進料板： tF=℃，μ LA = mPa，μ LB = mPa μ LM， F = + = mPa 對于塔底： tW=100℃，μ LA= mPa，μ LB = mPa μ LM， W = + = mPa 精餾段平均液相黏度：,1 0 . 4 7 6 2 0 . 3 3 1 7 0 . 4 0 2 62Lm m P a? ??? 19 提餾段平均液相黏度：,2 0 . 3 3 1 7 0 . 2 8 3 8 0 . 3 0 7 7 52Lm m P a? ??? 氣液負(fù)荷計算 V=（ R+1） D= = h1 131,1, ????????? SmMLLLmLmS ? Lh= 3600= 02 ) () 093 ())(( 21211,1, ???mvLmSSVL ?? 查教材圖 1042 ，可得到表面張力為 20mN/m 時的負(fù)荷因子 C20=。 2 溢流裝置 因為 D=,根據(jù)塔徑，由化工原理下冊表 10— 2（ P180）采用單溢流，弓型降液管，凹行受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進口堰。 SS ????? ， 故符合要求 4． 降液管底隙高度 h 取液體通過降液管底隙的流速 10 ???? smu 計算降液管底隙高度 h0 21 muL LhhL Lu W SW S ,0 ?????????? 塔板布置 1． 取邊緣區(qū)寬度 WC=，安定區(qū)寬度 WS= 2． 計算開孔區(qū)面積 ]s i n180[2 1222 RxRxRxA a ?????? ? 其中： x=D/2– （ Wd+WS） =– （ +） = R=D/2– WC=– = 21222 )] (s i [2 mA a ?????? ? 篩孔數(shù) n 與開孔率 φ (1)處理的物系無腐蝕性，取篩