【正文】 本設計任務為乙醇 — 水混合物。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 2 倍。 操作條件的確定 操作條件對操作有著重要的影響，若條件不當則會 導致生產效果不理想， 例如組分的分離順序、塔設備的型式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式等 都歲生產有著重要的影響 。 操作溫度 操作溫度主要計算進料口溫度、塔頂溫度、塔釜溫度，從而得到精餾段溫度和提餾段溫度。在實際的生產中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。 加熱方式 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設置再沸器。若塔底產物近于純水，而且在濃度稀薄時溶液的相對揮發(fā)度較大 (如酒精與水的混合液 )，便可采用直接蒸汽加熱。這樣，可節(jié)省一些操作費用和設備費用。但對有些物系 (如酒精與水的二元混合液 )，當殘液的濃度稀薄時，溶液的相對揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時采用直接蒸汽加熱是合適的。對于酒精水溶液，一般采用 ~（表壓）。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井 水作冷卻劑。水的入口溫度由氣 溫決定，出口溫度由設計者確定。冷卻水出口溫度的選擇由當?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50℃，否則溶于水中的無機鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。為此，必須具體考慮如下幾點： 滿足工藝和操作的要求 所設計出來的流程和設備，首 先必須保證產品達到任務規(guī)定的要求，而且質量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應的措施。因此，在必要的位置上要裝置調節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。再其次，要考慮必需裝置的儀表 (如溫度計、壓強計、流量計等 )及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應措施。如前所述在蒸餾過程中如能適當?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。同樣，回流比的大小對操作費和設備費也有很大影響。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內壓力過大或塔驟冷而產生真空，都會使塔受 到破壞，因而需要安全裝置。但在化工原理課程設計中，對第一個原則應作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。 實際板層數(shù)的求取： 查液體黏度共線圖 [1]得在溫度 ℃下水的粘度2 0 .3 2 8 2H O am p s? ?? nL i LiX??? ?因 為 ( 1 ) ? ? ? ? ? ? ?所 以 有 081 904 ( 1 081 ) 282 785LD? ? ? ? ? ? ? 0 .0 0 3 4 5 0 0 .3 9 0 4 ( 1 0 .0 0 3 4 5 0 ) 0 .3 2 8 2 0 .3 2 8 4Lw? ? ? ? ? ? ? 全塔效率： 0. ( )TLE ?? ??? 0 . 3 4 3 3 0 . 3 7 8 5 0 . 3 2 8 4( ) / 3 0 . 3 5 0 13L m L f L D L W? ? ? ? ??? ? ? ? ? 9 100 % 45. 98% 46%( 04 501 )TE ? ? ? ? ??所 以 16 1= 3346% ???理 論 塔 板 數(shù) 1實 際 塔 板 數(shù) 全 塔 效 率 11N = 2446% ?精精 餾 段 實 際 塔 板 數(shù) 51N = 946%? ?提提 餾 段 實 際 塔 板 數(shù) 總的實際塔板數(shù) 33 塊 ,實際加料板位置為第 25 塊。 進料口 Ft ： 8 2 .78 2 .7 8 2 .32 3 .3 7 2 6 .0 8 2 4 .2 5 2 3 .3 7Ft ?? ??? , Ft =℃ 塔頂 Dt ： 7 8 .4 17 8 .4 1 7 8 .1 57 4 .7 2 8 9 .4 3 8 0 .8 1 7 4 .7 2Dt ?? ???， Dt =℃ 塔釜 Wt ： 1001 0 0 9 5 .50 1 .9 0 0 .3 4 5 0 0Wt ?? ???， Wt =℃ 精餾段平均溫度 1 8 2 .5 7 7 8 .3 0 8 0 .4 422FDttt? ? ?? ? ?℃ 提餾段平均溫度 2 8 2 .5 7 9 9 .1 8 9 0 .8 822FWttt? ? ?? ? ?℃ 全塔的平均溫度 7 8 . 3 0 8 2 . 5 7 9 9 . 1 8 8 6 . 6 833D f wm t t tt ?? ??? ? ?℃ 操作壓力的計算 因為常壓下乙醇－水是液態(tài)混合物，其沸點較低（小于 100℃），且不是熱敏性材料，采用常壓精餾就可以成功分離。不同溫度下乙醇和水的密度見表 34。) ?水 /(kg/m179。) ?水 /(kg/m179。 表 35 乙醇和水不同溫度下的表面張力 溫度 /℃ 70 80 90 100 乙醇表面張力 / 3310 /Nm? 18 水表面張力 / 3310 /Nm? 1 精餾段液體平均表面張力 精 餾段平均溫度 1t? =℃ 乙醇表面張力： 339 0 8 0 1 6 . 2 1 7 . 1 5 1 7 . 1 1 1 0 /8 0 . 4 4 8 0 1 7 . 1 5 Nm?? ???? ? ? ??? 乙乙 水表面張力： 339 0 8 0 8 0 . 4 4 8 0 6 2 . 5 2 1 0 /6 0 . 7 6 2 . 6 6 2 . 6 Nm?? ???? ? ? ?水水 46 0. 428 7= 57346 0. 428 7 + 18 ( 1 287 )w ? ???乙乙 醇 的 質 量 分 數(shù) = (1 ) + BABm A B Bww??? ???由 3 31 17. 11 62. 52= 22. 780 0 10 /17. 11 ( 1 0. 657 3 ) + 62. 52 0. 657 3m Nm? ? ????得 2 提餾段液體平均表面張力 提餾段平均溫度 2t? =℃ 乙醇表面張力： 39。1 0 0 9 0 9 0 . 8 8 9 0 1 6 .1 1 2 1 0 /1 5 . 2 1 6 . 2 1 6 . 2 Nm?? ?? ? ? ? ?? 乙乙 水表面張力： 39。1 0 0 9 0 9 0 . 8 8 9 0 6 0 . 5 3 2 8 1 0 /5 8 . 8 6 0 . 7 6 0 . 7 Nm?? ?? ? ? ? ?? 水水 46 567= 33246 567 + 18 ( 1 567 )w ? ???乙乙 醇 的 質 量 分 數(shù) = (1 ) + BABm A B Bww??? ???由 3 32 16. 112 60. 532 8= 44. 274 0 10 /16. 112 ( 1 332 ) + 328 332m Nm? ? ????得 精餾塔的塔體工藝尺寸設計 塔徑的計算 精餾段的氣、液相體積流率為 3v11( 1 . 7 6 2 1 1 ) 5 8 . 2 5 6 0 3 5 . 5 0 1 . 2 9 6 0 /3 6 0 0 3 6 0 0 1 . 2 2 4 3SvVMV m s? ? ? ?? ? ?? 3 31111 1 60 8 10 /3600 3600 3600 5LLSLLL M RD ML m s?? ? ??? ? ? ? ?? (精餾段 V=L+D=(R+1)D,L=RD) 提餾段的氣、液相體積流率為 / ( + 1 ) ( 1 .7 6 2 1 1 ) 5 8 .2 5 6 0 1 6 0 .9 0 8 9V V R D? ? ? ? ? ? / 1 60 + 916 445L RD F? ? ? ? ? 39。3v221 6 0 . 9 0 8 9 2 7 . 1 2 1 . 3 3 4 3 /3 6 0 0 3 6 0 0 0 .9 0 8 5svVMV m s? ?? ? ?? 由 max LvuC??? 式中 C 由式 20 ()20MCC ?? 計算，其中 20C 由史密斯關聯(lián)圖 [3]查取 。 查史密斯關聯(lián)圖得20 ? 39。 m a x 00 0. 7 4 /0. 9085 m s??? 39。 m a /u u m s? ? ? ? 39。39。 = 塔截面積為2 2 5444TA D m??? ? ? ? ? 實際空塔氣速為 43 89 / 54u m s? ?? 取較大的精餾段塔徑 D=。 ( 9 1 ) N H m? ? ? ?提 提提 餾 段 的 有 效 高 度 : （ 1 ） 在進料板上方開一入孔，其高度為 = + + 0. 8= ++ 0. 8= Z Z m提精故 精 餾 塔 的 有 效 高 度 為 塔板主要工藝尺寸的計算 溢流裝置計算 因塔徑 D= ，可選用單溢流弓形降液管，各項計算如下： 堰長 D m? ? ? ?取 同理，提餾段的為 D m? ?? ? ? ? 溢流堰高度 由 w L owh h h? 選用平直堰，堰上液層高度：2s ()100ow wLhEl?，近似取 E=1 則23 4 958 10 360 01 ( ) 264 10100 0 0. 72owhm??? ? ? ? ? 同理，提餾段的為23 4 492 10 360 01 ( ) 056 10100 0 0. 72ow ???? ? ? ? ? ? 取板上清液層高度50Lh mm? 故350 10 ?? ? ? ? 同理，提餾段的為 056 94? ? ? ? 弓形降液管寬度和截面積 根據 ?? 圖 35 弓形降液管的參數(shù)圖 由弓形降液管的參數(shù)圖 [3]查得 TAA ? ， ? 故 2 10 881fAm? ? ? 2d D m? ? ? 同理，提餾段的為 ? ? ?? 驗算液體在降液管中停留時間為： 33600 360 0 588 1 5 24. 15 958 10 360 0fTsAH ssL? ???? ? ? ??? 同理，提餾段的為 3360 0 881 3 92 10 360 0 ss? ???? ? ??? 故降液管設計合理 4 、 降液管底隙高度 圖 36 降液管示意圖 [3] 0 03600s wLh lu? 339。查得塔板分塊數(shù)表得，塔板分 為 3 塊 b 邊緣區(qū)寬度的確定 取 39。 取中心距 t=75mm， 則 等邊三角形的高度 14t = 5 5 110aA mmn? ??? 以等腰三角形排列，排得閥數(shù)為 108 圖 37 精餾段浮閥數(shù)目的確定 校核 ： 氣體通過閥孔時的實際速度：0 2204 4 0= / 108sVu m sdN?? ????? 實際動能因素：10. 05 243 11. 12F ? ? ?（在 9 和 12 之間） 開孔率 :2 202( 39) 108100 %= 100 % 11. 41%4 4 dNA? ? ???? ? ? ???閥 孔 面 積塔 截 面 積 開孔率在 10% ~14%之間滿足要求 （ 2）提餾段 采用 F1 型重閥，重量為 33g,孔徑為 39mm 浮閥數(shù)目39。004 sVN du?? 氣體通過閥孔時的速度：239。 取中心距 t=75mm， 則等腰三角形的高度 14t = 112 . 5 5 97aA mmN? ??? 以等腰三角形排列，排得閥數(shù)為 94 圖 38 提餾 段浮閥數(shù)目的確定 校核 ： 氣體通過閥孔時的實際速度：39。0 2204 4 3= / 94sVu m sdN?? ??? 實際動能因素：11. 88 085 11. 32F ? ? ?（在 9 和 12 之間） 開孔率 :2 2039。 因此與氣體流經踏板的壓降相當?shù)母叨葹? 1 ? ? ? 1 1 1 700p p Lp h g Pa Pa?? ? ? ? ? ? ? 滿足設計允許條件。0 /u m s? 2 7 / 85cVu m s?? ? ? 因 02 0 2cuu? ，故 2 2202 2 3